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DE102006041159B4 - Hybridantriebsvorrichtung - Google Patents

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DE102006041159B4
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Abstract

Hybridantriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer Brennkraftmaschine (10) und einer elektrischen Antriebsmaschine (14), die hintereinander geschaltet auf zumindest eine ein Achsdifferenzial (16) antreibende Abtriebswelle (40) wirken, wobei zusätzlich mittels einer Übersetzungsstufe (50, 52) zumindest ein Konstantfahrgang vorgesehen ist, der unter Umgehung der elektrischen Antriebsmaschine (14) wahlweise von der Brennkraftmaschine (10) auf die Abtriebswelle (40) treibt, wobei
die elektrische Antriebsmaschine (14) durch ein elektromagnetisches Getriebe mit einem ersten Rotor (20) und einem zweiten Rotor (24) und einem gemeinsamen, axial verschieblichen Stator (26a, 26b) ausgebildet ist,
die Brennkraftmaschine (10) eine Antriebswelle (18) antreibt, die mit dem ersten Rotor und mit der Übersetzungsstufe (50, 52) verbunden ist,
der zweite Rotor (24) eine Antriebswelle (28) antreibt, und
eine Schaltvorrichtung (54) vorgesehen ist, mit der die das Achsdifferenzial (16) antreibende Abtriebswelle (40) entweder mit der Antriebswelle (28) des zweiten Rotors (52) oder mit der Antriebswelle (18) der Brennkraftmaschine (10) trieblich verbindbar...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hybridantriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge.
  • Eine derartige Hybridantriebsvorrichtung beschreibt beispielsweise die EP 1 092 583 A1 , bei der die elektrische Antriebsmaschine als elektromagnetischer Wandler ausgebildet ist, mittels dem u. a. das Übersetzungsverhältnis auf die Abtriebswelle der Antriebsvorrichtung in einer vorgegebenen Spreizung steuerbar ist. Über eine der elektrischen Antriebsmaschine nachgeschaltete Übersetzungsstufe z. B. in Form eines Planetenradgetriebes und einer Schaltkupplung kann das Übersetzungsverhältnis verändert werden, wobei jedoch der Leistungsfluss stets über die elektrische Antriebsmaschine läuft.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hybridantriebsvorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die neben einer baulich und fertigungstechnisch günstigen Auslegung eine Verbesserung im Wirkungsgrad oder eine kompaktere Bauweise ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beinhalten die weiteren Patentansprüche.
  • Es wird vorgeschlagen, dass zusätzlich mittels Übersetzungsstufen zumindest ein Konstantfahrgang vorgesehen ist, der unter Umgehung der elektrischen Antriebsmaschine wahlweise von der Brennkraftmaschine auf die Abtriebswelle treibt. Die Erfindung zielt darauf ab, in bestimmten Fahrbereichen des Kraftfahrzeuges die elektrische Antriebsmaschine zu umgehen und direkt von der Brennkraftmaschine bei günstigem Wirkungsgrad auf das oder die Achsdifferenziale (bei Allradantrieb) abzutreiben. Daraus resultiert auch eine in der Auslegung und der räumlichen Dimensionierung der elektrischen Antriebsmaschine einfachere Konstruktion, weil ein definierter Fahrbereich des Kraftfahrzeuges nicht über die Spreizung des elektrischen Wandlers abgedeckt sein muss. Die Erfindung eignet sich sowohl für einen Längs- als auch einen Quereinbau bzw. auch für Fahrzeuge mit Mittelmotor. Nachfolgend wird konkret von einem Längseinbau ausgegangen. Für einen Quereinbau gilt das Gesagte jedoch analog.
  • Der Konstantfahrgang kann bevorzugt ein Anfahrgang und/oder ein Schnellfahrgang sein, der über zumindest eine Schaftvorrichtung aktivierbar ist. Bei einer voll automatisierten Version der Hybridantriebsvorrichtung kann die Schaltvorrichtung eine elektrohydraulisch gesteuerte Lamellenkupplung sein; die Schaltvorrichtung kann aber auch eine bei Schaltgetrieben übliche Synchronkupplung oder eine andere formschlüssige Schaltkupplung sein.
