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Die Erfindung betrifft einen Koaxialwellenhybrid für einen Hybrid-Getriebestrang, einen Hybrid-Getriebestrang für einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem solchen Koaxialwellenhybrid als 3-Wellen-Konzept und als 2-Wellen-Konzept, einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem solchen Hybrid-Getriebestrang, sowie ein Hybridfahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Hybrid-Antriebssträngen für Hybridfahrzeuge bekannt. Eine Aufgabenstellung bei einem Hybrid-Antriebstrang ist, die deutlich gestiegene Anzahl von (Antriebs-) Komponenten auf einem möglichst geringen Bauraum unterzubringen. Beispielsweise aus der
DE 10 2016 222 936 A1 ist ein Koaxialwellenhybrid mit einem CVT-Antriebsstrang bekannt, wobei CVT [engl.: continuous variable transmission] ein Umschlingungsgetriebe ist. Bei einem Koaxialwellenhybrid ist eine elektrische Maschine koaxial zu einer Verbrennerwelle angeordnet und dient dort zumindest einer der folgenden Aufgaben: Boosten, Anlassen, Anreißen (Kaltstart), Generatorbetrieb (nach Art einer Lichtmaschine), Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung) und/oder rein-elektrisches Fahren. Die koaxiale elektrische Maschine und die Verbrennerwelle werden dabei über ein gemeinsames Getriebe mit einer Abtriebsdifferentialeinheit verbunden und so ein Drehmoment bedarfsgerecht auf Fahrzeugantriebsräder des Hybridfahrzeugs übertragen.
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Obwohl mit der
DE 10 2016 222 936 A1 bereits eine sehr kompakte Ausführungsform eines Hybrid-Getriebestrangs gezeigt ist, wird kundenseitig, beispielsweise von OEM [engl.: original equipment manufacturer; darunter werden im Fahrzeugbau die kundenbekannten Markenhersteller verstanden], eine weitere Verkleinerung des Hybrid-Antriebsstrangs gewünscht.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft einen Koaxialwellenhybrid für einen Hybrid-Getriebestrang, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - eine elektrische Maschine mit einer Verbrennerseite und mit einer Getriebeseite, wobei die Verbrennerseite koaxial mit einer Verbrennerwelle einer Verbrennungskraftmaschine drehmomentübertragend verbindbar ist;
- - ein Übersetzungsgetriebe mit einer Getriebeeingangswelle und mit einer Getriebeausgangswelle, wobei die Getriebeeingangswelle koaxial angeordnet drehmomentübertragend mit der elektrischen Maschine verbunden ist;
- - einen Abtriebsanschluss mit einer Eingangsseite und mit einer Ausgangsseite, wobei der Abtriebsanschluss parallel zu der elektrischen Maschine angeordnet ist,
wobei die Eingangsseite unmittelbar mit der Getriebeausgangswelle drehmomentübertragend verbunden ist und die Ausgangsseite unmittelbar mit einer Abtriebsdifferentialeinheit drehmomentübertragend verbindbar ist.
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Der Koaxialwellenhybrid ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Abtriebsanschluss axial-überlappend und/oder axial-verbrennerseitig der elektrischen Maschine angeordnet ist.
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Es wird im Folgenden auf die jeweils im Folgenden genannten (Rotations-) Achsen Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis eine axiale Richtung, radiale Richtung oder eine Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss. Wird von einer Untersetzung beziehungsweise einem Untersetzungsverhältnis, also einem Verringerungsverhältnis, gesprochen, so ist hier die Drehzahl gemeint, und damit (reziprok) eine Übersetzung des Drehmoments, also eine Vergrößerung des Drehmoments.
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Der hier vorgeschlagene Koaxialwellenhybrid ist für den Einsatz in einem Hybrid-Getriebestrang geeignet. Der Koaxialwellenhybrid umfasst eine elektrische Maschine, welche koaxial zu einer Verbrennerwelle, beispielsweise eine Kurbelwelle, angeordnet ist und mit der Verbrennerwelle drehmomentübertragend verbindbar ist, also im Einsatz dauerhaft verbunden ist oder (mittels Trennkupplung) trennbar verbunden ist. In einer Ausführungsform ist zumindest eine Vorrichtung zur Vergleichmäßigung des Verbrennerdrehmoments, beispielsweise ein Zweimassenschwungrad und/oder ein Fliehkraftpendel zwischen Verbrennerwelle und Verbrennerseite der elektrischen Maschine zwischengeschaltet. Über die drehmomentübertragende Verbindung mit der Verbrennerwelle ist von der elektrischen Maschine beispielsweise ein Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine in der elektrischen Maschine aufnehmbar (zum Beispiel im Generatorbetrieb), ein Drehmoment der Verbrennerwelle mit einem Drehmoment ergänzend unterstützbar (Boosten), oder ein Drehmoment an die Verbrennungskraftmaschine angebbar, also die Verbrennungskraftmaschine anlassbar (beispielsweise bei Start-Stopp-Automatik) oder sogar anreißbar (Kaltstart).
