DE10319108B4 - Allradfahrzeug mit Hybridantrieb - Google Patents

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Abstract

Allradfahrzeug mit Hybridantrieb, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine (1), einen ersten Antriebsstrang (4; 109) zu einer ersten angetriebenen Achse (2; 102), einen zweiten Antriebsstrang (10; 110) zu einer zweiten angetriebenen Achse (3; 103), eine elektrische Maschine (15) im zweiten Antriebsstrang (10; 110), und eine erste Kupplung (20) vor sowie eine zweite Kupplung (21) nach der elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (15) besteht aus einem den Stator (17) bildenden Gehäuse (16) und aus einem Rotor (18), der mit einem ersten Glied (44) eines dreigliedrigen Planetengetriebes (19) verbunden ist, dessen zweites Glied (45) mit der ersten Kupplung (20) und dessen drittes Glied (46) mit der zweiten Kupplung (21) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft Allradfahrzeuge mit einem Hybridantrieb, der eine Verbrennungskraftmaschine, einen ersten Antriebsstrang zu einer ersten angetriebenen Achse, einen zweiten Antriebsstrang zu einer zweiten angetriebenen Achse, eine elektrische Maschine (die sowohl als Motor als auch als Generator zum Aufladen eines Akkumulators arbeiten kann) im zweiten Antriebsstrang, und eine erste Kupplung vor sowie eine zweite Kupplung nach der elektrischen Maschine, umfasst. Die erste Kupplung ist somit auf der Seite der Verbrennungskraftmaschine und die zweite Kupplung auf der der zweiten angetriebenen Achse.
  • Ein gattungsgemäßer Antrieb ist aus der DE 196 39 904 A1 bekannt. Er erlaubt die Betriebsarten: Fahren mit elektromotorischem, verbrennungsmotorischem oder hybridem Antrieb, regeneratives Bremsen und Laden in den verschiedenen Antriebsmodii, Allradantrieb oder Antrieb nur einer Achse. Dadurch aber, dass der zweite Antriebsstrang die beiden Antriebsachsen bei geschlossenen Kupplungen starr verbindet, ist es im Modus Allradantrieb so, als wäre kein Differential zwischen den beiden Achsen, und daher ist das Befahren von Kurven nicht möglich.
  • Weitere Nachteile dieses bekannten Antriebes erwachsen daraus, dass die elektrische Maschine im wesentlichen mit der Drehzahl der Gelenkwelle rotiert, in der Variante mit Untersetzungsgetriebe zwar etwas schneller, wobei die Drehzahl immer proportional der Fahrgeschwindigkeit ist. So steht bei langsamer Fahrt mit elektrischem Antrieb (also dann, wenn man es am nötigsten braucht) kein ausreichendes Drehmoment zur Verfügung, und beim Laden oder bei der Nutzbremsung in langsamer Fahrt keine nennenswerte Generatorwirkung.
  • Aus der DE 44 01 473 A1 ist eine im Antriebsstrang zur zweiten angetriebenen Achse angeordnete Kraftübertragungseinheit bekannt, die als Ganzes rotiert und in der ein dreigliedriges Planetengetriebe und eine elektrische Bremse oder eine Wirbelstrombremse vorgesehen sind. Damit kann zwar das auf die zweite Achse übertragene Moment beziehungsweise die Drehzahl geregelt werden, die Ausgangsgrößen (Drehmoment und/oder Geschwindigkeit) dieser Einheit können aber nie größer sein als die Eingangsgrößen. Von einer Nutzbremsung, geschweige denn von einem Beitrag zum Antrieb ist keine Rede.
  • Aus der DE 25 01 386 A1 ist ein Hybrid-Antrieb für Fahrzeuge, bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor die miteinander koppelbar sind, bekannt, wobei mindestens ein Elektromotor mit seiner Welle unmittelbar oder über ein Getriebe an die Antriebselemente des Fahrzeugs, wie Räder, gekoppelt ist und der Verbrennungsmotor über eine auskuppelbare Kupplung mit der Welle des Elektromotors verbunden ist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Hybridantrieb dergestalt weiterzuentwickeln, dass nebst Verbesserung aller elektrischer Funktionen (Antrieb, Laden, Nutzbremsung) auch ein allen Anforderungen entsprechender Allradantrieb geschaffen ist. Diese Anforderungen umfassen auch die volle Straßentauglichkeit und ABS- und ESP-Kompatibilität bei permanentem Allradantrieb.
  • Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass die elektrische Maschine aus einem den Stator bildenden Gehäuse und aus einem Rotor besteht, der mit einem ersten Glied eines dreigliedrigen Planetengetriebes verbunden ist, und dessen zweites und dessen drittes Glied mit der ersten und mit der zweiten Kupplung verbunden ist.
  • Das Planetengetriebe stellt zunächst eine stark übersetzte Verbindung mit dem Rotor her. Dadurch kann dessen Drehzahl ein Vielfaches der Drehzahl des Antriebsstranges betragen, und sie ist nicht zwangsläufig proportional. Sie ist durch Ansteuern der elektrischen Maschine (insbesondere über deren Statorwicklungen) regelbar. Durch das generell viel höhere Drehzahlniveau der elektrischen Maschine baut diese wesentlich kleiner. Demzufolge steht auch bei Langsamfahrt ein hohes Bremsmoment und bei elektrischem Antrieb eine hohes Drehmoment zur Verfügung. Letzteres ist im Stadtbetrieb besonders erwünscht.
  • Die Anbindung der anderen Glieder des Planetengetriebes an die Kupplungen bedingt, dass die Drehzahl an der zweiten Kupplung, gesteuert durch das von der elektrischen Maschine aufgebrachte Bremsmoment kleiner bis maximal gleich sein kann. So kann entsprechend den Bodenhaftungsverhältnissen bei durchdrehenden Rädern der ersten angetriebenen Achse denen der zweiten angetriebenen Achse ein höheres Drehmoment zugeteilt werden.
  • Darüber hinaus ist die elektrische Maschine aber auch als Motor betreibbar, wodurch es möglich wird, die zweite angetriebene Achse schneller als die erste angetriebene Achse zu treiben. In diesem Fall arbeitet das Planetengetriebe als Überlagerungsgetriebe, wodurch der zweiten angetriebenen Achse eine höheres Drehmoment als der ersten zur Verfügung gestellt werden kann. Das ist in bestimmten Fahrsituationen sehr wertvoll, etwa um ein gezieltes Übersteuern herbeizuführen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung haben die erste und die zweite Kupplung jeweils zwei Schaltstellungen, in der einen verbinden sie ein Glied des Planetengetriebes mit dem jeweils anschließenden Teil des zweiten Antriebsstranges, in der anderen dasselbe Glied mit dem Gehäuse (Anspruch 2). In der ersten Stellung werden alle beiden Achsen angetrieben, in der zweiten ist durch die Verbindung des einen oder des anderen Gliedes mit dem Gehäuse die Übersetzung des Planetengetriebes eine größere, was in dem einen Fall dem Betrieb mit Elektroantrieb nur der zweiten Achse, und in dem anderen Fall dem Ladebetrieb zugute kommt.
  • In einer besonders günstigen Disposition des Planetengetriebes ist das erste Glied das Sonnenrad, das zweite Glied der Planetenträger und das dritte Glied das Hohlrad, wobei das Sonnenrad und der Rotor der elektrischen Maschine auf einer gemeinsamen Hohlwelle sitzen (Anspruch 3) und sind die elektrische Maschine und das Planetengetriebe in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, an das beiderseits je eine Kupplung anschließt (Anspruch 4).
  • Die erfindungsgemäße Ausbildung ist für die verschiedensten Allradantriebssysteme geeignet: Bei der konventionellen Anordnung mit einem zentralen Verteilergetriebe – das dann kein Differential benötigt – kann die elektrische Maschine mit dem Planetengetriebe in einem der beiden Antriebsstränge angeordnet sein. Im Falle einer Anordnung, in der der erste Antriebsstrang zur permanent angetrieben ersten Achse (meist der Vorderachse) und der zweite Antriebsstrang über eine Gelenkwelle zur zweiten angetriebenen Achse führt, ist die elektrische Maschine mit Vorteil zwischen der Gelenkwelle und einem Achsgetriebe der zweiten angetriebenen Achse angeordnet (Anspruch 5).
  • Eine besonders ökonomische und für die Gewichtsverteilung günstige Weiterbildung besteht darin, dass die elektrische Maschine mit dem Planetengetriebe und den Kupplungen direkt an das Achsgetriebe anschließt und deren Gehäuse miteinander verbunden beziehungsweise vereint sind (Anspruch 6).
