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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Antriebsstrang eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridkraftfahrzeuges, sowie eine Antriebsanordnung.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse Antriebseinheiten bekannt, die in Antriebsanordnungen oder Antriebssträngen integriert sind.
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Die
DE 11 2015 006 071 T5 offenbart ein Hybridfahrzeugantriebssystem mit einem Generator, der unter Verwendung der Leistung eines Verbrennungsmotors elektrische Energie generieren kann; einem Elektromotor, der durch elektrische Energie angetrieben wird, um Räder anzutreiben; einem Gehäuse, das den Generator und den Elektromotor aufnimmt, und mit einer Leistungssteuereinheit zum Steuern des Generators und des Elektromotors. Der Generator und der Elektromotor sind dabei nebeneinander auf einer gleichen Achse in dem Gehäuse angeordnet.
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In der
WO 2019 101 264 A1 ist ein Antriebsstrang für ein Hybridkraftfahrzeug offenbart. Der Antriebsstrang umfasst eine Getriebeeingangswelle, die über einen ersten Teilantriebsstrang mit einer ersten elektrischen Maschine und einer Verbrennungskraftmaschine zur Drehmomentübertragung in Wirkbeziehung steht und die über einen zweiten Teilantriebsstrang mit einer zweiten elektrischen Maschine zur Drehmomentübertragung in Wirkbeziehung steht. Die beiden elektrischen Maschinen sind dabei koaxial sowie axial benachbart zueinander angeordnet.
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Die
US 2016 / 0218584 A1 beschreibt eine Steuerungseinheit, welche zur Steuerung elektrischer Maschinen dient, wobei die Steuerungseinheit an einem Gehäuse der die elektrischen Maschinen umfassenden Antriebseinheit montiert ist. Die Antriebseinheit umfasst dabei zwei elektrische Maschinen, welche koaxial sowie axial benachbart zueinander angeordnet sind.
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EP 1502791 B1 und
EP1847411 B1 offenbaren jeweils ein Hybridgetriebe für ein Hybridfahrzeug, mit einer Mehrzahl von elektrischen Rotationsmaschinen. Die elektrischen Maschinen sind radial verschachtelt angeordnet, Dabei ist die radial äußere elektrische Rotationsmaschine als Außenläufer konzipiert.
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Eine Antriebseinheit mit mehreren elektrischen Rotationsmaschinen in einer Antriebsanordnung zu integrieren, die für ein Hybridkraftfahrzeug vorgesehen ist, unterliegt besonders in axialer Richtung strengen Bauraumanforderungen. Insbesondere bei Einsatz einer derartigen Antriebseinheit in sogenannten Front-Quer-Anordnungen in Kraftfahrzeugen, in welchen die elektrischen Rotationsmaschinen und die Verbrennungskraftmaschine als Frontantriebe eingesetzt werden und eine jeweilige Rotationsachse einer elektrischen Rotationsmaschine und der Verbrennungskraftmaschine quer zur Längsrichtung des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, ist eine axial besonders kurz bauende Antriebsanordnung vorteilhaft.
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Bei vielen herkömmlichen Hybridgetrieben mit zwei elektrischen Rotationsmaschinen besteht die Möglichkeit, sowohl rein elektrisch zu fahren als auch die Verbrennungskraftmaschine mit dem Fahrzeugantrieb bzw. der Fahrzeugantriebsachse eines Hybridfahrzeuges mittels eines Koppelelementes zu verbinden. Der sich daraus ergebende seriell/parallele Hybridantrieb vereint die Eigenschaften hinsichtlich Fahrverhalten eines Elektrofahrzeuges mit dem Reichweitenvorteil eines verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeuges.
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Ein solcher Hybridantrieb kann ein oder zwei Übersetzungsstufen von der Verbrennungskraftmaschine zum Abtrieb und eine Übersetzungsstufe von einer elektrischen Rotationsmaschine zum Abtrieb aufweisen.
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Bei den festgelegten Übersetzungen kann jedoch ohne Leistungssteigerung vom Verbrennungsmotor und/ oder von den elektrischen Rotationsmaschinen keine deutliche Erhöhung der Fahrdynamik, wie sie z.B. bei Beschleunigungsvorgängen notwendig ist, stattfinden.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit sowie eine damit ausgestattete Antriebsanordnung zur Verfügung zu stellen, die in kostengünstiger Ausgestaltung sowie bauraumsparender Weise einen optimalen, effizienten Betrieb gewährleisten.
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Antriebseinheit nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Antriebseinheit sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben. Ergänzend wird eine Antriebsanordnung, welches die Antriebseinheit aufweist, gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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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, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Begriffe „axial“ und „radial“ beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Rotationsachse der Antriebseinheit, die der Rotationsachse zumindest einer der von der Antriebseinheit umfassten elektrischen Rotationsmaschinen entspricht.