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Weiterhin ist getriebeseitig der elektrischen Maschine ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen, welches mit seiner Getriebeeingangswelle koaxial zu der elektrischen Maschine angeordnet ist und drehmomentübertragend mit der Getriebeseite der elektrischen Maschine verbunden ist, sowie (mittelbar oder unmittelbar) mit der Verbrennerwelle drehmomentübertragend verbindbar ist. Die Getriebeausgangswelle des Übersetzungsgetriebes ist mit der Eingangsseite eines Abtriebsanschlusses verbunden. Das Übersetzungsgetriebe ermöglicht die bedarfsgerechte Anpassung der Drehzahlen beziehungsweise des Drehmoments für den Verbraucher, welches von der elektrischen Maschine und/oder der Verbrennungskraftmaschine abgegeben wird. Ein Verbraucher ist beispielsweise zumindest ein Fahrzeugantriebsrad, bevorzugt eine Antriebsachse mit zumindest zwei Fahrzeugantriebsrädern.
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Der Abtriebsanschluss weist eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite auf, wobei der Abtriebsanschluss in seiner Gesamtheit parallel zu der elektrischen Maschine angeordnet ist. Dabei ist der Abtriebsanschluss in seiner Gesamtheit zu der elektrischen Maschine axial-überlappend und/oder axial-verbrennerseitig, also von dem Übersetzungsgetriebe gesehen hinter, der elektrischen Maschine angeordnet. Das bedeutet, dass der Abtriebsanschluss sich nicht in den Bereich des Übersetzungsgetriebes erstreckt und auch nicht zwischen dem Übersetzungsgetriebe axial zwischen dem Übersetzungsgetriebe und der elektrischen Maschine angeordnet ist. Der Abtriebsanschluss ist also hier mit seiner Eingangsseite unmittelbar, mit der Getriebeausgangswelle des Übersetzungsgetriebes verbunden. Die Ausgangsseite ist unmittelbar, also ohne weitere Drehmomentübertragungselement, mit einer Abtriebsdifferentialeinheit drehmomentübertragend verbindbar. Das bedeutet, dass dort jeweils kein Drehmomentübertragungselement zwischengeschaltet sind, also beispielsweise kein weiteres Zahnrad und keine Getriebekette vorgesehen sind.
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Beispielsweise bei der
DE 10 2016 222 936 A1 ist ein Differentialabtriebsrad (
49) axial zwischen dem ausgangsseitigen Kegelscheibenpaar des Umschlingungsgetriebes und dem Stator der elektrischen Maschine angeordnet (vergleiche
1 der
DE 10 2016 222 936 A1 ), sodass daraus resultierend das Umschlingungsgetriebe insgesamt axial weiter herausgeschoben werden muss und somit die axiale Baulänge deutlich größer ist. In der
2 der
DE 10 2016 222 936 A1 ist zu erkennen, dass das Differentialabtriebsrad (
49) nicht axial-überlappend mit der elektrischen Maschine (
20) angeordnet werden kann. Das dort gezeigte Differentialabtriebsrad (
49) ist das Rad, welches zwischen dem der Getriebeausgangswelle des Umschlingungsgetriebes und dem Differential das letzte differentialseitige Drehmomentübertragungselement bildet. Dieses Differentialabtriebsrad (
49) entspricht somit einer Komponente des Abtriebsanschlusses gemäß obiger Definition.
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In einer Ausführungsform ist die daraus resultierende axiale Verkürzungen durch eine vergrößerte radiale Beabstandung der Motorachse und der Getriebeausgangswelle, beziehungsweise deren (abtriebsseitige) Rotationsachse, erkauft.
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In einer anderen Ausführungsform tritt keine Zunahme des radialen Bauraums auf oder ist sogar im Vergleich zu vorbekannten Lösungen der Bauraum reduziert, indem der benötigte radiale Bauraum für den Abtriebsanschluss verringert ist. Dies ist beispielsweise dadurch erreicht, dass eine verringerte Drehzahluntersetzung erzielt wird, also an der Ausgangsseite des Abtriebsanschlusses eine höhere Drehzahl anliegt als dies für die meisten Anwendungen im Fahrzeugbau üblich oder geeignet ist. Damit sind im Vergleich zu der
DE 10 2016 222 936 A1 weniger Zahnräder und/oder kleinere Zahnräder einsetzbar. Die höhere Drehzahl ist, sofern unerwünscht, dadurch kompensierbar, dass die Abtriebsdifferentialeinheit eine weitere Untersetzungsstufe umfasst, besonders bevorzugt ein Planetengetriebe. Der dafür benötigte zusätzlich Bauraum ist gering oder an eine Stelle verlagerbar, welche weder zu einer radialen noch zu einer axialen Bauraumvergrößerung beziehungsweise im Vergleich zu vorbekannten Lösungen insgesamt zu einer Verringerung des benötigten radialen und/oder axialen Bauraums führt.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass das Übersetzungsgetriebe eine veränderbare Übersetzung aufweist.
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Hier wird nun vorgeschlagen, dass es Übersetzungsgetriebe keine feste Übersetzungsstufe ist, sondern eine veränderbare Übersetzung aufweist. Beispielsweise ist das Übersetzungsgetriebe ein diskret schaltbares Übersetzungsgetriebe, beispielsweise ein sogenanntes Schaltgetriebe mit einer Mehrzahl diskreter (Stirnrad-) Getriebestufen. Ein solches Übersetzungsgetriebe ist automatisiert oder von Hand schaltbar, wobei für die meisten Hybrid-Anwendungen eine lediglich indirekte manuelle Schaltvorgabe sinnvoll ist, weil die Komplexität der verschiedenen Betriebszustände der elektrischen Maschine und der Verbrennungskraftmaschine sowie einer gegebenenfalls weiteren vorgesehenen elektrischen Antriebsmaschine einen Fahrzeugführer überfordert.
