DE102011105521A1

DE102011105521A1 - Hybrid-Antriebsstrang und Gangstufenwechselverfahren

Info

Publication number: DE102011105521A1
Application number: DE102011105521A
Authority: DE
Inventors: Stefan Raisch
Original assignee: Getrag Getriebe und Zahnradfabrik Hermann Hagenmeyer GmbH and Co
Current assignee: Magna PT BV and Co KG
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2031-06-23
Also published as: CN102837594A; CN102837594B; US8955411B2; DE102011105521B4; US20120325048A1

Abstract

Hybrid-Antriebsstrang (10) für ein Kraftfahrzeug (11), mit einem Verbrennungsmotor (12) zur Bereitstellung von verbrennungsmotorischer Antriebsleistung; einem Stufengetriebe (16) mit einem Getriebeeingang und einem Getriebeausgang, wobei der Getriebeeingang mit dem Verbrennungsmotor (12) verbindbar ist und wobei das Stufengetriebe (16) dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von unterschiedlichen Vorwärtsgangstufen (1–5; 1–7) einzurichten; und einer elektrischen Maschine (14) zur Bereitstellung von elektromotorischer Antriebsleistung. Dabei ist das Stufengetriebe (16) ein Gruppengetriebe mit einer ersten Getriebegruppe (24) und einer nachgeschalteten zweiten Getriebegruppe (26), wobei die elektrische Maschine (14) mit dem Eingang der zweiten Getriebegruppe (26) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor zur Bereitstellung von verbrennungsmotorischer Antriebsleistung, einem Stufengetriebe mit einem Getriebeeingang und einem Getriebeausgang, wobei der Getriebeeingang mit dem Verbrennungsmotor verbindbar ist und wobei das Stufengetriebe dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von unterschiedlichen Vorwärtsgangstufen einzurichten, und einer elektrischen Maschine zur Bereitstellung von elektromotorischer Antriebsleistung.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang sowie ein Verfahren zum Durchführen eines Gangwechsels in einem Hybrid-Antriebsstrang.
Hybrid-Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Bei manchen Hybrid-Antriebssträngen ist eine elektrische Maschine mit einem Getriebeeingang verbunden. Derartige Hybrid-Antriebsstränge ermöglichen es, die elektrische Maschine zum Boosten oder auch zum rein elektrischen Antrieb zu verwenden. In diesem Fall können sämtliche Vorwärtsgangstufen des Stufengetriebes im elektrischen Fahrbetrieb genutzt werden. Allerdings kann die elektrische Maschine in diesem Fall nicht dazu verwendet werden, bei Gangwechseln eine Zugkraftunterstützung bereitzustellen. Dies ist bei solchen Hybrid-Antriebssträngen möglich, bei denen die elektrische Maschine am Ausgang des Stufengetriebes angebunden ist. In diesem Fall kann ein rein elektrischer Fahrbetrieb jedoch nur mit einer einzelnen Übersetzung durchgeführt werden. Zudem ist ein Standladen (Nutzen der elektrischen Maschine als Generator zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers bei Stillstand des Fahrzeuges) generell nicht möglich.
Ferner sind auch Hybrid-Antriebsstränge bekannt, bei denen das Stufengetriebe als Doppelkupplungsgetriebe ausgeführt ist. Derartige Getriebe ermöglichen bereits für sich genommen Gangwechsel ohne Zugkraftunterbrechung. Dabei ist es beispielsweise bekannt, eine elektrische Maschine an eines der zwei Teilgetriebe eines solchen Doppelkupplungsgetriebes anzubinden, in der Regel am Getriebeeingang. Solche Hybrid-Antriebsstränge sind jedoch sehr komplex, und manche Funktionen werden doppelt erfüllt.
Aus dem Dokument DE 197 47 265 A1 ist ein Hybrid-Antriebsstrang bekannt, bei dem in dem Stufengetriebe kein separater Gangsatz für den Rückwärtsfahrbetrieb eingerichtet ist, so dass eine Rückwärtsfahrt ausschließlich über einen Elektromotor möglich ist.