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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Antriebsstrang eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridkraftfahrzeuges. Die Antriebseinheit umfasst eine erste elektrische Rotationsmaschine sowie eine zweite elektrische Rotationsmaschine und eine erste Welle sowie eine zweite Welle, wobei ein Rotor der ersten elektrischen Rotationsmaschine drehfest mit der ersten Welle verbunden ist und ein Rotor der zweiten elektrischen Rotationsmaschine drehfest mit der zweiten Welle verbunden ist.
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Die Antriebseinheit weist weiterhinein ein Anschlusselement zum Anschluss einer Verbrennungskraftmaschine auf, wobei in einer räumlichen Reihenanordnung die beiden elektrischen Rotationsmaschinen als elektrisches Antriebssystem einerseits und das Anschlusselement andererseits in der räumlichen Reihenanordnung angeordnet sind.
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Des Weiteren umfasst die Antriebseinheit eine erste Übersetzungsstufe, welche durch eine erste Verzahnung an oder auf der ersten Welle und ein erstes, mit der ersten Verzahnung der ersten Welle kämmendes Zahnrad ausgebildet ist, und die Antriebseinheit umfasst eine zweite Übersetzungsstufe, welche durch eine zweite Verzahnung, insbesondere eine Außenverzahnung, an oder auf der zweiten Welle und ein zweites, mit der Verzahnung der zweiten Welle kämmendes Zahnrad ausgebildet ist.
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Der von dem Anschlusselement zur Verfügung gestellte Anschluss einer Verbrennungskraftmaschine kann ein mittelbarer Anschluss sein, gegebenenfalls realisiert über einen Schwingungsdämpfer.
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Die genannte Reihenanordnung bezieht sich dabei auf die Anordnung der die elektrischen Rotationsmaschinen bzw. das elektrische Antriebssystem und das Anschlusselement ausbildenden Module. Ein Drehmoment-Übertragungspfad von diesen Modulen zu den einzelnen Übersetzungen ist dabei aber nicht an die Reihenfolge der räumlichen Anordnung der einzelnen Module gebunden.
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Das erste Zahnrad der ersten Übersetzungsstufe kann auf einer Zwischenwelle sitzen.
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Die beiden Übersetzungsstufen ermöglichen im Rahmen von Zyklus-Verbrauchsbetrachtungen und im realen Fahrbetrieb die Betriebsmodi variabler, und damit genauer auf die jeweilige Fahrsituation abgestimmt, zu gestalten.
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Die Antriebseinheit stellt somit ein Zwei-E-Maschinen-Getriebe für seriellen und parallelen Antrieb eines Hybridfahrzeuges mit zwei E-Maschinen dar, wobei die erste elektrische Rotationsmaschine z.B. als Generator, zum Boosten und für den Verbrennungsmotor-Start verwendet werden kann, und die zweite elektrische Rotationsmaschine z.B. als Traktions- bzw. Hauptfahrmaschine ausgeführt sein kann, sowie zum Boosten und Rekuperieren verwendet werden kann.
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Weiterhin kann die Antriebseinheit eine erste Abkoppeleinrichtung aufweisen, mit der die erste Übersetzungsstufe deaktivierbar ist.
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Dabei kann die erste Abkoppeleinrichtung dazu eingerichtet sein, den Drehmoment-Übertragungspfad vom ersten Zahnrad zu einer Zwischenwelle zu unterbrechen, oder dazu eingerichtet sein, den Drehmoment-Übertragungspfad von der ersten Welle auf die erste Verzahnung zu unterbrechen.
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Dadurch lässt sich eine Abkoppelbarkeit der zweiten elektrischen Rotationsmaschine zum Abtrieb gewährleisten, sodass in Fahrzuständen, in denen die zweite elektrische Rotationsmaschine nicht benötigt wird, unnötige Schleppverluste vermieden werden. Dies trägt zur Wirkungsgradsteigerung und damit Verbrauchsreduzierung des Systems bei.
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Ein Vorteil der Antriebseinheit besteht darin, nicht nur eine Übersetzung von der zweiten elektrischen Rotationsmaschine zum Abtrieb realisieren zu können, sondern im Falle des Einsatzes der ersten Abkoppeleinrichtung bei entsprechender Schaltlogik eine erste Übersetzung nutzbar zu machen. Dabei ist über diese erste Übersetzungsstufe funktionsbedingt keine rein elektrische Fahrt sinnvoll, da die Verbrennungskraftmaschine mitgeschleppt werden müsste. Aber die realisierbare Parallelfahrt von Verbrennungskraftmaschine und erster elektrischer Rotationsmaschine erlaubt es zusätzlich, mittels dieser ersten Übersetzungsstufe zu boosten und zu rekuperieren.
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Des Weiteren kann die Antriebseinheit eine zweite Abkoppeleinrichtung aufweisen, mit der die zweite Übersetzungsstufe deaktivierbar ist.