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Es wird in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass das Übersetzungsgetriebe als Umschlingungsgetriebe mit einem eingangsseitigen Kegelscheibenpaar an der einer Getriebeeingangswelle und mit einem ausgangsseitigen Kegelscheibenpaar an der einer Getriebeausgangswelle ausgeführt ist, wobei die beiden Kegelscheibenpaare mittels eines Umschlingungsmittels kontinuierlich veränderbar übersetzend drehmomentübertragend miteinander verbunden sind.
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Hier ist nun vorgeschlagen, dass das Übersetzungsgetriebe als Umschlingungsgetriebe, also als CVT [engl.: continuous variable transmission], beispielsweise ein kontinuierlich variables Zugmittelgetriebe oder als Schubgliederbandgetriebe ausgeführt ist. Ein solches Umschlingungsgetriebe weist ein eingangsseitiges Kegelscheibenpaar auf, welches mit der Getriebeeingangswelle des Übersetzungsgetriebes drehmomentsteif verbunden ist. Bei einer Ausführungsform mit einem Planetengetriebe in der Abtriebsdifferentialeinheit ist es überraschenderweise ermöglicht ein verringertes Drehmomentuntersetzungsverhältnis, und bevorzugt zudem eine verringerte Spreizung zu erreichen, auch wenn (optional) das Untersetzungsverhältnis in dem Abtriebsanschluss verringert ist, um einen geringen radialen Abstand zwischen der Ausgangsseite des Abtriebsanschlusses und der Getriebeeingangswelle des Übersetzungsgetriebes zu erreichen. Dadurch ist eine Verringerung des Axialabstands zwischen der Eingangsseite des Abtriebsanschlusses und der Getriebeeingangswelle des Übersetzungsgetriebes ermöglicht. Es ist also ein geringerer Achsabstand zwischen den beiden Kegelscheibenpaaren möglich. Ein bevorzugtes Untersetzungsverhältnis liegt im Spreizungsbereich von 3,5 [drei Komma fünf] bis 4,5.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass die Eingangsseite des Abtriebsanschlusses mittels einer (ersten) Trennkupplung mit der Getriebeausgangswelle trennbar drehmomentübertragend verbunden ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist der Abtriebsanschluss in seiner Gesamtheit dauerhaft mit der Abtriebsdifferentialeinheit mitrotierend ausgeführt beziehungsweise vollständig von der Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine und/oder der elektrischen Maschine entkoppelbar. Damit ist beispielsweise bei einem reinen Generatorbetrieb mit hohem Wirkungsgrad möglich. Ein reiner Generatorbetrieb ist die Verbrennungskraftmaschine von der Abtriebsdifferentialeinheit, und hier eben auch von dem Abtriebsanschluss, entkoppelt und wird zur Erzeugung elektrischer Energie mittels der koaxialen elektrischen Maschine betrieben. Der Abtriebsanschluss wird in seiner Gesamtheit nicht mitgeschleppt. Eine solche erste Trennkupplung ist besonders vorteilhaft, wenn eine weitere elektrische Antriebsmaschine vorgesehen ist, die über einen weiteren Eingang der Abtriebsdifferentialeinheit zur Drehmomentabgabe an die zumindest eine Abtriebswelle eingerichtet ist.
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Es wird in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass die erste Trennkupplung formschlüssig drehmomentübertragend eingerichtet ist.
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Hier ist vorgeschlagen, dass die erste Trennkupplung eine formschlüssige Trennkupplung ist, beispielsweise eine Klauenkupplung oder eine sogenannte Wedge-Clutch. Eine Wedge-Clutch weist einen Nabenkonus und einen (abgerundet) polygonen Mitnehmerkonus auf, bevorzugt mit einem als Festkörperfeder ausgeführten korrespondierenden Aufnahmekonus ausgeführt. Bei einer solchen Wedge-Clutch sind Relativdrehzahlen von 20 U/min [zwanzig Umdrehungen pro Minute] bis 30 U/min schaltbar, weil der Eingriff nicht rein formschlüssig, sondern kraftschlüssig gebildet ist. Die elektrische Maschine wird bei einer formschlüssig schließbaren zweiten Trennkupplung beispielsweise erst bei laufender Verbrennungskraftmaschine mit der Verbrennerwelle synchronisiert. In diesem Fall ist ein separater Anlasser für die Verbrennungskraftmaschine vorgesehen.
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Bei einer solchen formschlüssig schließbaren ersten Trennkupplung sind die Eingangsseite des Abtriebsanschlusses die Getriebeausgangswelle des Übersetzungsgetriebes nur bei ausreichend synchronisierter Drehzahl drehmomentübertragend miteinander verbindbar. Dies ist besonders einfach, wenn zusätzlich eine zweite Trennkupplung bei der Verbrennerseite der elektrischen Maschine hin zu der Verbrennerwelle vorgesehen ist, sodass eine Drehzahl-Synchronisation von der Getriebeausgangswelle mit der Eingangsseite des Abtriebsanschlusses einzig mit der koaxialen elektrischen Maschine vorgenommen werden muss. Die Verbrennungskraftmaschine ist gegebenenfalls mittels einer solchen als Reibkupplung ausgeführten zweiten Trennkupplung schlupfend drehmomentübertragend, also mechanisch geregelt, synchronisierbar und anschließbar.
