DE102010032007A1 - Hybrid-drive device for motor vehicle, has gear drive whose gear wheel is arranged on input shaft or drive shaft and provided with free-wheel clutch, which makes drive connection during torque transmission of gear on input or drive shafts - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a hybrid drive device for motor vehicles according to the preamble of claim 1.
Hybridantriebsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Motor-Generator-Einheit sind vielfach bekannt. Dabei kann die Motor-Generator-Einheit im Antriebsstrang montiert werden und während eines Rekuperationsvorganges als Generator bzw. während des elektrischen Fahrbetriebs als Antriebsmotor dienen. Idealerweise wird die Motor-Generator-Einheit an einem drehenden Teil im Antriebsstrang angebunden, von dem aus sie rekupieren oder boosten kann. Ist die Motor-Generator-Einheit an der Getriebeeingangswelle montiert, so wird der Kraftfluss zwischen der Motor-Generator-Einheit und den Rädern immer wieder durch Kuppeln und/oder Schalten unterbrochen. Dieses kann zwar durch Automatikgetriebe oder intelligente Steuerung teilweise kompensiert werden, jedoch nicht vollständig beseitigt werden.Hybrid drive devices for motor vehicles with an internal combustion engine and an electric motor-generator unit are widely known. In this case, the motor-generator unit can be mounted in the drive train and serve as a generator or during the electric driving operation as a drive motor during a recuperation process. Ideally, the motor-generator unit is connected to a rotating part in the drive train, from which it can rekupieren or boost. If the motor-generator unit is mounted on the transmission input shaft, the power flow between the motor-generator unit and the wheels is interrupted again and again by coupling and / or switching. Although this can be partially compensated by automatic transmission or intelligent control, but not completely eliminated.
Die elektrische Einheit kann dabei auf die Eingangswelle des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes wirken und dadurch zugleich als Startermotor zum Inbetriebsetzen der Brennkraftmaschine dienen. Zudem können Übersetzungsstufen des Wechselgetriebes auch bei elektromotorischem Betrieb genutzt werden. Wirkt die elektrische Einheit unmittelbar auf die Abtriebswelle des Wechselgetriebes, so ist ein weitgehend ohne Zugkraftunterbrechungen realisierbarer, robuster Fahrbetrieb möglich, bei dem die Massenträgheit der elektrischen Einheit sich zudem nicht nachteilig auf die Schaltvorgänge im Wechselgetriebe auswirken kann. Boostbetrieb und Rekuperationsbetrieb sind relativ einfach steuerbar. Allerdings kann die Brennkraftmaschine nicht über die elektrische Einheit gestartet werden.The electrical unit can act on the input shaft of the speed change gear and thereby simultaneously serve as a starter motor for putting the internal combustion engine. In addition, gear ratios of the gearbox can also be used in electric motor operation. If the electrical unit acts directly on the output shaft of the change-speed gearbox, a robust driving operation which can be realized largely without traction interruptions is possible, in which the mass inertia of the electrical unit can not adversely affect the shifting processes in the change gearbox. Boost operation and recuperation operation are relatively easy to control. However, the internal combustion engine can not be started via the electrical unit.
Durch die gattungsbildende
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hybrid-Antriebsvorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die bei einem getriebetechnisch relativ einfachem Aufbau und mit geringem steuerungstechnischen Aufwand einen komfortablen Fahrbetrieb einerseits und ein Starten der Brennkraftmaschine über die elektrische Motor-Generator-Einheit andererseits ermöglicht.The object of the invention is to propose a hybrid drive device of the generic type, which allows a comfortable driving operation on the one hand and a starting of the internal combustion engine via the electric motor-generator unit on the other hand at a relatively simple design and with low control technology effort.
Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.The problem is solved with the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are set forth in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das auf der Eingangswelle oder der Antriebswelle angeordnete Element des Zahnradtriebs eine Kupplung aufweist, die zumindest bei einer Momentenübertragung vom Planetengetriebe auf die Eingangswelle oder die Antriebswelle eine Antriebsverbindung herstellt. Bevorzugt kann dabei der Zahnradtrieb im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges über Feststellmittel festgesetzt werden.According to the invention, it is proposed that the element of the toothed wheel drive arranged on the input shaft or the drive shaft has a coupling which produces a drive connection at least during a torque transmission from the planetary gear to the input shaft or the drive shaft. Preferably, the gear drive while driving the motor vehicle can be set via locking means.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Motor-Generator-Einheit nicht nur als Elektromotor und als Generator arbeiten, sondern auch als Starter, wie nachfolgend verdeutlicht ist:
Beim Starten steht das Fahrzeug, so dass die Verbindung zwischen den Fahrzeugrädern und dem Planetengetriebe, insbesondere dessen Planetenradträger, starr ist. Das heißt, wenn die Motor-Generator-Einheit dreht, wird beispielhaft das Hohlrad des Planetengetriebes angetrieben. Da für den Startvorgang das Feststellmittel gelöst wird, geht der Kraftfluss vom Hohlrad des Planetengetriebes über den Freilauf direkt auf die Antriebswelle der Brennkraftmaschine. Für den Startvorgang ist es außerdem erforderlich, dass kein Gang eingelegt ist oder die Kupplung gelöst ist. Somit kann die elektrische Einheit über das Planetengetriebe und den Zahnradtrieb die Brennkraftmaschine starten. Durch den Freilauf indes kann die bei höherer Leerlaufdrehzahl laufende Brennkraftmaschine bzw. Eingangswelle automatisch wieder von dem Zahnradtrieb entkoppelt werden.With the arrangement according to the invention, the motor-generator unit can work not only as an electric motor and as a generator, but also as a starter, as illustrated below:
When starting the vehicle is, so that the connection between the vehicle wheels and the planetary gear, in particular its planet carrier, is rigid. That is, when the motor-generator unit rotates, the ring gear of the planetary gear is exemplarily driven. Since the locking means is released for the starting process, the power flow from the ring gear of the planetary gear via the freewheel goes directly to the drive shaft of the internal combustion engine. For the starting process, it is also necessary that no gear is engaged or the clutch is released. Thus, the electric unit via the planetary gear and the gear drive to start the engine. Due to the freewheel meanwhile, the running at higher idle speed engine or input shaft can be automatically decoupled from the gear drive again.
Im Unterschied zum oben erwähnten Startvorgang ist es während des Fahrbetriebes von Bedeutung, dass die Motor-Generator-Einheit rekuperieren und/oder boosten kann, ohne die Vorgänge im Schaltgetriebe zu beeinflussen. Der Kraftfluss muss also nunmehr direkt auf die antreibenden Fahrzeugräder gehen und nicht auf die Kurbelwelle oder die Getriebeeingangswelle. Für diesen Fall wird das Feststellmittel des Hohlrads aktiviert, wodurch der oben erwähnte Zahnradtrieb festgesetzt ist. Das Hohlrad des Planetengetriebes und das Zahnrad auf der Eingangswelle stehen daher fest, während eine Kupplung zwischen dem Zahnrad und der Eingangswelle es der Eingangswelle erlaubt, weiter zu drehen. Das Festsetzen des Zahnradtriebes bewirkt ferner, dass die elektrische Einheit während des gesamten Fahrbetriebes nur noch auf die Abtriebswelle treibt und somit von der Eingangswelle und von Schaltvorgängen im Wechselgetriebe unbeeinflusst ist.In contrast to the above-mentioned starting process, it is important during the driving operation that the motor-generator unit can recuperate and / or boost without influencing the processes in the manual transmission. The power flow must now go directly to the driving vehicle wheels and not on the crankshaft or the transmission input shaft. In this case, the locking means of the ring gear is activated, whereby the above-mentioned gear drive is fixed. The ring gear of the planetary gear and the gear on the input shaft are therefore fixed, while a clutch between the gear and the input shaft allows the input shaft to continue to rotate. The setting of the gear drive also causes the electrical unit during the entire driving operation drives only on the output shaft and thus is unaffected by the input shaft and switching operations in the gearbox.
Im Gegensatz zur Erfindung ist im Stand der Technik die Motor-Generator-Einheit oftmals auf der Getriebeeingangsseite montiert, von wo aus zwar die Brennkraftmaschine gestartet werden kann, jedoch nicht ohne Kraftflussunterbrechung im Getriebe geschaltet werden kann. Außerdem kann im Stand der Technik die Motor-Generator-Einheit auf der Getriebeausgangswelle montiert sein, von der aus die Brennkraftmaschine nicht gestartet werden kann. In contrast to the invention, in the prior art, the engine-generator unit is often mounted on the transmission input side, from where, although the internal combustion engine can be started, but can not be switched without power flow interruption in the transmission. In addition, in the prior art, the motor-generator unit may be mounted on the transmission output shaft, from which the internal combustion engine can not be started.
