DE102011085953A1

DE102011085953A1 - Elektrischer Zusatzantrieb für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011085953A1
Application number: DE102011085953A
Authority: DE
Inventors: Eckhard KIRCHNER
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Zusatzantrieb für ein Kraftfahrzeug mit konventionell angetriebener Hinterachse und einer von einem längs eingebauten Verbrennungsmotor angetriebenen Längswelle (1). Zur Erhöhung der Fahrdynamik umfasst dieser • ein Hinterachsdifferenzial mit einem Differentialgehäuse (4), welches mit der Längswelle (1) trieblich verbindbar ist, • einen Elektromotor mit einem Stator (10) und einem Rotor (9) und • eine Kupplung (8) zur antriebsfesten Kopplung des Rotors (9) mit dem Differentialgehäuse (4).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Zusatzantrieb für ein Kraftfahrzeug mit konventionell angetriebener Hinterachse und längs eingebautem Verbrennungsmotor.
Derartige Zusatzantriebe sind grundsätzlich von Hybridfahrzeugen bekannt, die neben einem Verbrennungsmotor auch einen oder mehren Elektromotoren aufweisen. Beispielsweise ist aus der DE 103 14 396 A1 ein Verfahren zur Drehmomentverteilung bei einem Hybrid-Elektrofahrzeug bekannt, bei dem das Fahrzeug anfänglich durch den Elektromotor bis zu der ersten Höhe eines Fahrzeugbetriebsparameters angetrieben wird. Hierdurch wird das schon in der Ruhestellung vom Elektromotor verfügbare hohe Drehmoment effektiv ausgenutzt.
Heckangetriebe Fahrzeuge umfassen in der Regel ein Hinterachsdifferential, welches unterschiedliche Raddrehzahlen auf der linken und der rechten Fahrzeugseite beispielsweise bei Kurvenfahrten ermöglicht. Bekannte Hinterachsdifferentiale arbeiten entweder rein passiv (Standard oder mechanisch reagierend, z. B. Torsenkonzept oder Viscodrive) oder aktiv querverteilend, d. h. hydrostatisch oder elektromechanisch aktuiert mit Überlagerungsgetriebe, das reibungsverursacht einen Blindleistungsfluss aufbaut. Alternativ sind zwei elektrisch aktuierte Kupplungen bekannt.
Rein passive Hinterachsdifferentiale bieten keine Mehrwert für die Fahrdynamik und auch kein Hybridpotential. Aktive Differentiale nutzen i. d. R. Reibmechanismen zur Momentenverteilung und sind von daher nicht wirkungsgradoptimal. Zudem ist bei aktiven Hinterachsdifferentialen die Reaktionszeit durch die Nutzung von Reibelementen vergleichsweise lang. Eine Substitution von ESP-Funktionalitäten durch einen Eingriff des Systems zur Momentenquerverteilung ist somit nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kraftfahrzeug mit angetriebener Hinterachse die Fahrdynamik zu erhöhen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch einen elektrischen Zusatzantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einer Längswelle und einem Verbrennungsmotor zum Antrieb der Längswelle, wobei der Zusatzantrieb umfasst

• ein Hinterachsdifferenzial mit einem Differentialgehäuse, welches mit der Längswelle trieblich verbindbar ist,
• einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor und
• eine Kupplung zur antriebsfesten Kopplung des Rotors mit dem Differentialgehäuse.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Der erfindungsgemäße Zusatzantrieb eignet sich als Zusatzaggregat für ein Fahrzeug mit Standardantrieb (Längsmotor und Heckantrieb) zur Verbesserung des Stopp-Start-Verhaltens. Es handelt sich vorteilhafterweise nicht um ein fullhybrid Konzept, so dass die Nutzung des Niedervolt-Netzes, insbesondere eines 12 Volt Netzes, zum Boosten, vorteilhafterweise auch Rekuperieren und in besonders vorteilhafter Ausgestaltung auch zum Querverteilen des Hauptantriebsmoments verwendbar ist.