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Alternativ ist die erste Trennkupplung allein ausreichend und keine weitere, beispielsweise zweite, Trennkupplung in dem Koaxialwellenhybrid vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform ist zumindest eine weitere oder einzig eine anders angeordnete Trennkupplung vorgesehen, beispielsweise eine Trennkupplung zwischen der Abtriebsdifferentialeinheit und der Ausgangsseite des Abtriebsansch lusses.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass die Verbrennerseite der elektrischen Maschine mittels einer (zweiten) Trennkupplung mit einer Verbrennerwelle einer Verbrennungskraftmaschine drehmomentübertragend verbindbar ist, wobei die zweite Trennkupplung koaxial und axial-überlappend mit der elektrischen Maschine angeordnet ist.
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Hier wird nun vorgeschlagen, dass die Verbrennerseite der elektrischen Maschine mittels einer (zweiten) Trennkupplung mit der Verbrennerwelle drehmomentübertragend verbindbar ist, sodass eine Drehmomentübertragung einerseits zwischen der elektrischen Maschine und der Verbrennerwelle unterbrechbar ist und andererseits eine Drehmomentübertragung zwischen der Verbrennerwelle und der Abtriebsdifferentialeinheit damit unterbrechbar ist. Die elektrische Maschine ist dabei bevorzugt dauerhaft mit der Getriebeeingangswelle mitlaufend drehmomentübertragend verbunden.
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Eine solche zweite Trennkupplung ist beispielsweise eine Reibkupplung, sodass ein schlupfender Betrieb möglich ist, wobei beispielsweise damit ein Anlassen oder sogar ein Anreißen, also ein Kaltstart bei niedrigen Temperaturen, der Verbrennungskraftmaschine einfach umsetzbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Trennkupplung zentral innerhalb des Rotors der elektrischen Maschine angeordnet. Alternativ ist die zweite Trennkupplung radial außerhalb des Rotors, und gegebenenfalls des Stators, angeordnet.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass die Verbrennerseite der elektrischen Maschine mittels eines Freilaufs mit einer Verbrennerwelle einer Verbrennungskraftmaschine drehmomentübertragend verbindbar ist, wobei der Freilauf koaxial und axial-überlappend mit der elektrischen Maschine angeordnet ist.
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Bei einer Ausführungsform ist anstelle einer (zweiten) Trennkupplung ein Freilauf vorgesehen, sodass nur bei Drehmomentabgabe von der Verbrennungskraftmaschine eine Drehmomentübertragung auf die Getriebeeingangswelle möglich ist, und bei einem umgekehrten Drehmomentverlauf die Verbrennungskraftmaschine entkoppelt ist. Hierbei ist also ein separater Anlasser für die Verbrennungskraftmaschine vorzusehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Freilauf zentral innerhalb des Rotors der elektrischen Maschine angeordnet. Alternativ ist der Freilauf radial außerhalb des Rotors, und gegebenenfalls des Stators, angeordnet.
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Es wird in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass die zweite Trennkupplung formschlüssig drehmomentübertragend eingerichtet ist.
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Hier ist vorgeschlagen, dass die zweite Trennkupplung eine formschlüssige Trennkupplung ist, beispielsweise eine Klauenkupplung oder eine sogenannte Wedge-Clutch.
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Alternativ ist auch mit einer formschlüssig schließbaren zweiten Trennkupplung ein Anlassen oder Anreißen möglich, wobei dann eine geeignete Steuerungselektronik zum Steuern des abgegebenen Drehmoments sowie der abgegebenen Drehzahl der elektrischen Maschine eine Synchronisation auf Basis einer Drehzahlerfassung der Verbrennerwelle vornimmt. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Trennkupplung axial-überlappend und koaxial mit der elektrischen Maschine, sowie mit einem Teil der Getriebeeingangswelle angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hybrid-Getriebestrang für einen Hybrid-Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - einen Koaxialwellenhybrid nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung; und
- - eine Abtriebsdifferentialeinheit mit einer ersten Abtriebswelle und mit einer zweiten Abtriebswelle,
wobei der Abtriebsanschluss zumindest eine starre Zahnradstufe umfasst und die Getriebeausgangswelle des Übersetzungsgetriebes parallel zu zumindest einer der Abtriebswellen der Abtriebsdifferentialeinheit angeordnet sind.
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Hier ist nun ein Hybrid-Getriebestrang in einem 3-Wellenkonzept vorgeschlagen, bei welchem ein Koaxialwellenhybrid nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung umfasst ist.
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Weiterhin umfasst der Hybrid-Getriebestrang eine Abtriebsdifferentialeinheit, mittels welcher bedarfsgerecht das von der elektrischen Maschine und der Verbrennungskraftmaschine eingeleitete Drehmoment auf zumindest eine erste Abtriebswelle und eine zweite Abtriebswelle einer gemeinsamen Abtriebsachse übertragbar ist. Die Abtriebswellen sind beispielsweise mit einem linken und mit einem rechten Fahrzeugantriebsrad drehmomentübertragend verbunden. Die Abtriebsdifferentialeinheit trägt dabei dem Bedarf unterschiedlicher Drehzahlen und Drehmomente Rechnung, beispielsweise bei einer Kurvenfahrt eines Hybridfahrzeugs, und verhindert ein Verspannen des Hybrid-Getriebestrangs oder seiner Komponenten beziehungsweise ein antriebsdrehmomentbedingtes Schlupfen zumindest eines der Fahrzeugantriebsräder.