Das Dokument DE 10 2005 048 938 A1 offenbart einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem Doppelkupplungsgetriebe, wobei eine elektrische Maschine über ein zusätzlich vorgesehenes Getriebe sowohl mit einer ersten als auch mit einer zweiten Getriebeeingangswelle wirksam verbindbar ist.
Aus dem Dokument EP 1 972 481 A1 ist ein Hybrid-Antriebsstrang bekannt, bei dem ein erstes Gangschaltteilgetriebe eine Eingangswelle und eine Abtriebswelle aufweist, wobei dem ersten Teilgetriebe beispielsweise ungerade Gangstufen zugeordnet sind. Ferner beinhaltet der Antriebsstrang ein zweites Gangschaltteilgetriebe mit einer Eingangswelle und einer Abtriebswelle, wobei diesem Teilgetriebe beispielsweise die geraden Gangstufen zugeordnet sind. Die Eingangswelle des ersten Gangschaltteilgetriebes ist mit dem Verbrennungsmotor über eine Anfahrkupplung koppelbar. Die Eingangswelle des zweiten Gangschaltteilgetriebes ist mit der elektrischen Maschine antriebsverbunden. Ferner sind die beiden Eingangswellen über eine Kupplungseinheit drehfest miteinander verbindbar.
Schließlich ist aus dem Dokument DE 196 12 690 C1 ein Antriebsstrang mit einem automatisierten Schaltgetriebe bekannt, das als Gruppengetriebe mit einer ersten Getriebegruppe und einer nachgeschalteten zweiten Getriebegruppe ausgebildet ist.
Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Hybrid-Antriebsstrang, ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Durchführen eines Gangstufenwechsels anzugeben.
Die obige Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Hybrid-Antriebsstrang dadurch gelöst, dass das Stufengetriebe ein Gruppengetriebe mit einer ersten Getriebegruppe und einer nachgeschalteten zweiten Getriebegruppe ist, wobei die elektrische Maschine mit dem Eingang der zweiten Getriebegruppe verbunden ist.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang.
Schließlich wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Durchführen eines Gangstufenwechsels in einem Hybrid-Antriebsstrang, insbesondere der oben genannten Art, mit den Schritten, eine Trennkupplung eines Getriebes zu öffnen, das eine erste und eine nachgeschaltete zweite Getriebegruppe aufweist, Zugkraft mittels einer elektrischen Maschine bereitzustellen, die mit einem Eingang der zweiten Getriebegruppe verbunden ist, eine Quellgangstufe, die durch die erste und die nachgeschaltete zweite Getriebegruppe eingerichtet ist, auszulegen, indem eine Schaltkupplung der ersten Getriebegruppe geöffnet wird, und eine Zielgangstufe einzulegen.
Mit dem erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsstrang kann der Verbrennungsmotor mit sämtlichen Vorwärtsgangstufen des Stufengetriebes betrieben werden. Die elektrische Maschine kann das Kraftfahrzeug mit den unterschiedlichen Übersetzungen der zweiten Getriebegruppe antreiben. Die Gesamtzahl der Vorwärtsgangstufen ergibt sich in einem Gruppengetriebe in der Regel durch Multiplikation der Anzahl der in der ersten Getriebegruppe einrichtbaren Übersetzungen mit der Anzahl der in der zweiten Getriebegruppe einrichtbaren Übersetzungen.
Das Stufengetriebe kann mit einem einzelnen Getriebeeingang ausgebildet sein, kann also nach der Art eines automatisierten Schaltgetriebes realisiert sein. Aufwändige Doppelkupplungsanordnungen oder Getriebeeingangswellenanordnungen mit einer Innen- und einer Hohlwelle wie bei einem Doppelkupplungsgetriebe sind bei dem erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsstrang nicht notwendig.
Durch das Anbinden der elektrischen Maschine an den Eingang der zweiten Getriebegruppe oder an einen sonstigen geeigneten Punkt zwischen der ersten Getriebegruppe und der zweiten Getriebegruppe ist es zudem möglich, Gangstufenwechsel durchzuführen, bei denen die elektrische Maschine Zugkraft zur Überbrückung der ansonsten auftretenden Zugkraftunterbrechung bereitstellt.
Demzufolge kann der Hybrid-Antriebsstrang sehr komfortabel betrieben werden.