  • Bei einer bauraumgünstigen Auslegung der Hybridantriebsvorrichtung können die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine auf eine Antriebswelle treiben, die über eine Nebenwelle und einen Zahnradsatz mit der Abtriebswelle trieblich verbunden ist, wobei die Antriebswelle und die Nebenwelle Zahnradsätze als Übersetzungsstufe für den zumindest einen Konstantfahrgang und die Schaltvorrichtung tragen. Dabei wird wie bei Zahnradsätzen bekannt ein besonders günstiger Getriebewirkungsgrad erreicht, der insbesondere bei der Auslegung des Konstantfahrganges als Schnellgang oder Economygang vorteilhaft ist.
  • Dabei können die Zahnradsätze auf der Antriebswelle und der Nebenwelle der elektrischen Antriebsmaschine nachgeschaltet angeordnet sein.
  • Alternativ können die Antriebswelle der Brennkraftmaschine und die Antriebswelle der elektrischen Maschine mittels eines Stirnradsatzes axial zueinander versetzt angeordnet sein, um konstruktiven Zwängen bei der Anordnung des aus Brennkraftmaschine, elektrischer Antriebsmaschine und ggf. einem integriertem Achsdifferenzial sich zusammensetzenden Antriebsaggregat im Kraftfahrzeug besser Rechnung zu tragen.
  • Dazu können ferner die Zahnradsätze für den zumindest einen Konstantfahrgang und die Schaltkupplung auf der Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine und der Abtriebswelle und räumlich zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Antriebsmaschine angeordnet sein, wodurch der besagte Stirnradsatz und der Zahnradsatz der Konstantfahrgang-Übersetzungsstufe einander unmittelbar benachbart angeordnet sein können.
  • Besonders vorteilhaft kann zudem die Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine gegenüber der Antriebswelle der Brennkraftmaschine nach unten oder oben und/oder seitlich versetzt positioniert sein. Damit gelingt es, die Rotoren und den zumindest einen Stator der elektrischen Antriebsmaschine für eine hohe Antriebs- und Übertragungsleistung auszulegen und trotzdem genügend Einbauraum in der Karosserie des Kraftfahrzeuges sicherzustellen.
  • Die elektrische Antriebsmaschine ist durch ein elektromagnetisches Getriebe mit zwei Rotoren und zumindest einem gemeinsamen, axial verschieblichen Stator ausgeführt.
  • Schließlich kann bei einem Längseinbau von Brennkraftmaschine und elektrischer Antriebsmaschine und dazwischen liegendem Achsdifferenzial für einen Frontantrieb des Kraftfahrzeuges die Abtriebswelle mittelbar oder unmittelbar auf das Achsdifferenzial für den Antrieb der vorderen Räder des Kraftfahrzeuges wirke.
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die grob schematische Zeichnung zeigt in:
  • 1 eine Draufsicht auf eine Hydridantriebsvorrichtung für ein frontangetriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine, einer elektrischen Antriebsmaschine, einem integrierten Achsdifferenzial und einer der elektrischen Antriebsmaschine nachgeschalteten Übersetzungsstufe; und
  • 2 eine Seitenansicht auf eine alternative Hybridantriebsvorrichtung, mit einer axial zur Brennkraftmaschine versetzten, elektrischen Antriebsmaschine und einer der elektrischen Antriebsmaschine vorgeschalteten Übersetzungsstufe.
  • Gemäß 1 setzt sich die Hybridantriebsvorrichtung im Wesentlichen zusammen aus einer nur angedeuteten Brennkraftmaschine 10, einer elektrischen Antriebsmaschine 14 und einem dazwischen angeordnetem Achsdifferenzial 16 für den Antrieb der vorderen Räder (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeuges. Die Bauteile können in an sich bekannter Weise in mehreren Gehäusen angeordnet und zu einem Antriebsaggregat zusammengebaut sein.
  • Die Brennkraftmaschine 10, insbesondere eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, ist über eine Kraftabgabewelle bzw. Antriebswelle 18 mit dem ersten Rotor 20 der Antriebsmaschine 14 verbunden, wobei ggf. eine Reibungskupplung mit ggf. einem Drehschwingungsdämpfer dazwischengeschaltet ist.