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Hier ist nun vorgeschlagen, dass der Abtriebsanschluss zumindest eine starre Zahnradstufe umfasst, wobei eine solche starre Zahnradstufe zumindest zwei Zahnräder, also zumindest eine Zahnradpaarung oder einen Kettentrieb, umfasst. Dies hat den Vorteil, dass eine weitere Untersetzung zuzüglich zu der Untersetzung mittels des Übersetzungsgetriebes des Koaxialwellenhybrids erreichbar ist. Indem zumindest einen Zahnradpaarung vorgesehen ist, ist die Getriebeausgangswelle radial beabstandet, also parallel versetzt, zu zumindest einer der Abtriebswellen der Abtriebsdifferentialeinheit angeordnet. Dadurch entsteht ein größerer radialer Abstand zwischen der Getriebeeingangswelle des Koaxialwellenhybrids und der Abtriebsdifferentialeinheit als bei dem nachfolgend beschriebenen 2-Wellenkonzept. In einer bevorzugten Ausführungsform sind lediglich zwei miteinander kämmende Zahnräder, also eine einzige Zahnradpaarung, von der Zahnradstufe umfasst beziehungsweise bilden die Zahnradstufe, wobei unter Umständen eine relativ hohe Ausgangsdrehzahl in Kauf genommen ist, welche mittels eines Untersetzungsgetriebes, bevorzugt einem Planetengetriebe, in der Abtriebsdifferentialeinheit ausgleichbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hybrid-Getriebestrang für einen Hybrid-Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - einen Koaxialwellenhybrid nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung; und
- - eine Abtriebsdifferentialeinheit mit einer ersten Abtriebswelle und mit einer zweiten Abtriebswelle,
wobei der Abtriebsanschluss und die Getriebeausgangswelle des Übersetzungsgetriebes koaxial zu zumindest einer der Abtriebswellen der Abtriebsdifferentialeinheit angeordnet sind.
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Hier ist nun ein Hybrid-Getriebestrang in einem 2-Wellenkonzept vorgeschlagen, bei welchem ein Koaxialwellenhybrid nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung umfasst ist.
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Bei dieser Ausführungsform des Hybrid-Getriebestrangs ist die Getriebeausgangswelle koaxial zu zumindest einer der Abtriebswellen der Abtriebsdifferentialeinheit angeordnet, sodass also die Getriebeausgangswelle des Koaxialwellenhybrids als Durchgangswelle beziehungsweise Hohlwelle ausgeführt ist. Dadurch wird eine enorme Verringerung des radialen Abstands zwischen der Getriebeeingangswelle der Wellenachse in der zumindest ein Abtriebswelle der Abtriebsdifferentialeinheit erreicht. Weil hier nun eine weitere Untersetzung mittels einer Zahnradstufe entfällt, wie sie bei dem vorhergehenden 3-Wellenkonzept beschrieben ist, ist es vorteilhaft, die Abtriebsdifferentialeinheit mit einem untersetzenden Planetengetriebe auszuführen, welches die geringere Untersetzung für die meisten Anwendungsfälle eines solchen Hybrid-Getriebestrangs zumindest kompensieren kann.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Getriebestrangs vorgeschlagen, dass die Abtriebsdifferentialeinheit hin zum Abtriebsanschluss ein Planetengetriebe zum Untersetzen einer Ausgangsdrehzahl des Umschlingungsgetriebes umfasst.
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Ein Planetengetriebe weist eine geringe (zusätzliche) axiale Baulänge auf, nämlich vergleichbar mit einer Zahnradstufe oder bei größerer Übersetzung mit einem gestaffelten Planetengetriebe einer entsprechenden Mehrzahl von axial zueinander angeordneten Zahnradstufen. Gleichzeitig weist ein Planetengetriebe auch nur eine (mit einer Zahnradpaarung gleichem Untersetzungsverhältnis verglichen) geringe radiale Ausdehnung auf. Beispielsweise weist das Planetengetriebe eine etwa gleiche radiale Ausdehnung aus wie das Differential der Abtriebsdifferentialeinheit auf.
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Bei dieser Ausführungsform ist bevorzugt die Abtriebsdifferentialeinheit in axialer Überlappung mit der Verbrennungskraftmaschine und verbrennerseitig der elektrischen Maschine angeordnet, also von dem Übersetzungsgetriebe gesehen hinter der elektrischen Maschine. Dadurch ist eine zusätzliche Reduzierung des radialen Abstands zwischen der Getriebeeingangswelle des Koaxialwellenhybrids und der Wellenachse der zumindest einen Abtriebswelle der Abtriebsdifferentialeinheit erreicht.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Getriebestrangs vorgeschlagen, dass die Abtriebsdifferentialeinheit ein Stirnraddifferential umfasst.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Abtriebsdifferentialeinheit ein Stirnraddifferential, welches in seinem Aufbau und seinen Abmessungen einem zweistufigen Planetengetriebe ähnelt und einen etwa gleichen, oftmals radial etwas geringeren, Bauraum benötigt. Bei einer Ausführungsform eines Stirnraddifferentials bildet ein einziger Planetenträger den (gemeinsamen) Drehmomenteingang und zwei Sonnenräder jeweils zu einer Abtriebswelle den Drehmomentausgang. Die von dem umlaufenden Planetenträger gehaltenen Planetenräder sind derart aus zwei Sätzen von Planetenrädern ausgeführt, dass ein erster Satz mit dem ersten Sonnenrad der ersten Abtriebswelle und ein zweiter Satz mit dem zweiten Sonnenrad der zweiten Abtriebswelle drehmomentübertragend verbunden ist. Die Planetenräder der beiden Sätze sind zudem drehmomentübertragend miteinander verbunden. Bei einer Ausführungsform der Räder des Stirnraddifferentials als Zahnräder kämmen die drehmomentübertragend miteinander verbundenen Räder miteinander. Somit resultiert eine Drehzahlabnahme an der einen Abtriebswelle zu einer proportionalen Drehzahlzunahme an der anderen Abtriebswelle und umgekehrt. Ein solches Stirnraddifferential kennzeichnet sich durch seine Kompaktheit hinsichtlich des übertragbaren Drehmoments. Zudem ist ein solches Stirnraddifferential einfach mit einem vorgeschalteten Planetengetriebe verbindbar, und dies bei besonders geringem Bauraumbedarf.