  • Wenn die erste angetriebene Achse ein Achsgetriebe und zwei zu den Rädern führende Halbachsen hat, besteht eine mögliche Weiterbildung der Erfindung darin, dass, in einer der beiden Halbachsen eine dritte Kupplung vorgesehen ist (Anspruch 7). Eine solche Anordnung macht es möglich, die elektrische Maschine auch bei stillstehendem Fahrzeug als Generator zu betreiben, wenn diese dritte Kupplung offen ist. Dann nämlich „differenziert” das Differential des Achsgetriebes so, dass das Drehmoment an die elektrische Maschine weitergeleitet wird, ohne das Fahrzeug anzutreiben.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
  • 1: ein Schema eines Fahrzeuges mit dem erfindungsgemäßen Antrieb,
  • 2: Detail der 1 in einer ersten Betriebsart,
  • 3: Detail der 1 in einer zweiten Betriebsart,
  • 4: Detail der 1 in einer dritten Betriebsart,
  • 5: Detail der 1 in einer vierten Betriebsart,
  • 6: Schema einer anderen Ausführungsform.
  • In 1 ist der Motor-Getriebeblock eines erfindungsgemäßen Allradfahrzeuges mit 1 bezeichnet, die erste angetriebene Achse, hier die Vorderachse, mit 2 und die zweite angetriebene Achse (hier die Hinterachse) mit 3. Die erste angetriebene Achse 2 hat zwischen einer ersten Halbachse 5 und einer zweiten Halbachse 6 ein Achsgetriebe 4 mit Differential, zu welchem bei der gezeigten Anordnung der erste Antriebsstrang degeneriert ist. An diesen schließt ein Winkelgetriebe 7 an, das den Abtrieb des zweiten Antriebsstranges 10 bildet, welcher zu einem Achsgetriebe 8 mit Differential der zweiten angetriebenen Achse führt und von einer Gelenkwelle 9 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gebildet ist.
  • Diese erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer elektrischen Maschine 15 und einem Planetengetriebe 19, welches ebenfalls im Gehäuse 16 nebst einer Statorwicklung 17 und einem Rotor 18 der elektrischen Maschine untergebracht ist. Das Gehäuse 16 und die Statorwicklung 17 sind fahrzeugfest, das heißt sie drehen sich nicht. Vor dem Gehäuse 16 ist eine erste Kupplung 20, hinter dem Gehäuse 16 eine zweite Kupplung 21 vorgesehen. Diese Kupplungen können Klauen- oder Muffenkupplungen mit oder ohne Synchronisierung sein. Auch andere Kupplungstypen, wie zum Beispiel Lamellenkupplungen, sind denkbar.
  • Die Statorwicklung 17 ist über eine entsprechende Leistungselektronik 23 mit einem Akkumulator 22 verbunden. Eine Steuerelektronik 24 gewinnt aus verschiedenen Fahr- und Betriebsdaten 25 Steuersignale 26 für die Leistungselektronik 23 und für die Steuerung der Kupplungen 20, 21, welche über Aktuatoren 28, 29 verfügen. Schließlich kann in der zweiten Halbachse 6 der ersten angetriebenen Achse noch eine dritte Kupplung vorgesehen sein, worauf noch zurückzukommen ist.
  • In 2 ist nur mehr die elektrische Maschine 15 mit den benachbarten Organen in einer bestimmten Betriebsstellung abgebildet. Die an die elektrische Maschine 15 angrenzenden Organe sind nebst dem Planetengetriebe 19 die beiden Kupplungen 20, 21. Die erste Kupplung 20 hat zwei verschiedene Kuppelstellungen. In der ersten verbindet sie die Gelenkwelle 9 mit einer ersten Kupplungsnabe 40, in der zweiten Stellung die erste Kupplungsnabe 40 mit einer ersten Gehäusenabe 41. Die zweite Kupplung 21 hat ebenfalls zwei Stellungen. In der ersten verbindet sie den Rest des zweiten Antriebsstranges 10, nämlich das Achsgetriebe 8, mit einer zweiten Kupplungsnabe 42, in der anderen Stellung die Letztere mit einer zweiten Gehäusenabe 43.
  • Das Plantengetriebe 19 besteht aus einem Sonnenrad 44, das mit dem Rotor 18 der elektrischen Maschine 15 drehfest verbunden ist und mit dieser eine Hohlwelle bildet, aus einem Planetenträger 45 der den Rotor 18 und dessen Hohlwelle durchsetzt und mit der ersten Kupplungsnabe 40 drehfest verbunden ist, und aus einem Hohlrad 46, das mit der zweiten Kupplungsnabe 42 drehfest verbunden ist.