Der Getriebeeingang kann beispielsweise eine Getriebeeingangswelle sein. Der Getriebeausgang kann beispielsweise mit einem Differential verbunden sein, das die Antriebsleistung auf zwei Antriebswellen verteilt. Die Antriebswellen können beispielsweise mit angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeuges verbunden sein. Die angetriebenen Wellen können jedoch auch mit einer ersten bzw. einer zweiten Achse des Kraftfahrzeuges verbunden sein.
Generell ist es folglich möglich, einen Hybrid-Antriebsstrang mit hoher Funktionalität und einem vergleichsweise einfachen Grundaufbau zu realisieren, so dass viele Funktionen auf kleinem Raum möglich sind. Hierbei kann der Antriebsstrang auch ein geringes Gewicht aufweisen und wenig Reibungsverluste, so dass der Antriebsstrang verbrauchsarm realisiert werden kann.
Das Gruppengetriebe kann anstelle einer ersten Getriebegruppe und einer zweiten Getriebegruppe auch mehrere Getriebegruppen aufweisen. Beispielsweise kann die zweite Getriebegruppe wiederum aus zwei Unter-Getriebegruppen bestehen. Hierdurch kann gegebenenfalls die Anzahl der für die elektrische Maschine zur Verfügung stehenden Vorwärtsgangstufen für den rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeuges erhöht werden.
Die erste Getriebegruppe und die nachgeschaltete zweite Getriebegruppe weisen jeweils vorzugsweise wenigstens zwei unterschiedliche Übersetzungen auf. Bevorzugt ist es, wenn die erste Getriebegruppe eine größere Anzahl von unterschiedlichen Übersetzungen aufweist als die zweite Getriebegruppe.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, nach dem Einlegen der Zielgangstufe die Trennkupplung wieder zu schließen und das Bereitstellen von Zugkraft mittels der elektrischen Maschine zu beenden.
Das Öffnen der Trennkupplung und das Bereitstellen von Zugkraft finden dabei vorzugsweise in überschneidender Art und Weise statt, so dass der Fahrer eines Kraftfahrzeuges einen möglichst hohen Komfort hat. In gleicher Weise können das Beenden der Zugkraftbereitstellung und das Schließen der Trennkupplung nach dem Einlegen der Zielgangstufe ebenfalls überschneidend stattfinden.
Die obige Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Vorwärtsgangstufe des Stufengetriebes unter Umgehung der zweiten Getriebegruppe eingerichtet.
Durch diese Maßnahme ist es möglich, Gangwechsel, bei denen eine Umschaltung von Übersetzungen in der zweiten Getriebegruppe notwendig ist, unter Verwendung dieser wenigstens einen Vorwärtsgangstufe ebenfalls so durchzuführen, dass keine Zugkraftunterbrechung stattfindet bzw. eine Zugkraftunterstützung stattfinden kann. Demzufolge ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von Vorteil, wenn die Zielgangstufe die zweite Getriebegruppe umgeht.
Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn die wenigstens eine Vorwärtsgangstufe, die die zweite Getriebegruppe umgeht, die n + 1-te Vorwärtsgangstufe des Stufengetriebes ist, wobei n die Anzahl der in der ersten Getriebegruppe einrichtbaren Übersetzungen ist.
Hierdurch ist es möglich, beim Hochschalten der Vorwärtsgangstufen zunächst die unterschiedlichen Übersetzungen der ersten Getriebegruppe zu nutzen. Die sich daran anschließende Vorwärtsgangstufe ist jene, die die zweite Getriebegruppe umgeht. Hieran schließt sich dann wiederum eine Vorwärtsgangstufe an, die bei umgeschalteter zweiter Getriebegruppe die erste Übersetzung in der ersten Getriebegruppe nutzt.
Ferner ermöglicht die Verwendung einer solchen Umgehungs- bzw. Umschalt-Vorwärtsgangstufe gegebenenfalls auch, dass aus dieser Gangstufe in eine beliebige andere der Vorwärtsgangstufen gewechselt werden kann, wobei ein solcher Gangwechsel in vielen Fällen mit elektrischer Zugkraftunterstützung stattfinden kann.