Vorteilhafterweise ist der elektrische Zusatzantrieb jedoch so dimensioniert, dass sehr kurze Strecken, beispielsweise zwischen 50 und 500 Metern, auch rein elektrisch gefahren werden können. Dies ist beispielsweise bei sehr langesamem Fahren im Stau oder bei Rangiermanövern zweckmäßig.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind der Elektromotor und die Kupplung quer zur Längswelle angeordnet. Demnach liegt die Rotorwelle parallel oder sogar koaxial zu den anzutreibenden Achswellen, die mit dem Hinterachsdifferential verbunden sind und gemeinsam die angetriebene Hinterachse bilden.
In weiterer vorteilsbehafteter Ausführung des erfindungsgemäßen Zusatzantriebes ist die Kupplung als Reibkupplung mit einem differentialgehäuseseitigen Kupplungsbelag und einem elektromotorseitigen Kupplungsbelag und einem Kupplungsaktor ausgebildet. Hierbei ist es möglich, mittels des Elektromotors bei geschlossener Kupplung sowohl zu Boosten als auch zu Rekuperieren. Zum Vorwärts- und Rückwärtsfahren sind keine spezifischen Regelalgorithmen notwendig.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich zum Boosten und Rekuperieren auch eine sogenanntes Torquevectoring ermöglicht. Hierzu ist das Hinterachsdifferenzial als Stirnraddifferential ausgebildet mit

• zwei Sonnenrädern, die jeweils mit einer Achswelle der angetriebenen Hinterachse drehfest verbunden sind,
• einem Ausgleichsgetriebe mit einem zweistufigen, zwischen den beiden Sonnenrädern angeordneten Planeten,
• einem Hohlrad,
• einem mit dem elektromotorseitigen Kupplungsbelag antriebsfest verbundenen weiteren Sonnenrad und
• einem weiteren mit dem zweistufigen Planeten verbundenen Planetenrad, welches mit dem Hohlrad und dem Sonnenrad kämmt.

Dadurch, das der Elektromotor auch hier mit dem Differentialgehäuse gekoppelt ist, welches sich mit der mittleren Drehzahl der beiden Antriebsseiten der Hinterachse dreht, ist auch bei dieser Ausführungsform eine Rekuperieren möglich. Beim Boosten wird die elektrische Maschine zum Antreiben genutzt. Wird dabei die Kupplung aktuatorisch geschlossen, wird ein Sperrdifferential simuliert und der Drehzahlausgleich des Hinterachsdifferenzials unterbunden. Die Regelstrategie der Kupplung wird zweckmäßigerweise so eingestellt, dass auch bei Kurvenfahrt durch leichten Schlupf an der Kupplung ein Querverspannen der Hinterachse vermieden wird. Gleiches gilt beim Rekuperieren. Soll weder geboostet noch rekupertiert werden, kann die Maschine stromlos geschaltet werden. Vorteilhafterweise wird daher eine Asynchronmaschine oder eine geschaltete Reluktanzmaschine eingesetzt, die rückwirkungsfrei mitgeschleppt werden kann.
Dreht nun der Elektromotor bei Kurvenfahrt leicht schneller oder langsamer als die mittlere Drehzahl des Differentialgehäuses, so wird über das Koppelgetriebe, das mit den Ausgleichsplanetenrädern verbunden ist, ein Blindleistungsfluss erzeugt, der zur Umverteilung des Antriebsmoments von der Längswelle führt. Durch die gewählte Anordnung der Elektromaschine kann nach sehr kurzen Regelzeiten das volle Differenzmoment erreicht werden, wenn die Kupplungseinheit nicht aktuiert wird.
Das Mitdrehen der Elektromaschine mit mittlerer Differentialgehäusedrehzahl eröffnet zudem die Nutzbarkeit der Maschine zum Rekuperieren und Boosten. Bei geschlossener Kupplung muss der Elektromotor synchron zur Vorderachse drehen, ein Vor- oder Nacheilen der Hinterachse zur Erhöhung der Längsdynamik ist nicht darstellbar.
Die Übertragung des Drehmomentes vom längs eingebauten Verbrennungsmotor zum Hinterachsdifferential geschieht vorteilhafterweise mit einem Kegelradgetriebe, insbesondere einem Hypoid, über den die Längswelle mit dem Differentialgehäuse des Hinterachsdifferenzials verbindbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass die Kupplung als Freilaufkupplung ausgebildet ist. Diese ist Zugrichtung sperrend eingebaut und rutscht im Schubfall oder bei stehender e-Maschine durch. Eine derartige Ausbildung ist sehr einfach und im Vergleich mit einer reibkupplungsbehafteten Ausgestaltung auch verschleißärmer. Jedoch ist eine Rekuperation nicht ohne Weiteres möglich, da die Kupplung rutscht, wenn die Drehzahl des Verbrenners die des Elektromotors übersteigt.