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Die zweite Abkoppeleinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Drehmoment-Übertragungspfad vom zweiten Zahnrad zu einer Zwischenwelle zu unterbrechen. Die zweite Abkoppeleinrichtung kann dabei auf der Zwischenwelle ausgeführt sein. Es kann z.B. als Klauenkupplung ausgeführt sein.
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Zumindest eine der Abkoppeleinrichtungen kann ebenfalls in der räumlichen Reihenanordnung zwischen dem elektrischen Antriebssystem und dem Anschlusselement angeordnet sein.
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Die Antriebseinheit kann weiterhin eine Trennkupplung aufweisen, mit der der Rotor der ersten elektrischen Rotationsmaschine zur Drehmomentübertragung mit der zweiten Welle verbindbar oder verbunden ist.
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Diese Trennkupplung kann dazu eingerichtet sein, den Drehmoment-Übertragungspfad zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle zu schließen bzw. zu öffnen. Sie kann beispielsweise eine Lamellenkupplung sein.
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Die Antriebseinheit kann ein Betätigungssystem zur Betätigung der Trennkupplung umfassen.
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Vorteilhafterweise sind die Drehachsen der Rotoren der elektrischen Rotationsmaschinen koaxial positioniert.
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In einer Ausführungsform ist die erste elektrische Rotationsmaschine zumindest bereichsweise radial sowie axial innerhalb eines von der zweiten elektrischen Rotationsmaschine radial begrenzten Raums angeordnet.
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Diese Bauform mit ineinander geschachtelten elektrischen Rotationsmaschinen erlaubt es, aufgrund der Baulängenreduzierung zusätzliche Funktionalitäten zu integrieren, um stetig steigenden Anforderungen hinsichtlich Wirkungsgrades und Fahrdynamik zu entsprechen.
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Die radiale Verschachtelung der beiden elektrischen Rotationsmaschinen bewirkt den Vorteil, dass bei der Herstellung der einzelnen Bleche des Rotor-Pakets und des Stator-Pakets beider elektrischer Rotationsmaschinen aus einer Platine mit einem Stanz-Hub sowohl ein Blech des Rotors der radial inneren elektrischen Rotationsmaschine als auch des Stators der radial inneren elektrischen Rotationsmaschine und auch des Stators der radial äußeren elektrischen Rotationsmaschine sowie des Rotors der radial äußeren elektrischen Rotationsmaschine ausgeschnitten werden kann.
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Der Rotor der radial äußeren elektrischen Rotationsmaschine kann zwecks seiner Verbindung zur zweiten Welle von einem Rotorträger getragen sein, welcher mit der zweiten Welle verbunden ist, wobei der Rotor dabei insbesondere kraft- und/oder formschlüssig mit dem Rotorträger verbunden ist und der Rotorträger kraft- und/oder formschlüssig mit der zweiten Welle verbunden ist.
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Zwecks drehbarer Lagerung der ersten Welle und/oder der zweiten Welle kann die Antriebseinheit ein Zentrallager bzw. eine zentrale Lagereinheit aufweisen, welches ein- oder mehrteilig ausgestaltet ist, und mittels welchem die erste Welle und/oder die zweite Welle an einem Gehäuse der Antriebseinheit gelagert sind. Der Rotorträger der radial äußeren elektrischen Rotationsmaschine kann dabei unmittelbar über das Zentrallager gelagert sein oder mittelbar über die zweite Welle am Zentrallager gelagert sein. Das Zentrallager ist beispielsweise als Rollen-, Kugel- oder Schrägkugellager ausgestaltet.
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Damit ist nicht ausgeschlossen, dass sowohl die radial innere elektrische Rotationsmaschine als auch die radial äußere elektrische Rotationsmaschine zwecks Antriebes eines mit der Antriebseinheit ausgestatteten Kraftfahrzeugs einsetzbar ist. Beispielsweise kann die radial innere elektrische Rotationsmaschine dazu eingesetzt werden, Drehmoment an eine Eingangsseite der Antriebseinheit zu leiten, sodass ein Start einer an die Eingangsseite anschließbaren Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann. Alternativ kann auch eine oder können auch beide elektrischen Rotationsmaschinen Drehmoment zur Verfügung stellen und zusammen mit einer angeschlossenen Verbrennungskraftmaschine einen Hybrid-Betrieb der Antriebseinheit realisieren.
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Weiterhin kann die Antriebseinheit eine Verbrenner-Übersetzungsstufe umfassen, wobei die Verbrenner-Übersetzungsstufe durch das Anschlusselement der Antriebseinheit, welches ein innenverzahntes Zahnrad umfasst, und die erste Welle, welche ein Element mit einer Außenverzahnung aufweist, ausgebildet ist, wobei die Verzahnung des innenverzahnten Zahnrades sowie die Außenverzahnung zwecks Übertragung der Drehbewegung vom Anschlusselement auf die erste Welle miteinander kämmen.