Besonders bevorzugt ist es insgesamt, wenn das Stufengetriebe einen Getriebeeingang in Form einer Getriebeeingangswelle und einer Vorgelegewelle aufweist.
Derartige Stufengetriebe sind in Form von Vorgelegegetrieben allgemein bekannt.
Hierbei werden die verschiedenen Vorwärtsgangstufen durch Radsatzanordnungen realisiert, die in der Regel miteinander kämmende Stirnräder beinhalten (in der Regel mit einem Festrad und einem Losrad bzw. Schaltrad).
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die erste Getriebegruppe erste Radsatzanordnungen aufweist, die dazu ausgelegt sind, die Getriebeeingangswelle und die Vorgelegewelle zu verbinden.
Hierbei kann die erste Getriebegruppe wie ein herkömmliches manuelles oder automatisiertes Schaltgetriebe aufgebaut sein. Es ist möglich, Losräder an der Getriebeeingangswelle oder an der Vorgelegewelle vorzusehen, wobei die damit kämmenden Festräder an der jeweiligen anderen Welle angeordnet sind.
Insgesamt ist es ferner vorteilhaft, wenn die zweite Getriebegruppe zweite Radsatzanordnungen aufweist, die dazu ausgelegt sind, die Vorgelegewelle mit einem Differential zur Verteilung von Antriebsleistung auf zwei Antriebswellen zu verbinden.
Bei dieser Ausführungsform ist es von besonderem Vorzug, wenn die Radsatzanordnungen jeweils ein Festrad und ein Losrad aufweisen, wobei die Festräder vorzugsweise mit einem Eingangsglied des Differentials verbunden sind, wobei die damit kämmenden Losräder an der Vorgelegewelle drehbar gelagert sind.
Hierdurch kann ein auch in radialer Richtung besonders kompakter Antriebsstrang realisiert werden.
Ferner ist es hierbei vorteilhaft, wenn die ersten und/oder die zweiten Radsatzanordnungen jeweils eine Schaltkupplung aufweisen.
Die Schaltkupplungen können als Klauenkupplungen realisiert sein, sind jedoch insbesondere als Synchron-Schaltkupplungen und, besonders bevorzugt, als Schaltkupplungen mit Sperrsynchronisierung ausgeführt.
Hierbei kann auf bewährte Komponenten aus dem Gebiet der manuellen Stufengetriebe zurückgegriffen werden.
Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine mit der Vorgelegewelle verbunden ist.
Die Verbindung ist dabei vorzugsweise eine Antriebsverbindung, derart, dass eine Motorwelle immer mit einer proportionalen Drehzahl zur Drehzahl der Vorgelegewelle dreht. Die Anbindung kann dabei auf beliebige Art und Weise erfolgen. Beispielsweise kann die Maschinenwelle der elektrischen Maschine über einen Konstanten-Radsatz mit der Vorgelegewelle verbunden sein. Im einfachsten Fall kann die elektrische Maschine auch mit einem Drehrichtungsumkehrrad verbunden sein, das zur Implementierung einer Rückwärtsgangstufe in dem Stufengetriebe ohnehin vorgesehen ist. Dabei kann die Vor-Übersetzung der elektrischen Maschine angepasst werden, ohne die anderen Übersetzungen zu beeinflussen. Gleichzeitig erspart man sich eine separate Übersetzungsstufe.
Alternativ ist es auch möglich, die elektrische Maschine koaxial zu der Vorgelegewelle oder zu einer sonstigen Welle anzuordnen, die die erste Getriebegruppe und die zweite Getriebegruppe verbindet.
Ferner ist es möglich, die elektrische Maschine koaxial zu der Getriebeeingangswelle anzuordnen, beispielsweise benachbart zu einer Anfahrkupplung. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine an ein Losrad angebunden wird, das mit der Vorgelegewelle verbunden ist (z. B. ein Losrad der Rückwärtsgangstufe).
Ferner ist es insgesamt vorteilhaft, wenn der Verbrennungsmotor über eine Anfahrkupplung mit dem Getriebeeingang verbunden ist.
Die Anfahrkupplung kann beispielsweise eine trockene Reibkupplung sein und wird vorzugsweise automatisiert betätigt.