  • In dem in 2 gezeigten Betriebszustand verbindet die erste Kupplung 20 den Planetenträger 45 drehfest mit der Gelenkwelle 9 und die zweite Kupplung 21 das Hohlrad 46 mit dem Antrieb des zweiten Achsdifferentiales 8. Das bedeutet, dass die Verbindung zwischen den beiden angetriebenen Achsen 2, 3 über das Planetengetriebe hergestellt ist. Um ein Drehmoment zu übertragen, muss sich eines der Glieder des Planetengetriebes 19 abstützen. Diese Abstützung stellt die in diesem Fall als Bremse wirkende elektrische Maschine 15 her. Da die von ihr ausgeübte Bremskraft durch die Leistungselektronik 23 steuerbar ist, ist es auch die Abstützkraft im Planetengetriebe und damit auch das auf die zweite angetriebene Achse übertragene Moment, solange die Drehzahl des Hohlrades 46 nur kleiner als die des Planetenträgers 45 ist, beziehungsweise solange die Drehzahl der zweiten angetriebenen Achse 3 kleiner als die der ersten angetriebenen Achse 2 ist. So entsteht die Wirkung einer steuerbaren Kupplung zwischen den angetriebenen Achsen und somit eine Steuerung der Drehmomentenverteilung zwischen diesen.
  • Da aber die elektrische Maschine nicht nur Bremsgenerator, sondern auch Elektromotor ist, kann sie darüber hinaus durch entsprechende Ansteuerung der zweiten angetriebenen Achse 3 ein höheres Moment mitteilen und ihre Drehzahl über die der ersten angetriebenen Achse hinaus steigern. Hier wirkt das Planetengetriebe als Überlagerungsgetriebe.
  • In 3 wird die erste Kupplung 20 in die andere Schaltstellung gebracht, in der sie die erste Kupplungsnabe 40 drehfest mit der ersten Gehäusenabe 41 verbindet. Nun ist der Planetenträger 45 mit dem Gehäuse 16 drehfest verbunden. Das Planetengetriebe 19 wird so zu einem Festwellengetriebe (auch Standgetriebe genannt), in dem das Hohlrad 46 das Sonnenrad 44 und mit ihr den Rotor 18 der elektrischen Maschine sehr schnell dreht. In dieser Schaltstellung sind zwei Betriebszustände möglich. In dem einen treibt die zweite angetriebene Achse die elektrische Maschine, welche so als Generator wirkt, also Nutzbremsung; im zweiten wirkt die elektrische Maschine 15 als Motor, der mit sehr großer Übersetzung nur die zweite angetriebene Achse 3 antreibt. Das gibt bei niederer Geschwindigkeit und guter Bodenhaftung (Stadtverkehr, in dem kein Allradantrieb benötigt wird) eine hohe Beschleunigung. So kann bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor gefahren werden, somit rein elektrisch.
  • In 4 sind beide Kupplungen 20, 21 in der Stellung, in der sie die Kupplungsnabe 40, 42 mit der Gehäusenabe 41, 43 drehfest verbinden. Die elektrische Maschine ist so vollkommen blockiert. In diesem Betriebszustand fährt das Fahrzeug normal mit Verbrennungskraftmaschine und Antrieb nur der ersten angetriebenen Achse.
  • In dem Betriebszustand der 5 ist die erste Kupplung in der Stellung, in der die erste Kupplungsnabe 40 drehfest mit der Gelenkwelle 9 und damit mit der ersten angetriebenen Achse 2 und der Verbrennungskraftmaschine drehfest verbunden ist. Die zweite Kupplung 21 blockiert die zweite Kupplungsnabe 42 bezüglich der zweiten Gehäusenabe 43, das Hohlrad 46 des Planetengetriebes 19 steht still. Wegen der Stellung der ersten Kupplung 20 wird bei fahrendem Fahrzeug der Planetenträger 45 angetrieben. Da seine Planetenräder auf dem Hohlrad 46 abrollen, dreht sich das Sonnenrad 44 und mit ihm der Rotor 18 der elektrischen Maschine 15 sehr schnell.
  • Bei dieser Kupplungskonstellation gibt es auch wieder zwei Betriebszustände, jeweils nur mit der ersten angetriebenen Achse, die zweite Achse ist nicht angetrieben. Im ersten Betriebszustand wirkt die elektrische Maschine 15 als Motor, der stark untersetzt die Verbrennungskraftmaschine beim Antrieb der ersten angetriebenen Achse unterstützt. Im zweiten Betriebszustand arbeitet die elektrische Maschine 15 als Generator. Sie nutzt so die momentan nicht für den Antrieb benötigte Leistung der Verbrennungskraftmaschine zur Erzeugung von Strom, der in dem Akkumulator 22 (1) gespeichert wird. Die Verbrennungskraftmaschine kann dadurch in ihrem günstigsten Bereich betrieben werden.