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Die erste elektrische Rotationsmaschine ist entsprechend über die Verbrenner-Übersetzungsstufe mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt.
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In einer konstruktiv vorteilhaften sowie bauraumsparenden Ausführungsform sind die beiden Wellen koaxial angeordnet. Zu diesem Zweck ist insbesondere vorgesehen, dass die zweite Welle als Hohlwelle ausgestaltet ist und die erste Welle abschnittsweise innerhalb der zweiten Welle verläuft.
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Insbesondere kann die erste elektrische Rotationsmaschine für einen Generatorbetrieb eingerichtet sein. Das heißt, dass vorteilhafterweise die radial innere elektrische Rotationsmaschine als Generator betrieben werden kann. Der Rotor der radial inneren elektrischen Rotationsmaschine ist relativ klein ausgeführt und hat somit ein geringeres Massenträgheitsmoment als der Rotor der radial äußeren Rotationsmaschine.
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Entsprechend kann die zweite elektrische Rotationsmaschine für einen Antriebsmotorbetrieb eingerichtet sein. Das bedeutet, dass die radial äußere elektrische Rotationsmaschine vorteilhafterweise als Antriebseinheit eingesetzt werden kann, da der Rotor dieser elektrischen Rotationsmaschine relativ groß ist und ein entsprechend großes Drehmoment erzeugen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rotor der zweiten elektrischen Rotationsmaschine von einem Rotorträger getragen ist, der drehfest mit der zweiten Welle verbunden ist. Insbesondere ist der Rotor der zweiten elektrischen Rotationsmaschine dabei kraft- und/oder formschlüssig mit dem Rotorträger verbunden, und der Rotorträger ist kraft- und/oder formschlüssig mit der zweiten Welle verbunden.
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In einer Ausführungsform, in der die Antriebseinheit ein Getriebe aufweist, kann das zweite Zahnrad drehfest mit einer Zwischenwelle des Getriebes gekoppelt sein. Dieses Getriebe kann im Abtriebsbereich ein Differential-Getriebe umfassen. Dabei kann eine Außenverzahnung der Zwischenwelle mit einem Eingangs-Zahnrad des Differential-Getriebes kämmen, wodurch eine Differential-Übersetzungsstufe realisiert wird.
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Die zweite Welle fungiert somit hier als Getriebeeingangswelle und steht mit dem Getriebe in Wirkverbindung, so dass ein von der zweiten Welle zur Verfügung gestelltes Drehmoment bzw. die von der zweiten Welle realisierte Drehbewegung über das Getriebe über- oder untersetzt an eine weitere Getriebeeinheit eines Kraftfahrzeugs geleitet werden kann, oder auch direkt auf Antriebsräder eines Kraftfahrzeuges geleitet werden kann.
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Des Weiteren wird erfindungsgemäß eine Antriebsanordnung zur Verfügung gestellt, die eine erfindungsgemäße Antriebseinheit sowie eine Verbrennungskraftmaschine aufweist, die mittels eines Abtriebselements der Verbrennungskraftmaschine und des Anschlusselements der Antriebseinheit drehfest mit dem Rotor der ersten elektrischen Rotationsmaschine gekoppelt oder koppelbar ist.
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In einer räumlichen Reihenanordnung sind die beiden elektrischen Rotationsmaschinen als elektrisches Antriebssystem einerseits und das Anschlusselement mit der daran angeschlossenen Verbrennungskraftmaschine andererseits angeordnet.
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Diese Reihenanordnung bezieht sich dabei auf die Anordnung der die elektrischen Rotationsmaschinen bzw. das elektrische Antriebssystem und das Anschlusselement ausbildenden Module. Ein Drehmoment-Übertragungspfad von diesen Modulen zu den einzelnen Übersetzungen ist dabei aber nicht an die Reihenfolge der räumlichen Anordnung der einzelnen Module gebunden.
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Im Betrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs, mit einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, umfassend eine erfindungsgemäße Antriebseinheit sowie eine Verbrennungskraftmaschine, werden z.B. folgende Fahrbetriebsmodi ermöglicht:
- - Elektrisches Fahren und Rekuperieren:
- Die Trennkupplung ist geöffnet, wodurch die zweite elektrische Rotationsmaschine von der ersten elektrischen Rotationsmaschine und der Verbrennungskraftmaschine abgekoppelt ist. Die zweite elektrische Rotationsmaschine wird somit separat als Traktionsmaschine oder als Generator angesteuert. Die Verbrennungskraftmaschine und die erste elektrische Rotationsmaschine sind nicht in Betrieb.
- - Seriell Fahren und Laden:
- Die Trennkupplung ist geöffnet. Die Verbrennungskraftmaschine wird mittels der ersten elektrischen Rotationsmaschine gestartet, wobei die Verbrennungskraftmaschine die erste elektrische Rotationsmaschine antreiben kann und folglich die erste elektrische Rotationsmaschine als Generator angesteuert wird, um die Batterie des Kraftfahrzeugs zu laden. Die zweite elektrische Rotationsmaschine wird als Traktionsmaschine angesteuert.