Beim Auffüllen der Zugkraftlücke bei niedrigen Geschwindigkeiten treibt die Elektromaschine über den sperrenden Freilauf das Hinterachsgetriebe direkt an. Zur Erhöhung des Achsmomentes bei einem Motor mit Hochdrehzahlkonzept kann dabei die Leistung auch über ein ein- oder mehrstufiges Getriebe übertragen werden. Dies gilt nicht nur für die Ausführungsform mit Freilaufkupplung sondern generell für sämtliche in diesem Dokument vorgestellten Konzepte. Wenn der Elektromotor nicht zum Antreiben des Fahrzeugs genutzt wird, kann dieser stromlos geschaltet werden. Der Freilauf gibt den stehenden Motor frei. Zu erwähnen ist hier, dass dieses System beim Rückwärtsfahren ein Rückwärtsdrehen (leerdrehend oder generatorisch) der e-Maschine erfordert, um ein Verklemmen zu vermeiden.
Eine vollständige Längsausrichtung des hybriden Antriebsstranges ergibt sich bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Elektromotor und die Kupplung parallel zur Längswelle angeordnet sind und der Zusatzantrieb ein weiteres Kegelradgetriebe, insbesondere einen weiteren Hypoid, zur trieblichen Verbindung der vom Rotor angetriebenen Welle mit dem Differentialgehäuse umfasst.
Um ein hohes Moment an der Hinterachse zu erreichen, kann auch eine ein- oder zweistufige Übersetzung zwischen der Elektromaschine und dem weiteren Hypoid angeordnet sein. Selbstverständlich ist die Verwendung einer ein- oder zweistufige Übersetzung zwischen dem Elektromotor und dem Differentialgehäuse auch bei jeder anderen Ausführung der Erfindung denkbar und von der Erfindung umfasst.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform des elektrischen Zusatzantriebes,
2 eine zweite Ausführungsform des elektrischen Zusatzantriebes und
3 eine dritte Ausführungsform des elektrischen Zusatzantriebes.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine erste Ausführungsform des elektrischen Zusatzantriebes. Es handelt sich um ein passives System, bei dem ein Elektromotor mit einem Rotor 9 und einem Stator 10 mittels einer Freilaufkupplung 8 und eines Hypoidritzels 7 mit einem Differentialgehäuse 4 eines Hinterachsdifferentials umfassend ein Kegelradausgleichsgetriebe 5 gekoppelt ist. Das Differentialgehäuse 4 ist ferner über ein Hypoidrad 3 mit dem Hypoidritzel 2 eines Standardantriebs gekoppelt. Der Standardantrieb umfasst einen längs eingebauten Verbrennungsmotor, der auf eine Längswelle 1 wirkt, die mit dem Hypoidritzel 2 verbunden ist.
Bei dieser Variante ist auch der Elektromotor längs eingebaut, so dass sich insgesamt ein in Längsrichtung orientierter Antriebsstrang mit einem zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor angeordneten Kegelraddifferential ergibt. Das Differential ist mit einer linken und rechten Achswelle 6 der Hinterachse eine Kraftfahrzeuges gekoppelt.
Die Freilaufkupplung ist in Zugrichtung sperrend eingebaut und rutscht im Schubfall oder bei stehender e-Maschine durch. Um ein hohes Moment an der Hinterachse 6 zu erreichen, kann auch eine ein- oder zweistufige Übersetzung zwischen der Elektromaschine und dem Hypoidrad 3 bzw. dem Differentialgehäuse 4 angeordnet sein.