Das den Zahnradtrieb bildende Element des Planetengetriebes kann bevorzugt ein außenverzahntes Hohlrad sein, während die beiden anderen Elemente (Sonnenrad und Planetenradträger) mit der Abtriebswelle und der Antriebswelle der elektrischen Einheit gekoppelt sind. Dies ermöglicht ein hohes Andrehmoment zum Starten der Brennkraftmaschine und eine günstige, getriebetechnisch einfache Auslegung des Zahnradtriebes zur achsparallel angeordneten Eingangswelle.The element forming the gear drive of the planetary gear may preferably be an externally toothed ring gear, while the other two elements (sun gear and planet carrier) are coupled to the output shaft and the drive shaft of the electrical unit. This allows a high torque for starting the internal combustion engine and a favorable, simple transmission technology design of the gear drive for axially parallel input shaft.
Zum Festsetzen des Zahnradtriebes nach dem Startvorgang kann das außenverzahnte Hohlrad des Planetengetriebes oder das den Freilauf aufweisende Zahnrad mittels einer Bremsvorrichtung festbremsbar sein. Dies kann beispielsweise hydraulisch durch Druckmittelbeaufschlagung einer entsprechenden Bremsvorrichtung ähnlich einem Bremssattel einer Scheibenbremse bewirkt werden.To set the gear drive after the starting process, the externally toothed ring gear of the planetary gear or the freewheel having gear by means of a braking device can be braked. This can be effected, for example hydraulically by pressurizing a corresponding brake device similar to a caliper of a disc brake.
Alternativ wird jedoch vorgeschlagen, dass das außenverzahnte Hohlrad des Planetengetriebes oder das den Freilauf aufweisende Zahnrad formschlüssig mittels einer Klauenkupplung feststellbar ist. Eine derartige Kupplung wirkt nahezu verschleißfrei und bildet eine besonders robuste Momentenabstützung im Fahrbetrieb, auch bei auftretenden Lastwechseln, beispielsweise bei einem Übergang vom Antriebsbetrieb in den Rekuperationsbetrieb der elektrischen Einheit.Alternatively, however, it is proposed that the externally toothed ring gear of the planetary gear or the gear having the freewheel is positively detectable by means of a dog clutch. Such a coupling acts almost wear-free and forms a particularly robust torque support during driving, even with occurring load changes, for example in a transition from the drive mode in the recuperation of the electrical unit.
Eine bevorzugte Verknüpfung der Antriebselemente des Planetengetriebes mit günstiger Übersetzung zur Abtriebswelle wird des Weiteren dadurch erzielt, dass das Sonnenrad des Planetengetriebes mit der Antriebswelle der elektrischen Einheit und der Planetenradträger mit der Abtriebswelle des Wechselgetriebes gekoppelt ist.A preferred linkage of the drive elements of the planetary gear with favorable translation to the output shaft is further achieved in that the sun gear of the planetary gear is coupled to the drive shaft of the electrical unit and the planetary gear to the output shaft of the transmission.
Das Wechselgetriebe kann zumindest eine Eingangswelle aufweisen, wobei im Kraftfluss zwischen der Antriebswelle der Brennkraftmaschine und der zumindest einen Eingangswelle eine Trennkupplung und nachgeschaltet der mit dem Planetengetriebe gekoppelte Zahnradtrieb angeordnet sind. Die Trennkupplung kann somit in an sich bekannter Weise in der Getriebeglocke positioniert werden, während das Planetengetriebe und der Zahnradtrieb in das Getriebegehäuse integriert sein können, bevorzugt unmittelbar hinter der an die Getriebeglocke anschließenden Stirnwand.The change gear may have at least one input shaft, wherein in the power flow between the drive shaft of the internal combustion engine and the at least one input shaft, a separating clutch and downstream of the gear train coupled to the planetary gear are arranged. The separating clutch can thus be positioned in a known manner in the bell housing, while the planetary gear and the gear drive can be integrated into the gear housing, preferably immediately behind the adjoining the bell housing end wall.