- - Parallel Hybridantrieb, Laden und Boosten:
- Die Trennkupplung ist geschlossen, wodurch die erste elektrische Rotationsmaschine, die zweite elektrische Rotationsmaschine sowie die Verbrennungskraftmaschine miteinander gekoppelt sind. Das Kraftfahrzeug wird mittels der Verbrennungskraftmaschine und / oder einer oder beider elektrischen Rotationsmaschinen angetrieben. Die beiden elektrischen Rotationsmaschinen können hier als Traktionsmaschine oder als Generator angesteuert werden.
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In weiterer Ausgestaltung umfasst die Antriebsanordnung auch wenigstens eine Radantriebswelle, an welcher Räder eines mit der Antriebsanordnung ausgestalteten Kraftfahrzeugs anzuordnen sind, und welche über das Getriebe der Antriebseinheit mit der zweiten Welle der Antriebseinheit verbunden ist, sodass eine von der zweiten Welle realisierte Drehbewegung durch das Getriebe auf die Radantriebswelle und damit auf die Räder übertragen werden kann.
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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 in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung mit Antriebseinheit einer ersten Ausführungsform,
- 2: eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung mit Antriebseinheit einer zweiten Ausführungsform,
- 3: eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung mit Antriebseinheit einer dritten Ausführungsform, und
- 4: eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung mit Antriebseinheit einer vierten Ausführungsform.
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In den 1 bis 4 ist jeweils eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung 100 mit einer Antriebseinheit 1 ersichtlich.
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Alle gezeigten Ausführungsformen haben einen grundsätzlichen Aufbau, der im Folgenden erläutert wird.
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Die Antriebseinheit 1 umfasst eine erste elektrische Rotationsmaschine 10, eine zweite elektrische Rotationsmaschine 20, eine erste Welle 40 sowie eine zweite Welle 41.
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Des Weiteren umfasst die Antriebsanordnung 100 eine Verbrennungskraftmaschine 110 und einen Schwingungsdämpfer 101, wobei ein Abtriebselement 111 der Verbrennungskraftmaschine 110 mit dem Schwingungsdämpfer 101 gekoppelt ist. Der Schwingungsdämpfer 101 ist außerdem mit einem Anschlusselement 4 der Antriebsanordnung 1 verbunden, welches als eine Eingangsseite 2 der Antriebsanordnung 1 fungiert. Die Verbrennungskraftmaschine 110 ist damit über den Schwingungsdämpfer 110 mit der Antriebsanordnung 1 gekoppelt.
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Das Anschlusselement 4 ist mit der ersten Welle 40 derart gekoppelt, dass eine Verbrenner-Übersetzungsstufe 70 zwischen dem Anschlusselement 4 und der ersten Welle 40 ausgebildet ist.
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Ein Rotor 11 der ersten elektrische Rotationsmaschine 10 ist mit der ersten Welle 40 drehfest verbunden und ein Rotor 21 der zweiten elektrischen Rotationsmaschine 20 ist mit der zweiten Welle 41 drehfest verbunden. Die Verbindung des Rotors 11 der ersten elektrischen Rotationsmaschine 10 mit der ersten Welle 40 ist derart realisiert, dass der Rotor 11 der ersten elektrische Rotationsmaschine 10 direkt auf der ersten Welle 40 angeordnet ist. Der Rotor 21 der zweiten elektrischen Rotationsmaschine 20 ist hingegen von einem Rotorträger 30 getragen und der Rotorträger 30 ist mit der zweiten Welle 41 verbunden.
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Die beiden Wellen 40,41 sind koaxial auf einer gemeinsamen Rotationsachse 6 angeordnet. Die erste elektrische Rotationsmaschine 10 ist radial sowie bereichsweise axial innerhalb eines von der zweiten elektrischen Rotationsmaschine 20 radial begrenzten Raums angeordnet. Dabei ist die erste elektrische Rotationsmaschine 10 als Innenläufermotor ausgebildet und die zweite elektrische Rotationsmaschine 20 ist als Außenläufermotor ausgebildet.
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Eine Trennkupplung 50 der Antriebseinheit 1 ist mit ihrer Eingangsseite 51 mit der ersten Welle 40 verbunden und mit ihrer Ausgangsseite 52 mit der zweiten Welle 41 verbunden. Die Trennkupplung 50 dient somit zur Drehmomentübertragung zwischen der ersten Welle 40 und der zweiten Welle 41. Entsprechend kann mittels der Trennkupplung 50 ein Drehmoment-Übertragungspfad zwischen dem Rotor 11 der ersten elektrischen Rotationsmaschine 10 und dem Rotor 21 der zweiten elektrischen Rotationsmaschine 20 geöffnet oder geschlossen werden.