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In einer Ausführungsform besteht das Abtriebsdifferential einzig aus einem Differential, bevorzugt einem Stirnraddifferential. In einer anderen Ausführungsform ist einzig zusätzlich ein einziges, bevorzugt ein einstufiges, Planentengetriebe vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hybrid-Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Verbrennerwelle, zumindest einen Verbraucher und einen Hybrid-Getriebestrang nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei die Verbrennerwelle zur Drehmomentübertragung mittels des Hybrid-Getriebestrangs mit dem zumindest einen Verbraucher mit veränderbarer Übersetzung, bevorzugt trennbar, verbunden ist.
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Der Hybrid-Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, ein von der Verbrennungskraftmaschine und/oder von der koaxialen elektrischen Maschine, bereitgestelltes Drehmoment für eine Nutzung bedarfsgerecht zu übertragen, also unter Berücksichtigung der benötigten Drehzahl und des benötigten Drehmoments. Die Verwendung des oben beschriebenen Umschlingungsgetriebes als Übersetzungsgetriebe ist besonders vorteilhaft, weil eine große Übersetzungsspreizung auf geringem Bauraum erzielbar beziehungsweise für eine geforderte Übersetzungsspreizung nur ein sehr geringer Bauraum erforderlich ist. Umgekehrt ist auch eine Aufnahme einer von zum Beispiel einem Fahrzeugantriebsrad eingebrachten Trägheitsenergie mittels des Umschlingungsgetriebes auf die koaxiale elektrische Maschine zur Rekuperation und/oder auf die Verbrennungskraftmaschine zum Motorbremsen mit einem entsprechend eingerichteten Hybrid-Antriebsstrang umsetzbar. Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest eine weitere elektrische Antriebsmaschine vorgesehen, welche parallelgeschaltet beziehungsweise von dem Koaxialwellenhybrid entkoppelt betreibbar ist.
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Der hier vorgeschlagene Hybrid-Antriebsstrang baut axial besonders kompakt und bevorzugt zudem radial besonders kompakt, wobei ein großer Freiheitsgrad hinsichtlich der Betriebszustände der Hybridmaschinen, also der Verbrennungskraftmaschine und der koaxialen elektrische Maschine, erreichbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hybridfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend zumindest ein Fahrzeugantriebsrad, welches mittels eines Hybrid-Antriebsstrangs nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung antreibbar ist.
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Der axiale und/oder radiale Bauraum ist gerade bei Hybridfahrzeugen aufgrund der hohen Anzahl von Antriebskomponenten besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, einen Hybrid-Antriebsstrang, bevorzugt mit einem Umschlingungsgetriebe, kleiner Baugröße zu verwenden.
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Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Aggregate in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Bei dem hier vorgeschlagenen Hybridfahrzeug mit dem oben beschriebenen Hybrid-Antriebsstrang wird ein derart geringer Bauraum benötigt, dass der Hybrid-Antriebsstrang nicht nur hinsichtlich seines Platzbedarfs, sondern auch hinsichtlich seines Wirkungsgrads über den Gesamtdrehzahlbereich einen konventionellen Hybrid-Antriebsstrang übertrifft.
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Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo MiTo, Volkswagen Polo, Ford Ka+ oder Renault Clio. Bekannte Voll-Hybride in der Kleinwagenklasse sind der BMW i3, der Audi A3 e-tron oder der Toyota Yaris Hybrid.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: eine Schnittansicht eines Hybrid-Getriebestrangs im 3-Wellenkonzept;
- 2: ein Hybridfahrzeug mit vorderachsantreibendem Hybrid-Antriebsstrang; und
- 3: ein Hybridfahrzeug mit hinterachsantreibendem Hybrid-Antriebsstrang.