  • Auf der Antriebswelle 18 ist ein zweiter Rotor 24 der Antriebsmaschine 14 drehbar gelagert, der eine als Hohlwelle ausgeführte Antriebswelle 28 trägt. Um die beiden Rotoren 20, 24 ist ein axial verschiebbarer Stator 26a angeordnet, mittels dem bei entsprechender, elektrischer Ansteuerung (nicht dargestellt) in bekannter Weise die elektrische Antriebsmaschine 14 als Wandler mit einer definierten Spreizung des Übersetzungsverhältnisses betreibbar ist. Ggf. kann der Stator, wie dies der oberen Bildhälfte zu entnehmen ist aber auch als ein für beide Rotoren gemeinsamer Stator 26b ausgebildet sein.
  • Die Antriebswelle 28 des Rotors 24 treibt über nachgeschaltete Zahnradsätze 30, 32, 34, 36 und über eine Nebenwelle 38 auf eine seitlich des Stators 26 angeordnete Abtriebswelle 40. Die nach vorne der Brennkraftmaschine 10 zu verlaufende Abtriebswelle 40 trägt des Weiteren ein Antriebsritzel 42, das mit dem Tellerrad 44 des in bekannter Weise als Kegelraddifferenzial ausgeführten Achsdifferenziales 16 kämmt.
  • Das Achsdifferenzial 16 wiederum treibt in bekannter Weise über die nur angedeuteten, quer zur Antriebswelle 18 verlaufenden Achshalbwellen 46, 48 und nicht dargestellte Gelenkwellen die vorderen Räder des Kraftfahrzeuges an.
  • Die sich durch den Rotor 24 der elektrischen Antriebsmaschine 14 hindurch erstreckende Antriebswelle 18 trägt an ihrem freien Ende ein Zahnrad 50, das mit einem weiteren Zahnrad 52 auf der Nebenwelle 38 trieblich verbunden ist.
  • Die beiden, einander benachbarten Zahnräder 32, 52 auf der Nebenwelle 38 sind Losräder, die über eine Schaltkupplung 54 wahlweise mit der Nebenwelle 38 kuppelbar sind. Die Schaltkupplung 54 kann eine Klauenkupplung oder eine Synchronkupplung bekannter Bauart sein, mit an die Zahnräder 32, 52 angeformten Schaltverzahnungen 32a, 52a, einem auf der Nebenwelle 38 fest angeordneten, außenverzahnten Kupplungskörper 38a und einer axial verschiebbaren, innenverzahnten Schaltmuffe 56.
  • Mittels der Schaltmuffe 56, deren Betätigung in bekannter Weise manuell oder automatisiert erfolgen kann, kann neben ggf. einer Leerlaufstellung entweder die Antriebswelle 28 über den Zahnradsatz 30, 32 oder die Antriebswelle 18 über den Zahnradsatz 50, 52 trieblich auf die Nebenwelle 38 gekuppelt werden, während die Nebenwelle 38 über den Zahnradsatz 34, 36 stets mit der Abtriebswelle 40 trieblich verbunden ist.
  • Die Zahnradsätze 30, 32 und 34, 36 sind in ihrer Gesamtübersetzung so ausgelegt, dass ein definierter Fahrbereich des Kraftfahrzeuges mit einer durch die elektrische Antriebsmaschine 14 steuerbaren Spreizung abgedeckt ist. Der Leistungsfluss erfolgt dabei in bekannter Weise über die Brennkraftmaschine 10, die Antriebswelle 18, den Rotor 20 und über den elektrisch angesteuerten Stator 26, den Rotor 24 der elektrischen Antriebsmaschine 14 auf die Antriebswelle 28. Von dort über die besagten Zahnradsätze 30, 32, 34, 36 auf die Abtriebswelle 40 bzw. das Achsdifferenzial 16.