Besonders bevorzugt kann bei einer Momentenübertragung vom Zahnradtrieb auf die Eingangswelle des Wechselgetriebes und die Antriebswelle der Brennkraftmaschine (Startvorgang) die Abtriebswelle des Wechselgetriebes mittelbar oder unmittelbar durch Brems- oder Blockiermittel festgesetzt sein. Dies kann indirekt z. B. mittels einer angezogenen Handbremse (Feststellbremse) oder der Betriebsbremse des Kraftfahrzeuges erfolgen. Alternativ kann im Wechselgetriebe eine sogenannte Parkbremse eingebaut sein (bei automatischen Getrieben vielfach üblich), die ähnlich einer Klauenkupplung die Abtriebswelle formschlüssig mit dem Getriebegehäuse verblockt.Particularly preferably, in a torque transmission from the gear drive to the input shaft of the gearbox and the drive shaft of the internal combustion engine (starting process), the output shaft of the gearbox be fixed directly or indirectly by braking or blocking means. This can indirectly z. B. by means of a tightened handbrake (parking brake) or the service brake of the motor vehicle. Alternatively, a so-called parking brake may be installed in the change gear (often common in automatic transmissions), which, like a dog clutch, positively locks the output shaft to the transmission housing.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zur Erhöhung der Funktionssicherheit der Antriebsvorrichtung die Drehzahl zumindest der Abtriebswelle des Wechselgetriebes mittelbar oder unmittelbar überwacht ist und dass nur bei stehender oder nahezu stehender Abtriebswelle des Wechselgetriebes das festgesetzte Element des Planetengetriebes gelöst und die elektrische Einheit nach Generierung eines elektrischen Startsignales zum Starten der Brennkraftmaschine ansteuerbar ist.Furthermore, it is proposed that to increase the reliability of the drive device, the rotational speed of at least the output shaft of the transmission is indirectly or directly monitored and that solved only when stationary or nearly stationary output shaft of the transmission, the fixed element of the planetary gear and the electrical unit after generating an electrical start signal can be controlled to start the internal combustion engine.
Ferner kann zusätzlich oder alternativ ein elektrisches Startsignal zum Starten der Brennkraftmaschine nur dann generierbar sein, wenn die vorstehenden Brems- oder Blockiermittel der Abtriebswelle aktiviert sind.Furthermore, additionally or alternatively, an electrical start signal for starting the internal combustion engine can only be generated if the above braking or blocking means of the output shaft are activated.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das auf der Eingangswelle oder der Antriebswelle der Brennkraftmaschine angeordnete Element des Zahnradtriebs eine schaltbare Kupplung aufweisen, die wahlweise die Antriebsverbindung herstellt oder gänzlich löst. Dies ermöglicht anstelle des fertigungstechnisch einfacheren Freilaufes mehr konstruktive und steuerungstechnische Freiheitsgrade im Hybrid-Fahrbetrieb.In a particularly advantageous embodiment of the invention, arranged on the input shaft or the drive shaft of the internal combustion engine element of the gear drive may have a switchable coupling, which selectively produces the drive connection or dissolves entirely. This allows more constructive and control-related degrees of freedom in hybrid driving operation instead of the production-technically simpler freewheel.
Die Kupplung kann bevorzugt eine formschlüssig wirkende Klauenkupplung oder eine Synchronkupplung sein. Dabei kann baulich vorteilhaft das Element des Zahntriebes mit der schaltbaren Kupplung auf der Antriebswelle angeordnet sein und im Kraftfluss vor der Trennkupplung zwischen Antriebswelle und Eingangswelle positioniert sein.The clutch may preferably be a positive-acting dog clutch or a synchronizer clutch. In this case, structurally advantageous the element of the toothed drive with the switchable coupling can be arranged on the drive shaft and positioned in the force flow in front of the separating clutch between the drive shaft and the input shaft.
Die dem Zahnradtrieb zugeordneten Feststellmittel können ebenfalls durch eine weitere, auf der Antriebswelle angeordnete, formschlüssige Klauenkupplung oder Synchronkupplung gebildet sein, die bevorzugt zu einer Kupplungseinheit zusammengebaut sind und die an der kraftabgebenden Stirnseite der Brennkraftmaschine positioniert und mittels zumindest eines Aktuators elektrisch oder hydraulisch gesteuert sind.The gear wheel drive associated locking means may also be formed by a further arranged on the drive shaft, positive jaw clutch or synchronizer clutch, which are preferably assembled into a coupling unit and positioned on the force-emitting end face of the internal combustion engine and by at least one actuator are electrically or hydraulically controlled.