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1 zeigt im Schnitt eine vorteilhaften Ausführungsform eines Koaxialwellenhybrids 1 und einer Abtriebsdifferentialeinheit 14 eines Hybrid-Getriebestrangs 41, bei welchem in der Darstellung links die Verbrennerseite 4 der koaxialen elektrische Maschine 3 als Welle mit Steckverzahnung mit einer Verbrennerwelle 6, bevorzugt mittels eines Zweimassenschwungrads 43, (vergleiche 2 oder 3) dauerhaft drehmomentübertragend verbindbar ist. Eine Drehmomentübertragung zu der Verbrennerwelle 6 ist in dieser Ausführungsform mittels einer zweiten Trennkupplung 42 unterbrechbar. Die Verbrennerwelle 6 ist einzig mittelbar über den Rotor 29 der elektrischen Maschine 3 und damit mit der Getriebeseite 5 der elektrischen Maschine 3 verbindbar. Die zweite Trennkupplung 42 ist hier als Reiblamellenkupplung ausgeführt, welche zentral innerhalb des Rotors 29 der elektrischen Maschine 3 angeordnet ist. Der Rotor 29 der elektrischen Maschine 3 wird von einem Stator 28 elektromagnetisch angetrieben und gibt sein Drehmoment unmittelbar über die Getriebeseite 5, beispielsweise über eine Steckverzahnung, auf die Getriebeeingangswelle 9 des Übersetzungsgetriebes 8 weiter, welches hier optional als Umschlingungsgetriebe 20 ausgeführt ist.
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Die Getriebeausgangswelle 10 des Übersetzungsgetriebes 8 ist hier (optional) über eine erste Trennkupplung 19 trennbar mit einer Eingangsseite 12 des Abtriebsanschlusses 11 verbunden, wobei die erste Trennkupplung 19 hier als Klauenkupplung oder als Wedge-Clutch ausgeführt ist. Die Darstellung zeigt (mit gestrichelten Linien angedeutet), dass die elektrische Maschine 3, also der Rotor 29 und der Stator 28 axial durchaus länger gebaut werden können, umso ein größeres Drehmoment und/oder ein Drehmoment effizienter abgeben zu können.
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Der Abtriebsanschluss 11 ist hier im 3-Wellenkonzept ausgeführt und weist eine Zahnradstufe 16 mit (optional) einer einzigen Zahnradpaarung auf, wobei also die Eingangsseite 12 von einem getriebeseitigen Stirnrad 34 gebildet ist, sowie die Ausgangsseite 13 von einem Wellenanschluss beziehungsweise einer Differentialeingangswelle 36, mit welcher ein abtriebsseitiges Stirnrad 35 drehmomentsteif verbunden ist, gebildet ist. Die Ausgangsseite 13 des Abtriebsanschlusses 11 ist hier mit der Abtriebsdifferentialeinheit 14 über ein Sonnenrad 40 über eine Mehrzahl von in einem umlaufenden Planetenträger 39 gehaltenen Planetenrädern 38, welche auf einem stehenden Hohlrad 37 ablaufen, und somit über den Planetenträger 39 untersetzt mit einem Differential verbunden, welches hier als Stirnraddifferential 24 ausgeführt ist. Das Stirnraddifferential 24 ist zur bedarfsgerechten Übertragung eines Drehmoments auf eine linke Abtriebswelle 17 und eine rechte Abtriebswelle 18 eingerichtet (hier nicht dargestellt vergleiche 2 oder 3).
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In der gezeigten Ausführungsform ist das das Übersetzungsgetriebe 8 bildende Umschlingungsgetriebe 20 mit einem verbrennerseitigen Kegelscheibenpaar 21 und einem abtriebsseitigen Kegelscheibenpaar 22 ausgeführt, welche mittels eines Umschlingungsmittels 23 mit kontinuierlich veränderbarer Übersetzung drehmomentübertragend miteinander verbunden sind. Das verbrennerseitige Kegelscheibenpaar 21 weist (links in der Darstellung) eine verbrennerseitige Wegscheibe 30 und (rechts in der Darstellung) eine verbrennerseitige Festscheibe 31 auf und mit umgekehrter Ausrichtung weist das abtriebsseitige Kegelscheibenpaar 22 eine abtriebsseitige Festscheibe 32 (in der Darstellung links) und eine abtriebsseitige Wegscheibe 33 (in der Darstellung rechts) auf. In der Darstellung sind die jeweils radial außenliegenden, also voneinander wegzeigenden, Anteile der Kegelscheibenpaare 21, 22 mit einer großen Drehzahluntersetzung mit der maximalen Drehzahluntersetzung dargestellt, sodass also dort der axiale Abstand zwischen der verbrennerseitigen Wegscheibe 30 und der verbrennerseitigen Festscheibe 31 maximal ist und zwischen der abtriebsseitigen Festscheibe 32 und abtriebsseitigen Wegscheibe 33 minimal ist. Jeweils auf der Innenseite, also auf der dem jeweils anderen Kegelscheibenpaar 21, 22 zugewandten Seite, ist die minimale Untersetzungsstellung gezeigt, sodass also hier der axiale Abstand zwischen der verbrennerseitigen Wegscheibe 30 und der verbrennerseitigen Festscheibe 31 minimal ist und zwischen der abtriebsseitigen Festscheibe 32 und der abtriebsseitigen Wegscheibe 33 maximal ist. Diese Darstellung dient einzig der besseren Anschaulichkeit und stellt keinen realen Betriebszustand dar. Beide Kegelscheibenpaare 21, 22 werden hier optional hydrostatisch betätigt, wobei optional für eine Rückfallsicherung bei Ausfall des hydrostatischen Drucks bei dem abtriebsseitigen Kegelscheibenpaar 22 ein Rückstellenergiespeicher 44, hier als Schraubendruckfeder ausgeführt, die maximale Untersetzung sicherstellt, wenn der hydrostatische Druck einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