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Die zweite Welle 41 ist als Hohlwelle ausgestaltet und die erste Welle 40 verläuft abschnittsweise radial innerhalb der zweiten Welle 41. Die beiden Wellen 40, 41 verlaufen somit koaxial zueinander, wobei auch die Rotoren 11, 21 der beiden elektrischen Rotationsmaschinen 10, 20 koaxial zueinander und koaxial zu den Wellen 40, 41 angeordnet sind.
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Die erste Welle 40 ist über eine erste Übersetzungsstufe mit einer ersten Verzahnung 62, welche sich an oder auf der ersten Welle 40 befindet, mit einem ersten Zahnrad 63, das mit der ersten Verzahnung 62 der ersten Welle 40 kämmt, mit einer Zwischenwelle 81 verbunden.
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Die zweite Welle 41 ist über eine zweite Übersetzungsstufe 71 mit der Zwischenwelle 81 verbunden. Die Zwischenwelle 81 verläuft dabei parallel zur zweiten Welle 41.
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Die Zwischenwelle 81 ist über eine Differential-Übersetzungsstufe 72 mit einem Eingangselement eines Differentialgetriebes 80 der Antriebseinheit 1 zwecks Übertragung von Drehmoment verbunden. Das Differentialgetriebe 80 bildet eine Ausgangsseite 3 der Antriebseinheit 1.
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Eine Radantriebswelle 103, an welcher Räder eines mit der Antriebsanordnung 100 ausgestatteten Kraftfahrzeugs anzuordnen sind, bildet den Ausgang des Differentialgetriebes 80, so dass eine von der ersten Welle 40 oder von der zweiten Welle 41 realisierte Drehbewegung über die erste Übersetzungsstufe 61 bzw. über die zweite Übersetzungsstufe 71 und die Differential-Übersetzungsstufe 72 sowie über das Differentialgetriebe 80 auf die Radantriebswelle 103 und damit auf die Räder übertragen werden kann.
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Ein von der Verbrennungskraftmaschine 110 bereitgestelltes Drehmoment wird über den Schwingungsdämpfer 101 und über die Verbrenner-Übersetzungsstufe 70 an die erste Welle 40 der Antriebseinheit 1 übertragen. Ist die Trennkupplung 50 dabei geöffnet, wird das Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine 110 lediglich an den Rotor 11 der ersten elektrischen Rotationsmaschine 10 geleitet. Derart kann die erste elektrische Rotationsmaschine 10 im Generatorbetrieb zum Laden einer Batterie genutzt werden. Alternativ oder hinzukommend kann Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine über die erste Übersetzungsstufe 61 direkt dem Abtrieb zugeleitet werden.
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Ist die Trennkupplung 50 geschlossen, wird das von der Verbrennungskraftmaschine 110 bereitgestellte Drehmoment von der ersten Welle 40 auf die zweite Welle 41 übertragen.
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Von der zweiten Welle 41 wird das Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine 110 über die zweite Übersetzungsstufe 71 auf die Zwischenwelle 81 und über die Differential-Übersetzungsstufe 72 in das Differentialgetriebe 80 geleitet. Über das Differentialgetriebe 80 gelangt das Drehmoment mittels der Radantriebswelle 103 an Räder eines mit der Antriebsanordnung 100 ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
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Ein vom Rotor 11 der ersten elektrischen Rotationsmaschine 10 bereitgestelltes Drehmoment kann bei geöffneter Trennkupplung 50 über die Verbrenner-Übersetzungsstufe 70 an die Verbrennungskraftmaschine 110 übertragen werden. Bei geschlossener Trennkupplung 50 wird Drehmoment über die zweite Übersetzungsstufe 71 und die Differential-Übersetzungsstufe 72 an das Differentialgetriebe 80 und damit an die Radantriebswelle 103 übertragen.
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Ein vom Rotor 21 der zweiten elektrischen Rotationsmaschine 20 bereitgestelltes Drehmoment wird unabhängig einer Schaltung der Trennkupplung 50 über die zweite Übersetzungsstufe 71 und die Differential-Übersetzungsstufe 72 an das Differentialgetriebe 80 und damit an die Radantriebswelle 103 übertragen.
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Die Antriebsanordnung 100 kann entsprechend in einer Vielzahl an Fahrbetriebsmodi betrieben werden.
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1 zeigt außerdem einen detaillierten Aufbau der Übersetzungsstufen 61, 70, 71, 72.