  • Will man ausgehend von diesem Betriebszustand auch im Stillstand den Akkumulator aufladen, so ist das durch Öffnen der in 1 erkennbaren Kupplung 30 in der Halbachse 6 der ersten angetriebenen Achse möglich. Aufgrund des Achsgetriebes 4 wird nicht die andere Halbachse 5 angetrieben, sondern nur der zweite Antriebsstrang 9 und damit die als Generator arbeitende elektrische Maschine. Der Generatorbetrieb bei stehendem Fahrzeug kann auch der Versorgung nicht zum Fahrzeug selbst gehörender elektrischer Verbraucher dienen.
  • 6 zeigt eine ganz andere Ausführungsform der Erfindung. Dabei unterscheidet sich der zweite Antriebsstrang 110 zur zweiten angetriebenen Achse mit allem was dazwischen liegt überhaupt nicht von der Ausführungsform der 1. Der Unterschied besteht darin, dass der Motor-Getriebeblock 101 hier in Fahrzeuglängsrichtung angeordnet und von einem starren Verteilergetriebe – also einem ohne Zentraldifferential – gefolgt ist, von dem aus ein erster Antriebsstrang 109 zur ersten angetriebenen Achse 102 und der bekannte zweite Antriebsstrang 110 zur zweiten angetriebenen Achse 103 geht. Im Rahmen der Erfindung können die beiden Antriebsstränge aber auch vertauscht sein, das heisst aus 109 wird 110 und umgekehrt.

Claims (8)

  1. Allradfahrzeug mit Hybridantrieb, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine (1), einen ersten Antriebsstrang (4; 109) zu einer ersten angetriebenen Achse (2; 102), einen zweiten Antriebsstrang (10; 110) zu einer zweiten angetriebenen Achse (3; 103), eine elektrische Maschine (15) im zweiten Antriebsstrang (10; 110), und eine erste Kupplung (20) vor sowie eine zweite Kupplung (21) nach der elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (15) besteht aus einem den Stator (17) bildenden Gehäuse (16) und aus einem Rotor (18), der mit einem ersten Glied (44) eines dreigliedrigen Planetengetriebes (19) verbunden ist, dessen zweites Glied (45) mit der ersten Kupplung (20) und dessen drittes Glied (46) mit der zweiten Kupplung (21) verbunden ist.
  2. Allradfahrzeug mit Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (20) und die zweite (21) Kupplung (20, 21) jeweils zwei Schaltstellungen haben, in der einen verbinden sie ein Glied (45,46) des Planetengetriebes (19) mit dem jeweils anschließenden Teil des zweiten Antriebsstranges (9), in der anderen dasselbe Glied (45, 46) mit dem Gehäuse (16).
  3. Allradfahrzeug mit Hybridantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Glied (44) des Planetengetriebes (19) das Sonnenrad, das zweite Glied (45) der Planetenträger und das dritte Glied (46) das Hohlrad ist, wobei das Sonnenrad (44) und der Rotor (18) der elektrischen Maschine (15) auf einer gemeinsamen Hohlwelle sitzen.
  4. Allradfahrzeug mit Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (15) und das Planetengetriebe (19) in einem gemeinsamen Gehäuse (16) untergebracht sind, an das beiderseits je eine Kupplung (20, 21) anschließt.
  5. Allradfahrzeug mit Hybridantrieb nach Anspruch 1, wobei der erste Antriebsstrang (4) zur permanent angetriebenen Vorderachse (2) und der zweite Antriebsstrang (10) über eine Gelenkwelle (9) zur zweiten angetriebenen Achse (3) führt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (15) zwischen der Gelenkwelle (9) und einem Achsgetriebe (8) der zweiten angetriebenen Achse (3) angeordnet ist.
  6. Allradfahrzeug mit Hybridantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (15) mit dem Planetengetriebe (19) und den Kupplungen (20, 21) direkt an das Achsgetriebe (8) anschließen und deren Gehäuse miteinander verbunden sind.
  7. Allradfahrzeug mit Hybridantrieb nach Anspruch 5, wobei die erste angetriebene Achse (2) ein Achsgetriebe (4) und zwei zu den Rädern führende Halbachsen (5, 6) hat, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der beiden Halbachsen (5; 6) eine dritte Kupplung (30) vorgesehen ist.
  8. Allradfahrzeug mit Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kupplungen (20, 21, 30) synchronisiert ist.
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