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In 2 ist ein Hybridfahrzeug 2 mit einem Hybrid-Antriebsstrang 25 umfassend einen Hybrid-Getriebestrang 41 im 2-Wellenkonzept gezeigt, welcher hier optional als Vorderachsantrieb eingerichtet ist. Vereinfacht sind hier die linke Abtriebswelle 17 und die rechte Abtriebswelle 18 zum Antreiben des linken Fahrzeugantriebsrads 26 beziehungsweise des rechten Fahrzeugantriebsrads 27 gezeigt, wobei dies üblicherweise gelenkte Räder sind, wobei das entsprechende Lenkgestänge wie auch andere Komponenten hier einzig der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Der Hybrid-Getriebestrang 41 umfasst hierbei ein Übersetzungsgetriebe 8, hier ausgeführt als Umschlingungsgetriebe 20, zudem eine Abtriebsdifferentialeinheit 14 umfassend einen Planetengetriebe 15 und ein Stirnraddifferential 24 sowie eine erste Trennkupplung 19, welche koaxial zu den Abtriebswellen 17, 18 angeordnet ist. Die Getriebeausgangswelle 10 des Übersetzungsgetriebes 8 ist als Durchgangswelle beziehungsweise Hohlwelle ausgeführt, sodass die rechte Abtriebswelle 18 zum rechten Fahrzeugantriebsrad 27 durch das abtriebsseitige Kegelscheibenpaar 22 hindurchgeführt ist. Die elektrische Maschine 3 ist mittels einer zweiten Trennkupplung 42, beispielsweise einer Reibkupplung, hier mittels eines Zweimassenschwungrads 43, mit der Verbrennerwelle 6 eines, hier als 2-Zylinder dargestellten, Verbrennungskraftmaschine 7 trennbar verbunden. Im Übrigen wird auf die Beschreibung der 1 verwiesen, welche einen Koaxialwellenhybrid 1 in einer Ausführungsform zeigt, welche abgesehen von der Ausführung des Abtriebsanschlusses 11 und der Getriebeausgangswelle 10 hier einsetzbar ist.
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In 3 ist ein Hybridfahrzeug 2 mit einem Hybrid-Antriebsstrang 25 gezeigt, bei welchem der Hybrid-Getriebestrang 41 hier optional als Hinterachsantrieb eingerichtet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass sowohl der in 3 gezeigte Hybrid-Getriebestrang 41 als auch der in 2 gezeigte Hybrid-Getriebestrang 41 jeweils als Vorderachsantrieb, sowie als Hinterachsantrieb einsetzbar ist. Bei dieser Ausführungsform ist nun also ein Hybrid-Getriebestrang 41 im 3-Wellenkonzept gezeigt, wobei sich eine erste Trennkupplung 19 vor der Eingangsseite 12 des Abtriebsanschlusses 11 befindet und der Abtriebsanschluss 11 eine (einzige) Zahnradstufe 16 umfasst, beispielsweise wie in 1 gezeigt. Das Übersetzungsgetriebe 8 ist hier rein optional ein diskret schaltbares Schaltgetriebe mit einer begrenzten Anzahl an Übersetzungsgängen. Im Übrigen ist der Hybrid-Getriebestrang 41 beispielsweise wie in 2 ausgeführt, sodass auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Koaxialwellenhybrid beziehungsweise Hybrid-Getriebestrang ist ein axial kompakter Aufbau und bevorzugt zudem ein radial kompakter Aufbau unter Sicherstellung eines hohen Freiheitsgrads hinsichtlich der Funktionen der koaxialen elektrischen Maschine vorgeschlagen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Koaxialwellenhybrid
- 2
- Hybridfahrzeug
- 3
- elektrische Maschine
- 4
- Verbrennerseite
- 5
- Getriebeseite
- 6
- Verbrennerwelle
- 7
- Verbrennungskraftmaschine
- 8
- Übersetzungsgetriebe
- 9
- Getriebeeingangswelle
- 10
- Getriebeausgangswelle
- 11
- Abtriebsanschluss
- 12
- Eingangsseite
- 13
- Ausgangsseite
- 14
- Abtriebsdifferentialeinheit
- 15
- Planetengetriebe
- 16
- Zahnradstufe
- 17
- linke Abtriebswelle
- 18
- rechte Abtriebswelle
- 19
- erste Trennkupplung
- 20
- Umschlingungsgetriebe
- 21
- verbrennerseitiges Kegelscheibenpaar
- 22
- abtriebsseitiges Kegelscheibenpaar
- 23
- Umschlingungsmittel
- 24
- Stirnraddifferential
- 25
- Hybrid-Antriebsstrang
- 26
- linkes Fahrzeugantriebsrad
- 27
- rechtes Fahrzeugantriebsrad
- 28
- Stator
- 29
- Rotor
- 30
- verbrennerseitige Wegscheibe
- 31
- verbrennerseitige Festscheibe
- 32
- abtriebsseitige Festscheibe
- 33
- abtriebsseitige Wegscheibe
- 34
- getriebeseitiges Stirnrad
- 35
- abtriebsseitiges Stirnrad
- 36
- Differentialeingangswelle
- 37
- Hohlrad
- 38
- Planetenrad
- 39
- Planetenträger
- 40
- Sonnenrad
- 41
- Hybrid-Getriebestrang
- 42
- zweite Trennkupplung
- 43
- Zweimassenschwungrad
- 44
- Rückstellenergiespeicher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016222936 A1 [0002, 0003, 0011, 0013]