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Die Verbrenner-Übersetzungsstufe 70 ist derart ausgebildet, dass das Anschlusselement 4 ein innenverzahntes Zahnrad 5 umfasst, welches mit einer Außenverzahnung 46 am zweiten axialen Endbereich 43 der ersten Welle 40 kämmt. Die zweite Welle 41 weist ebenfalls eine Außenverzahnung 47 an deren zweitem axialen Endbereich 45 auf, mit welcher sie mit einem zweiten Zahnrad 82 in Eingriff steht, wobei das zweite Zahnrad 82 drehfest auf der Zwischenwelle 81 angeordnet ist, so dass die zweite Übersetzungsstufe 71 zwischen der zweiten Welle 41 und der Zwischenwelle 81 ausgebildet ist. Eine Außenverzahnung 84 der Zwischenwelle 81 steht mit einem Differential-Zahnrad 83 als Eingangselement des Differentialgetriebes 80 in Eingriff, wodurch die Differential-Übersetzungsstufe 72 zwischen der Zwischenwelle 81 und dem Differentialgetriebe 80 ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten erlaubt die vorliegende Erfindung den Betrieb der zweiten elektrischen Rotationsmaschine 20 über die zweite Übersetzungsstufe 71 ohne Nutzung der der Verbrennungskraftmaschine zugordneten Verbrenner-Übersetzungsstufe 70 mit dem Abtrieb eine rein elektrische Fahrt.
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Des Weiteren kann die zweite elektrische Rotationsmaschine 20 über die erste Übersetzungsstufe 61 eine parallele Fahrt der Verbrennungskraftmaschine ermöglichen.
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Im Weiteren wird Bezug genommen auf die Merkmale der Antriebsanordnung, die Unterschiede zwischen den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen bedingen.
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Die 1 und 2 zeigen Ausführungsformen, bei denen eine erste Abkoppeleinrichtung 85 auf der Zwischenwelle 81 angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, dass erste Zahnrad 63 außer Eingriff mit der Zwischenwelle 81 zu bringen, oder an die Zwischenwelle 81 anzukoppeln.
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Die 3 und 4 zeigen Ausführungsformen, bei denen eine erste Abkoppeleinrichtung 85 auf der ersten Welle 40 angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, den Drehmoment-Übertragungspfad zwischen der ersten Welle 40 und der ersten Verzahnung 62 zu öffnen bzw. zu schließen.
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Die 2 und 4 Zeigen außerdem jeweils eine zweite Abkoppeleinrichtung 86, die auf der Zwischenwelle 81 angeordnet ist, und dazu eingerichtet ist, den Drehmoment-Übertragungspfad zwischen dem zweiten Zahnrad 82 und der Zwischenwelle 81 zu öffnen bzw. zu schließen.
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In den 1-4 ist ersichtlich, dass sowohl die erste Übersetzungsstufe 61 als auch die zweite Übersetzungsstufe 71 und auch in unterschiedlichen Ausführungsformen die beiden Abkoppeleinrichtungen 85,86 in der räumlichen Reihenanordnung zwischen den beiden elektrischen Rotationsmaschinen 10,20 und der Verbrennungskraftmaschine 110 angeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung eines 2-Gang-Hybridgetriebes mit ineinander geschachtelten elektrischen Rotationsmaschinen erhöht, bedingt durch die erweiterte Anzahl an möglichen Betriebsmodi, einerseits die Fahrdynamik, z.B. bei Beschleunigungsvorgängen, und andererseits den Wirkungsgrad des Systems. Dies zeigt sich, nicht zuletzt auch durch die Abkopplungsoption für die zweite elektrische Rotationsmaschine, im Verbrauchszyklus und im realen Betrieb durch einen geringeren Energieverbrauch des Fahrzeuges.
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Die 2-Gängigkeit erlaubt eine gezieltere Anpassung der Übersetzungsstufen an die jeweilige Fahrzeugapplikation und ermöglicht je nach gewählter Übersetzung, die Verbrennungskraftmaschine bereits unterhalb von 50km/h an den Fahrzeugabtrieb anzukoppeln.