In diesem Zusammenhang versteht sich, dass die in dem Antriebsstrang vorhandenen Schaltkupplungen ebenfalls vorzugsweise automatisiert betätigt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsstranges;
2 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsstranges;
3 Zeitablaufdiagramme zur Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Durchführen eines Gangstufenwechsels;
4 eine der 2 vergleichbare Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsstranges.
In 1 ist in schematischer Form eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges dargestellt und generell mit 10 bezeichnet. Der Antriebsstrang 10 dient zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges 11, beispielsweise in Form eines Personenkraftwagens.
Der Antriebsstrang 10 weist einen ersten Antriebsmotor in Form eines Verbrennungsmotors (oder in Form eines Brennstoffzellenmotors) 12 und einen zweiten Antriebsmotor 14 in Form einer elektrischen Maschine auf. Die beiden Antriebsmotoren 12, 14 sind jeweils dazu ausgelegt, Antriebsleistung zum Antreiben des Kraftfahrzeuges 11 bereitzustellen.
Ferner beinhaltet der Antriebsstrang 10 ein Stufengetriebe 16, das vorzugsweise in Vorgelegebauweise ausgeführt ist. Ein nicht näher bezeichneter Ausgang des Stufengetriebes 16 ist mit einem Differential 18 verbunden, mittels dessen Antriebsleistung auf zwei Antriebswellen 20L, 20R verteilt werden kann. Die Antriebswellen 20L, 20R sind vorzugsweise mit angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeuges 11 verbunden. Alternativ ist es möglich, dass die Antriebswellen 20L, 20R mit zwei angetriebenen Achsen des Kraftfahrzeuges 11 verbunden sind.
Der Verbrennungsmotor 12 ist mit einem Eingang des Stufengetriebes 16 über eine Anfahrkupplung 22 verbunden. Die Anfahrkupplung 22 kann beispielsweise als trockene Reibkupplung ausgebildet sein, kann jedoch auch als nasslaufende Kupplung (z. B. eine Lamellenkupplung) ausgebildet sein.
Das Stufengetriebe 16 ist als Gruppengetriebe ausgebildet, mit einer ersten Getriebegruppe 24 und einer nachgeschalteten zweiten Getriebegruppe 26.
Die elektrische Maschine 14 ist mit dem Eingang der zweiten Getriebegruppe 26 (bzw. dem Ausgang der ersten Getriebegruppe 24) verbunden. Die zweite Getriebegruppe 26 beinhaltet eine Mehrzahl von unterschiedlichen Übersetzungen, die jeweils alternativ in den Leistungsfluss schaltbar sind. Vorliegend weist die zweite Getriebegruppe 26 eine erste Übersetzung I und eine zweite Übersetzung II auf, wie bei 28 bzw. 30 gezeigt. Die erste Übersetzung 28 ist mittels einer ersten Schaltkupplung 32 der zweiten Getriebegruppe 26 in den Leistungsfluss schaltbar. Die zweite Übersetzung 30 ist mittels einer zweiten Schaltkupplung 34 der zweiten Getriebegruppe 26 in den Leistungsfluss schaltbar. Demzufolge kann die elektrische Maschine 14 das Kraftfahrzeug 11 bei geschalteter Schaltkupplung 32 über die erste Übersetzung 28 oder bei geschalteter Schaltkupplung 34 über die zweite Übersetzung 30 antreiben.
Die erste Getriebegruppe 24 beinhaltet eine erste Übersetzung 1/4 und eine zweite Übersetzung 2/5, wie bei 36 bzw. 38 gezeigt. Ferner kann die erste Getriebegruppe 24 eine Rückwärtsgang-Übersetzung R beinhalten, wie es in 1 bei 40 gestrichelt dargestellt ist. Wenn das Stufengetriebe 16 eine solche Rückwärtsgang-Übersetzung R beinhaltet, kann das Kraftfahrzeug 11 mittels des Verbrennungsmotors 12 rückwärts angetrieben werden. Wenn eine derartige Übersetzung 40 in der ersten Getriebegruppe 24 nicht enthalten ist, kann das Fahrzeug 11 ausschließlich mittels der elektrischen Maschine 14 in Rückwärtsrichtung angetrieben werden.