In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können auf der Antriebswelle der elektrischen Motor-Generator-Einheit im Kraftfluss vor dem Planetengetriebe zumindest ein Abtriebselement für ein Zusatzaggregat des Kraftfahrzeuges, insbesondere ein Abtriebsrad eines Klimakompressors einer Klimaanlage des Kraftfahrzeuges angeordnet sein. Dies ermöglicht bei einer getriebetechnisch vorteilhaften Anordnung eine Klimatisierung des Kraftfahrzeuges auch bei stillstehender Brennkraftmaschine, z. B. im Standbetrieb.In a further advantageous embodiment of the invention can be arranged on the drive shaft of the electric motor-generator unit in the power flow in front of the planetary gear at least one output element for an auxiliary unit of the motor vehicle, in particular a driven gear of an air conditioning compressor of an air conditioning system of the motor vehicle. This allows in a transmission advantageous advantageous arrangement, an air conditioning of the motor vehicle even when the engine is stationary, z. B. in stand mode.
Das Wechselgetriebe kann ein zwei- oder mehrwelliges Getriebe mit einer oder ggf. zwei Eingangswellen und mit einer oder ggf. zwei Trennkupplungen (Doppelkupplungsgetriebe) zwischen den Eingangswellen und der Antriebswelle der Brennkraftmaschine sein, wobei dann der mit dem Planetengetriebe gekoppelte Zahnradtrieb auf eine der Eingangswellen schaltbar ist.The change gear may be a two- or multi-shaft transmission with one or possibly two input shafts and with one or possibly two separating clutches (dual-clutch transmission) between the input shafts and the drive shaft of the internal combustion engine, in which case the coupled with the planetary gear drive can be switched to one of the input shafts is.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:Several embodiments of the invention are explained in more detail below with further details. The schematic drawing shows in:
In der
Auf der Eingangswelle
Die Antriebswelle
Achsparallel zur Antriebswelle
Dabei treibt die Antriebswelle
Das Hohlrad
Das Hohlrad
Dabei ist in das Zahnrad
Der Zahnradtrieb
Gemäß
Zur Steuerung der Klauenkupplung
Über das Steuergerät
Somit kann die elektrische Einheit
Im Schubbetrieb des Kraftfahrzeuges kann die elektrische Einheit
Im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges besteht dementsprechend ständig eine direkte, triebliche Verbindung zwischen der Abtriebswelle
Soll die Brennkraftmaschine gestartet werden, so wird im Steuergerät
Sodann wird bei geschlossener Trennkupplung
Über den Zahnradtrieb
Nach dem Starten der Brennkraftmaschine löst sich durch die nunmehr höhere Drehzahl der Eingangswelle
Dieser nunmehr antriebslose Zustand kann ggf. durch die plötzliche Drehzahlzunahme der elektrischen Einheit
Es liegt wieder die dem gesamten Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges zugrunde liegende, direkte Antriebsverbindung zwischen der elektrischen Einheit
Die
Abweichend zur
Die Festzahnräder
Die Hohlwelle
Das Planetengetriebe
Die in
Die
Abweichend zur
Am Zahnrad
Die Trennkupplung
Des Weiteren ist auf der Antriebswelle
Die gemäß
Die Kupplungen
Zum Starten der Brennkraftmaschine ist die Kupplung
Zum Rekuperationsbetrieb oder Boostbetrieb ist die Kupplung
Bei Stillstand des Kraftfahrzeuges kann bei geöffneter Kupplung
Schließlich kann wie vorbeschrieben eine Klimatisierung des Kraftfahrzeuges nur über die Elektromaschine
Die
Dazu treibt die elektrische Motor-Generator-Einheit
Ferner ist die Antriebswelle
Bei gleicher, wie vorbeschriebener Funktion der Hybrid-Antriebsvorrichtung ist bei dieser Ausführungsvariante die elektrische Motor-Generator-Einheit
Die
Gemäß
Dazu ist nur die Abtriebswelle
Die elektrische Einheit
Da der Zahntrieb
Die dargestellten Ausführungsbeispiele
So kann abweichend zur
Eine Hohlwelle als Eingangswelle
Der Zahnradtrieb
Auch die in
Die gezeigten Anordnungen in
Das Wechselgetriebe kann ferner in nicht dargestellter Weise auch als an sich bekanntes Doppelkupplungsgetriebe konzipiert sein, das zwei Eingangswellen
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