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Realisierbare Betriebsmodi sind in der folgenden Tabelle aufgelistet, wobei die Eintragungen „Mitgeschleppt“ und „Abgeschaltet“ bedeuten:
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Mitgeschleppt: Elektrische Rotationsmaschine ist nicht aktiv, wird aber mitgedreht, da die jeweilige Rotorwelle nicht abgekoppelt werden kann
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Abgeschaltet: Elektrische Rotationsmaschine ist nicht aktiv und dreht sich nicht mit, wenn ihre jeweilige Rotorwelle abgekoppelt ist. Tabelle: 1 Betriebsmodi
| | Betriebsmodi zu Ausführungsformen der 1 und 3 ; ohne Abkopplung der zweiten elektrischen Rotationsmaschine | Betriebsmodi zu Ausführungsformen der 2 und 4 ; mit Abkopplung der zweiten elektrischen Rotationsmaschine |
| Element Modus (Übersetzung) | Trennkupplung | erste Abkoppeleinrichtung | Verbrennungskr aftmaschine | Erste elektrische Rotationsmaschine | Zweite elektrische Rotationsmaschine | Trennkupplung | erste Abkoppeleinrichtung | zweite Abkoppeleinrichtung | Verbrennungskraftmaschine | Erste elektrische Rotationsmaschine | Zweite elektrische Rotationsmaschine |
| Parken | offen | offen | abgeschaltet | abgeschaltet | abgeschaltet | offen | offen | geschlossen | abgeschaltet | abgeschaltet | abgeschaltet |
| Elektrischer Antrieb durch zweite elektrische Rotationsmaschine | offen | offen | abgeschaltet | abgeschaltet | antreibend | offen | offen | geschlossen | abgeschaltet | abgeschaltet | antreibend |
Tabelle 1 (weitergeführt)
| Rekuperation | offen | offen | abgeschaltet | abgeschaltet | angetrieben | offen | offen | geschlossen | abgeschaltet | abgeschaltet | angetrieben |
| Elektrischer Antrieb durch beide elektrische Rotationsmaschinen | offen | offen | antreibend | angetrieben | antreibend | offen | offen | geschlossen | antreibend | angetrieben | antreibend |
| Antrieb durch Verbrennungskraftmaschine | geschlossen | offen | antreibend | angetrieben | mitgeschleppt | geschlossen | offen | geschlossen | antreibend | angetrieben | mitgeschleppt |
| Antrieb durch alle Maschinen | geschlossen | offen | antreibend | angetrieben | antreibend | geschlossen | offen | geschlossen | antreibend | angetrieben | antreibend |
Tabelle 1 (weitergeführt)
| Antrieb durch Verbrennungskraftmaschine | offen | geschlossen | antreibend | angetrieben | mitgeschleppt | offen | geschlossen | offen | antreibend | angetrieben | abgeschaltet |
| Antrieb durch alle Maschinen | offen | geschlossen | antreibend | angetrieben | antreibend | geschlossen | geschlossen | offen | antreibend | angetrieben | antreibend |
| Rekuperation/Motorbremse | geschlossen | offen | angetrieben | angetrieben | angetrieben | geschlossen | offen | geschlossen | angetrieben | angetrieben | angetrieben |
| Rekuperation/Motorbremse | offen | geschlossen | angetrieben | angetrieben | angetrieben | geschlossen | geschlossen | offen | angetrieben | angetrieben | angetrieben |
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Mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit sowie der Antriebsanordnung lässt sich in kostengünstiger Ausgestaltung sowie bauraumsparender Weise ein optimaler und effizienter Betrieb gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Eingangsseite der Antriebseinheit
- 3
- Ausgangsseite der Antriebseinheit
- 4
- Anschlusselement der Antriebseinheit
- 5
- innenverzahntes Zahnrad des Anschlusselements
- 6
- Rotationsachse
- 10
- erste elektrische Rotationsmaschine
- 11
- Rotor der ersten elektrischen Rotationsmaschine
- 12
- Stator der ersten elektrischen Rotationsmaschine
- 20
- zweite elektrische Rotationsmaschine
- 21
- Rotor der zweiten elektrischen Rotationsmaschine
- 22
- Stator der zweiten elektrischen Rotationsmaschine
- 30
- Rotorträger der zweiten elektrischen Rotationsmaschine
- 40
- erste Welle
- 41
- zweite Welle
- 42
- erster axialer Endbereich der ersten Welle
- 43
- zweiter axialer Endbereich der ersten Welle
- 44
- erster axialer Endbereich der zweiten Welle
- 45
- zweiter axialer Endbereich der zweiten Welle
- 46
- Außenverzahnung der ersten Welle
- 47
- Außenverzahnung der zweiten Welle
- 50
- Trennkupplung
- 51
- Eingangsseite der Trennkupplung
- 52
- Ausgangsseite der Trennkupplung
- 53
- Betätigungssystem
- 60
- Gehäuse
- 61
- Erste Übersetzungsstufe
- 62
- Erste Verzahnung
- 63
- Erstes Zahnrad
- 70
- Verbrenner-Übersetzungsstufe
- 71
- zweite Übersetzungsstufe
- 72
- Differential-Übersetzungsstufe
- 80
- Differentialgetriebe
- 81
- Zwischenwelle
- 82
- zweites Zahnrad
- 83
- Differential-Zahnrad
- 84
- Außenverzahnung der Zwischenwelle
- 85
- erste Abkoppeleinrichtung
- 86
- zweite Abkoppeleinrichtung
- 90
- zentrale Lagereinheit
- 91
- Nadellager
- 92
- Stützlager
- 100
- Antriebsanordnung
- 101
- Schwingungsdämpfer
- 110
- Verbrennungskraftmaschine
- 111
- Abtriebselement der Verbrennungskraftmaschine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 11 2015 006 071 T5 [0003]
- WO 2019 101 264 A1 [0004]
- US 2016 / 0218584 A1 [0005]
- EP 1502791 B1 [0006]
- EP 1847411 B1 [0006]