Beim Auffüllen der Zugkraftlücke bei niedrigen Geschwindigkeiten treibt der Elektromotor über den sperrenden Freilauf das Hinterachsgetriebe direkt an; zur Erhöhung des Achsmoments bei einem Motor mit Hochdrehzahlkonzept kann dabei die Leistung auch über das in der 1 nicht gezeigte ein- oder mehrstufige Getriebe übertragen werden. Wenn der Elektromotor nicht zum Antreiben des Fahrzeugs genutzt wird, kann dieser stromlos geschaltet werden – der Freilauf gibt den stehenden Motor frei. Zu erwähnen ist hier, dass dieses System beim Rückwärtsfahren ein Rückwärtsdrehen (leerdrehend oder generatorisch) der e-Maschine erfordert, um ein Verklemmen zu vermeiden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des elektrischen Zusatzantriebes, welche im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Variante zudem auch zum Rekuperieren geeignet ist.
Konstruktive Merkmale zusätzlich zum passiven Hinterachsdifferential des Standardantriebs sind für die Queranordnung der Elektromaschine die Integration von Kupplungssystem, bestehend aus „fahrzeugseitiger Kupplungsseite 11”, „e-seitige Kupplungsbelag 12” und Kupplungsaktuator 13. Wie zuvor beschrieben kann auch hier zwischen der Elektromaschine und dem Differentialgehäuse 4 ein ein- oder mehrstufiges Getriebe angeordnet sein. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die Elektromaschine koaxial zu den Achsewellen 6 angeordnet ist. Die Anbindung der Kupplungsseite 11 kann auch wie in 1 entsprechend über ein ins Hypoidrad eingreifendes Hypoidritzel 7 bei Längsanordnung der e-Maschine erfolgen.
Zum Boosten und Rekuperieren wird die e-Maschine über die Kupplungseinheit 11, 12, 13 angebunden. Spezielle Regelalgorithmen für den Fahrbetrieb wie bei der Variante gemäß 1 zum Rückwärtsfahren sind nicht notwendig.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des elektrischen Zusatzantriebes, die zum Boosten, Rekuperieren und Torquevectoring geeignet ist. Bei dieser Variante wird das konventionelle Kegelraddifferential ersetzt durch ein Stirnraddifferential in Leichtbauweise. Durch den zweistufigen Planeten 15 zwischen den beiden Sonnen 14 wird für den Differentialteil die notwendige Standardübersetzung von minus eins erreicht. Verbunden mit dem Planeten des Ausgleichsgetriebes 15 ist ein weiteres Planetenrad 21, das in der Skizze am rechten Rand über das Differentialgehäuse 4 hinaus ragt. Dieses weitrere Planetenrad 21 greift in das Hohlrad 17 des Koppelgetriebes ein und in die Sonne 16, die wiederum mit der e-Maschine verbunden ist. Bei Geradeausfahrt dreht nun die e-Maschine entsprechend der Drehzahl des Differentialgehäuses 4. Es kann geboostet und rekuperiert werden.
Im Sinne der Vermeidung eines Schiefziehens des Fahrzeugs ist das Kupplungssystem 19, 20 vorgesehen, das über den Aktuator 13 geschlossen oder im Schlupf geregelt werden kann. Läuft nun die e-Maschine schneller oder langsamer als Differentialgehäusedrehzahl, so wird über das Koppelgetriebe eine Momentenumverteilung erreicht. Der Regelbetrieb der e-Maschinendrehzahl ermöglicht ein hoch dynamisches Torquevectoring.
Bei Boosten wird die elektrische Maschine zum Antreiben genutzt. Wird dabei die Kupplungseinheit 19, 20 aktuatorisch geschlossen, wird ein Sperrdifferential simuliert und der Drehzahlausgleich unterbunden. Die Regelstrategie der Kupplung wird im Normalfall so eingestellt, dass auch bei Kurvenfahrt durch leichten Schlupf an der Kupplung ein Querverspannen der Hinterachse vermieden wird. Gleiches gilt beim Rekuperieren. Soll weder geboostet noch rekupertiert werden, so kann die Maschine stromlos geschaltet werden. Es empfiehlt sich daher der Einsatz einer Asynchronmaschine, die rückwirkungsfrei mitgeschleppt werden kann.