Der Übersetzung 36 für die Gangstufen 1/4 ist eine erste Schaltkupplung 42 der ersten Getriebegruppe 24 zugeordnet. Der Übersetzung 38 ist eine zweite Schaltkupplung 44 der ersten Getriebegruppe 24 zugeordnet. Der Rückwärtsgang-Übersetzung R ist gegebenenfalls eine dritte Schaltkupplung 46 der ersten Getriebegruppe 24 zugeordnet.
Ferner beinhaltet das Stufengetriebe 16 eine Übersetzung 3, wie bei 48 gezeigt, der eine weitere Schaltkupplung 50 zugeordnet ist. Die Übersetzung 48 umgeht dabei die zweite Getriebegruppe 26 und ist direkt mit einem Ausgang des Stufengetriebes 16 gekoppelt.
Das Stufengetriebe 16 weist folglich fünf Vorwärtsgangstufen und optional eine Rückwärtsgangstufe auf. Ein verbrennungsmotorischer Antrieb des Fahrzeuges kann in allen fünf Vorwärtsgangstufen eingerichtet werden. Für die erste Gangstufe werden dabei die Schaltkupplungen 42, 32 geschaltet bzw. geschlossen, für die zweite Gangstufe die Schaltkupplungen 44, 32. In der dritten Gangstufe ist nur die Schaltkupplung 50 geschaltet, und die Schaltkupplungen 32, 34 sind jeweils geöffnet.
In der vierten Gangstufe sind die Schaltkupplungen 42, 34 geschlossen. In der fünften Vorwärtsgangstufe sind die Schaltkupplungen 44, 34 geschlossen.
In der Rückwärtsgangstufe R sind die Schaltkupplung 46 und die Schaltkupplung 32 (oder 34) geschlossen.
Die Schaltkupplungen des Stufengetriebes 16 sind dabei als Klauenkupplungen, vorzugsweise jedoch als Synchron-Schaltkupplungen, insbesondere als Sperr-Synchron-Schaltkupplungen ausgebildet. Stufengetriebe mit derartigen Schaltkupplungen und nur einem einzelnen Getriebeeingang, der über eine einzelne Anfahrkupplung 22 mit einem Antriebsmotor wie dem Verbrennungsmotor 12 verbunden ist, ermöglichen in der Regel Gangwechsel nur mit einer Zugkraftunterbrechung.
Im vorliegenden Fall ist jedoch die elektrische Maschine 14 an dem Eingang der zweiten Getriebegruppe 26 angebunden. Demzufolge kann die elektrische Maschine bei Gangwechseln, bei denen die Anfahrkupplung 22 für das Durchführen eines Gangwechsels geöffnet wird und folglich keine Antriebsleistung von dem Verbrennungsmotor 12 zu dem Differential 18 übertragen werden kann, ein ”Füllmoment” bereitstellen, so dass Gangwechsel ohne Zugkraftunterbrechung durchgeführt werden können. Sofern keine Gangstufe vorgesehen ist, die die zweite Getriebegruppe 26 überbrückt (wie im vorliegenden Fall die Gangstufe 3), kann eine Zugkraftunterstützung mittels der elektrischen Maschine 14 nur für jene Gangwechsel nicht durchgeführt werden, bei denen die Übersetzung in der zweiten Getriebegruppe 26 umgeschaltet werden muss.
Um jedoch eine Zugkraftunterstützung bei allen Gangwechseln bereitzustellen, weist das Stufengetriebe 16 im vorliegenden Fall eine Vorwärtsgangstufe auf (Gangstufe 3), die unter Umgehung der zweiten Getriebegruppe 26 eingerichtet ist. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um die n + 1-te Vorwärtsgangstufe des Stufengetriebes, wenn n die Anzahl der in der ersten Getriebegruppe 24 einrichtbaren Übersetzungen ist. Im vorliegenden Fall ist n = 2 (36, 38), so dass die Umgehungs-Vorwärtsgangstufe die Gangstufe 3 ist.