  • Wird über die Schaltkupplung 54 das Zahnrad 52 mit der Nebenwelle 38 gekuppelt, so treibt nunmehr die Brennkraftmaschine 10 über die Antriebswelle 18 direkt bzw. unter Umgehung der elektrischen Antriebsmaschine 14 über die Zahnradsätze 50, 52, 34, 36 auf die Abtriebswelle 40 usw. Der in den Leistungsfluss eingeschaltete Zahnradsatz 50, 52 bildet somit einen Konstantfahrgang bzw. eine konstante Übersetzungsstufe, die so ausgelegt ist, dass deren Übersetzungsverhältnis an die durch den Wandlerbereich der elektrischen Antriebsmaschine 14 gebildete variable Übersetzung angrenzt.
  • Der Konstantfahrgang kann durch die Auslegung der Zahnräder 50, 52 in Verbindung mit dem übrigen, festen Übersetzungsverhältnis durch die Zahnräder 34, 36 und das Achsdifferenzial 16 als Anfahrgang mit einer sehr kurzen Übersetzung oder als Schnellgang bzw. Economygang mit einer sehr langen Übersetzung ausgelegt sein, so dass die Gesamtgetriebespreizung größer als die Spreizung des Wandlerbereiches der elektrischen Antriebsmaschine 14 ist.
  • Die beschriebene Hybridantriebsvorrichtung ist für den frontseitigen Längseinbau in ein Kraftfahrzeug konzipiert. Bei Verwendung eines modifizierten Achsdifferenziales 16 (Antriebsritzel 42 und Tellerrad 44 nicht als Kegelräder, sondern als Stirnräder, Achshalbwellen 46, 48 parallel zur Antriebswelle 18 ausgerichtet) kann die Hybridantriebsvorrichtung auch im Quereinbau verwendet sein.
  • Eine alternative Hybridantriebsvorrichtung ist in der 2 dargestellt. Funktionell gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Für gleiche Funktionen gilt die Beschreibung zur 1.
  • Gemäß 2 ist die Antriebswelle 18 in einen Antriebswellenabschnitt 18a und Antriebswellenabschnitt 18b unterteilt, die unter Zwischenschaltung eines Stirnzahnradsalzes 60, 62 axial zueinander versetzt positioniert sind. Der Versatz des Antriebswellenabschnittes 18b ist sowohl nach unten, als auch zur Seite, woraus sich hinsichtlich der Anordnung der elektrischen Antriebsmaschine 14 und des Achsdifferenziales 64 größere konstruktive Freiheitsgrade ergeben und den gegebenen Einbauverhältnissen im Kraftfahrzeug vermehrt Rechnung getragen werden kann. Die Zeichnung 2 zeigt der besseren Darstellung wegen nicht den tatsächlichen Versatz.
  • Der zusätzliche Konstantfahrgang gebildet durch die Zahnräder 50, 52 und die Schaltkupplung 54 ist der elektrischen Antriebsmaschine 14 vorgeschaltet bzw. zwischen der Brennkraftmaschine 10 und der elektrischen Antriebsmaschine 14 angeordnet. Ferner treibt der Rotor 24 über die Antriebswelle 28 nach vorne über die Zahnräder 30, 32 auf die nicht seitlich, sondern vor der elektrischen Antriebsmaschine 14 liegende Abtriebswelle 40.
  • Wie ersichtlich ist, ist bei dieser Auslegung die Nebenwelle 38 gemäß 1 entfallen und es sind die Schaltkupplung 54 und die Losräder der Zahnradsätze 30, 32, 50, 52 unmittelbar auf der Abtriebswelle 40 angeordnet. Dabei bilden wiederum die Zahnräder 50, 52 den Konstantfahrgang wie vorstehend beschrieben.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann anstelle einer formschlüssigen Schaltkupplung 54 auch eine hydraulisch gesteuerte Lamellenkupplung verwendet sein. Bei einer formschlüssigen Schaltkupplung 54 kann ggf. eine Synchronisierung der Wellendrehzahlen vor dem Schaltvorgang durch eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Antriebsmaschine 14 bei zur Brennkraftmaschine 10 gelöster Reibungskupplung erfolgen.
  • Anstelle eines Konstantfahrganges wie vorbeschrieben können durch entsprechende Anordnung eines weiteren Zahnradsatzes auch zwei Konstantfahrgänge (Anfahrgang und Schnellgang) vorgesehen sein. Die Konstantfahrgänge können ggf. auch mittels eines Planetenradgetriebes verwirklicht sein.