Dreht nun die elektrische Maschine bei Kurvenfahrt leicht schneller oder langsamer als die mittlere Drehzahl des Differentialgehäuses 4, so wird über das Koppelgetriebe, das mit den Ausgleichs-Planetenrädern verbunden ist, ein Blindleistungsfluss erzeugt, der zur Umverteilung des Antriebsmoments von der Längswelle 1 führt. Durch die gewählte Anordnung der Elektromaschine kann nach sehr kurzen Regelzeiten das volle Differenzmoment erreicht werden, wenn die Kupplungseinheit 19, 20 nicht aktuiert wird. Das Mitdrehen der Elektromaschine mit mittlerer Differentialgehäusedrehzahl eröffnet zudem die Nutzbarkeit der Maschine zum Rekuperieren und Boosten. Bei geschlossener Kupplung 19, 20 muss der Elektromotor synchron zur Vorderachse drehen. Ein Vor- oder Nacheilen der Hinterachse zur Erhöhung der Längsdynamik ist nicht darstellbar.
Selbstverständlich ist die in 3 gezeigte Variante, die neben dem Boostbetrieb und der Rekuperation auch ein Torquevectoring ermöglicht, auch unter Verwendung eines Kegelraddifferentials realisierbar und von der Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Längswelle
2: Hypoidritzel des Standardantriebs
3: Hypoidrad
4: Differentialgehäuse
5: Kegelradausgleichgetriebe
6: Achswelle
7: Hypoidritzel des Elektromotors
8: Kupplung
9: Rotor
10: Stator
11, 20: differentialgehäuseseitigen Kupplungsbelag
12, 19: elektromotorseitigen Kupplungsbelag
13: Kupplungsaktor
14: Sonnenräder
15: Planeten
16: weiteres Sonnenrad
17: Hohlrad
18: Anbindung zum Differentialgehäuse
21: weiteres Planetenrad

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 10314396 A1 [0002]

Claims

Elektrischer Zusatzantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einer Längswelle (1) und einem Verbrennungsmotor zum Antrieb der Längswelle (1), wobei der Zusatzantrieb umfasst • ein Hinterachsdifferenzial mit einem Differentialgehäuse (4), welches mit der Längswelle (1) trieblich verbindbar ist, • einen Elektromotor mit einem Stator (10) und einem Rotor (9) und • eine Kupplung (8) zur antriebsfesten Kopplung des Rotors (9) mit dem Differentialgehäuse (4).
Elektrischer Zusatzantrieb nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor und die Kupplung (8) quer zur Längswelle (1) angeordnet sind.
Elektrischer Zusatzantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kupplung (8) als Reibkupplung mit einem differentialgehäuseseitigen Kupplungsbelag (11; 20) und einem elektromotorseitigen Kupplungsbelag (12; 19) und einem Kupplungsaktor (13) ausgebildet ist.
Elektrischer Zusatzantrieb nach Anspruch 3, wobei das Hinterachsdifferenzial als Stirnraddifferential ausgebildet ist mit • zwei Sonnenrädern (14), die jeweils mit einer Achswelle (6) der angetriebenen Hinterachse drehfest verbunden sind, • einem Ausgleichsgetriebe mit einem zweistufigen, zwischen den beiden Sonnenrädern (14) angeordneten Planeten (15), • einem Hohlrad (17), • einem mit dem elektromotorseitigen Kupplungsbelag (19) antriebsfest verbundenen weiteren Sonnenrad (16) und • einem weiteren mit dem zweistufigen Planeten verbundenen Planetenrad (21), welches mit dem Hohlrad (17) und dem Sonnenrad (16) kämmt.
Elektrischer Zusatzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kegelradgetriebe, insbesondere einem Hypoid (3), über den die Längswelle (1) mit dem Differentialgehäuse (4) des Hinterachsdifferenzials verbindbar ist.
Elektrischer Zusatzantrieb nach Anspruch 1, wobei die Kupplung (8) als Freilaufkupplung ausgebildet ist.
Elektrischer Zusatzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor und die Kupplung (8) parallel zur Längswelle (1) angeordnet sind und der Zusatzantrieb ein weiteres Kegelradgetriebe, insbesondere einen weiteren Hypoid, zur trieblichen Verbindung der vom Rotor angetriebenen Welle mit dem Differentialgehäuse (4) umfasst.
Kraftzfahrzeug mit einem elekrischen Zusatzantrieb nach einem der vorhergehenen Ansprüche und einer Längswelle (1), die mit dem Differentialgehäuse (4) verbunden ist.