Bei einem Gangwechsel von beispielsweise Gangstufe 2 nach Gangstufe 3 oder von Gangstufe 3 nach Gangstufe 4 ist es bei diesem Aufbau des Stufengetriebes 16 möglich, die elektrische Maschine 14 zur Bereitstellung von einem Zugkraftunterstützungsmoment heranzuziehen, wie nachstehend noch im Detail beschrieben werden wird.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsstranges schematisch dargestellt und generell mit 10' bezeichnet. Der Antriebsstrang 10' der 2 entspricht hinsichtlich der Funktionsweise generell dem in 1 gezeigten Antriebsstrang 10. Gleiche Elemente sind daher mit gleichen Bezugsziffern versehen. Der Antriebsstrang 10' stellt eine mögliche Realisierung des in 1 gezeigten Grundkonzeptes für einen derartigen Antriebsstrang dar. Im Folgenden werden daher im Wesentlichen konstruktive Details erläutert.
So ist das Stufengetriebe 16' in Vorgelegebauweise ausgeführt, ähnlich wie ein automatisiertes Stufengetriebe. Dabei sind den jeweiligen Übersetzungen bzw. Gangstufen 2/5, 1/4, R, 3 jeweils Radsätze zugeordnet, die wenigstens ein Losrad und ein Festrad aufweisen, wobei das Losrad bzw. Schaltrad mittels einer jeweiligen Schaltkupplung mit einer zugeordneten Welle verbindbar ist.
Im vorliegenden Fall ist ein Radsatz für die Rückwärtsgangstufe R vorgesehen. Zur einfachen Anbindung der elektrischen Maschine 14 an den Eingang der zweiten Getriebegruppe 26 ist eine Motorwelle 52 der elektrischen Maschine 14 mit einem Drehrichtungsumkehrrad 54 dieses Radsatzes fest verbunden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, für die Anbindung der elektrischen Maschine 14 an den Eingang der zweiten Getriebegruppe 26 einen eigenen Radsatz vorzusehen. Alternativ ist auch eine koaxiale Anordnung der elektrischen Maschine 14 zu einem Eingang der zweiten Getriebegruppe 26 möglich.
Das Stufengetriebe 16' weist im vorliegenden Fall eine Getriebeeingangswelle 56 auf, die mit einem Ausgangsglied der Anfahrkupplung 22 drehfest verbunden ist. Ferner weist das Stufengetriebe 16' eine hierzu parallele Vorgelegewelle 58 auf. Die Vorgelegewelle 58 bildet im vorliegenden Fall einen Eingang der zweiten Getriebegruppe 26. Daher könnte die elektrische Maschine 14 auch koaxial zu der Vorgelegewelle 58 angeordnet sein.
Das Stufengetriebe 16' weist eine erste Radsatzanordnung 60 für die Gangstufen 1/4 und eine zweite Radsatzanordnung 62 für die Gangstufen 2/5 auf. Die Radsatzanordnungen 60, 62 weisen jeweils ein an der Vorgelegewelle 58 drehbar gelagertes Losrad und ein drehfest mit der Getriebeeingangswelle 56 verbundenes Festrad auf. Zwischen den Losrädern der Radsatzanordnungen 60, 62 ist ein Schaltkupplungspaket mit der ersten und der zweiten Schaltkupplung 42, 44 der ersten Getriebegruppe 24 angeordnet.
Ferner beinhaltet das Stufengetriebe 16' eine dritte Radsatzanordnung 64 für die Rückwärtsgangstufe R. Diese Radsatzanordnung 64 beinhaltet ein drehbar an der Getriebeeingangswelle 56 gelagertes Losrad und ein mit der Vorgelegewelle 58 drehfest verbundenes Festrad sowie das Drehrichtungsumkehrrad 54.
Schließlich beinhaltet das Stufengetriebe 16' eine vierte Radsatzanordnung 66 und eine fünfte Radsatzanordnung 68. Die vierte Radsatzanordnung 66 beinhaltet ein drehbar an der Getriebeeingangswelle 56 gelagertes Losrad. Zwischen an der Getriebeeingangswelle 56 drehbar gelagerten Losrädern der Radsatzanordnungen 64, 66 ist ein Schaltkupplungspaket mit den Schaltkupplungen 46, 50 angeordnet.