  • Zudem beziehen sich die einzelnen Positionsangaben zu den 1 und 2 jeweils auf die dort konkret gezeigte Darstellung.

Claims (10)

  1. Hybridantriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer Brennkraftmaschine (10) und einer elektrischen Antriebsmaschine (14), die hintereinander geschaltet auf zumindest eine ein Achsdifferenzial (16) antreibende Abtriebswelle (40) wirken, wobei zusätzlich mittels einer Übersetzungsstufe (50, 52) zumindest ein Konstantfahrgang vorgesehen ist, der unter Umgehung der elektrischen Antriebsmaschine (14) wahlweise von der Brennkraftmaschine (10) auf die Abtriebswelle (40) treibt, wobei die elektrische Antriebsmaschine (14) durch ein elektromagnetisches Getriebe mit einem ersten Rotor (20) und einem zweiten Rotor (24) und einem gemeinsamen, axial verschieblichen Stator (26a, 26b) ausgebildet ist, die Brennkraftmaschine (10) eine Antriebswelle (18) antreibt, die mit dem ersten Rotor und mit der Übersetzungsstufe (50, 52) verbunden ist, der zweite Rotor (24) eine Antriebswelle (28) antreibt, und eine Schaltvorrichtung (54) vorgesehen ist, mit der die das Achsdifferenzial (16) antreibende Abtriebswelle (40) entweder mit der Antriebswelle (28) des zweiten Rotors (52) oder mit der Antriebswelle (18) der Brennkraftmaschine (10) trieblich verbindbar ist.
  2. Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konstantfahrgang (50, 52) ein Anfahrgang ist, der über die Schaltvorrichtung (54) aktivierbar ist.
  3. Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konstantfahrgang (50, 52) ein Schnellfahrgang ist, der über die Schaltvorrichtung (54) aktivierbar ist.
  4. Hybridantriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) und die elektrische Antriebsmaschine (14) auf jeweils eine Antriebswelle (18, 28) treiben, die über eine Nebenwelle (38) und Zahnradsätze (30, 32, 34, 36, 50, 52) mit der Abtriebswelle (40) trieblich verbunden sind, wobei die Antriebswellen (18, 28) und die Nebenwelle (38) Zahnradsätze (30, 32, 34, 36, 50, 52) als Übersetzungsstufe für den zumindest einen Konstantfahrgang und die Schaltkupplung (54) tragen.
  5. Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradsätze (30, 32, 34, 36, 50, 52) auf den Antriebswellen (18, 28) und der Nebenwelle (38) der elektrischen Antriebsmaschine (14) nachgeschaltet angeordnet sind.
  6. Hybridantriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (18a) der Brennkraftmaschine (10) und die Antriebswelle (18b) der elektrischen Antriebsmaschine (14) mittels eines Stirnzahnradsatzes (60, 62) zueinander versetzt angeordnet sind.
  7. Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradsätze (30, 32, 50, 52) für den zumindest einen Konstantfahrgang und die Schaltkupplung (54) auf der Antriebswelle (18b) der elektrischen Antriebsmaschine (14) und der Abtriebswelle (40) und räumlich zwischen der Brennkraftmaschine (10) und der elektrischen Antriebsmaschine (14) angeordnet sind.
  8. Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (18b) der elektrischen Antriebsmaschine (14) gegenüber der Antriebswelle (18a) der Brennkraftmaschine (10) nach unten oder oben und/oder seitlich versetzt positioniert ist.
  9. Hybridantriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Längseinbau von Brennkraftmaschine (10) und elektrischer Antriebsmaschine (14) und dazwischen liegendem Achsdifferenzial (64) für einen Frontantrieb des Kraftfahrzeuges die Abtriebswelle (40) mittelbar oder unmittelbar auf das Achsdifferenzial (64) für den Antrieb der vorderen Räder des Kraftfahrzeuges wirkt.
  10. Hybridantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für einen Längs- oder Quereinbau oder einen Aufbau mit Mittelmotor ausgebildet ist.
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