Die vierte Radsatzanordnung 66 beinhaltet ferner ein drehbar an der Vorgelegewelle 58 gelagertes Losrad und ein drehfest mit einem Eingangsglied des Differentials 18 verbundenes Festrad. Die fünfte Radsatzanordnung 68 beinhaltet in entsprechender Weise ein drehbar an der Vorgelegewelle 58 gelagertes Losrad und ein drehfest mit dem Eingangsglied des Differentials 18 verbundenes Festrad. Zwischen den drehbar an der Vorgelegewelle 58 gelagerten Losrädern der Radsatzanordnungen 66, 68 ist ein drittes Schaltkupplungspaket mit den Schaltkupplungen 32, 34 angeordnet.
Die Funktionsweise des Antriebsstranges 10' der 2 entspricht jener des Antriebsstranges 10 der 1, wie oben beschrieben.
In 3 ist beispielhaft ein Zeitablaufdiagramm dargestellt, das den Gangwechsel von der Gangstufe 2 in die Gangstufe 3 in dem Antriebsstrang 10' der 2 darstellt.
Bis zu einem Zeitpunkt t₁ fährt das Fahrzeug 11 in der Gangstufe 2. Daher ist die Schaltkupplung 50 geöffnet, die Schaltkupplung 44 ist geschlossen, und die Schaltkupplung 32 ist ebenfalls geschlossen. Ferner ist die Anfahrkupplung 22 geschlossen, so dass Antriebsleistung von dem Verbrennungsmotor 12 über die Anfahrkupplung 22, die Übersetzung 38 und die Übersetzung 28 zu dem Differential 18 geleitet werden kann. Bis zu dem Zeitpunkt t₁ stellt die elektrische Maschine 14 zudem kein Drehmoment bereit.
Zum Zeitpunkt t₁ wird ein Gangwechsel in die Gangstufe 3 eingeleitet. Hierbei wird die Anfahrkupplung 22 geöffnet, was zum Zeitpunkt t₂ abgeschlossen ist. Um die hiermit einhergehende Zugkraftunterbrechung zu kompensieren, wird über die elektrische Maschine 14 ein Füllmoment bereitgestellt. Nachdem die Anfahrkupplung 22 zum Zeitpunkt t₂ geöffnet ist, wird zum Zeitpunkt t₃ die Schaltkupplung 44 geöffnet (in Neutral N geschaltet). Die elektrische Maschine 14 stellt weiterhin ein Füllmoment bereit, das über die Übersetzung 28 bei geschlossener Schaltkupplung 32 auf das Differential 18 übertragen wird.
Zum Zeitpunkt t₄ wird die Schaltkupplung 50 geschlossen, so dass das Ausgangsglied der Anfahrkupplung 22 über die Übersetzung 48 mit dem Differential 18 verbunden ist.
Zum Zeitpunkt t₅ wird begonnen, die Anfahrkupplung 22 wieder zu schließen, was zum Zeitpunkt t₆ erfolgt ist. Parallel hierzu wird das von der elektrischen Maschine 14 bereitgestellte Drehmoment zurückgefahren, so dass zum Zeitpunkt t₆ ausschließlich verbrennungsmotorische Antriebsleistung über die geschlossene Anfahrkupplung 22 und die Übersetzung 48 der Gangstufe 3 auf den Ausgang des Stufengetriebes 16 übertragen wird. Anschließend kann die Schaltkupplung 32 der ersten Übersetzung 28 der zweiten Getriebegruppe 26 geöffnet werden.
Aus diesem Zustand heraus ist es möglich, wieder in die Gangstufe 2 zurückzuschalten oder aber in die nachfolgende Gangstufe 4.
Diese Gangwechsel können ebenfalls mit Zugkraftunterbrechung durch die elektrische Maschine 14 durchgeführt werden.
Bei Gangwechseln, bei denen die zweite Getriebegruppe 26 nicht umgeschaltet werden muss (beispielsweise von 1 nach 2), erfolgt der Gangwechsel in der ersten Getriebegruppe 24 wie bei einem automatisierten Schaltgetriebe, indem die Anfahrkupplung 22 geöffnet wird. Anschließend wird bei einem Gangwechsel von 1 nach 2 die Schaltkupplung 42 geöffnet und anschließend die Schaltkupplung 44 geschlossen. In dem Zwischenzeitraum kann über die unveränderte Übersetzung 28 in der zweiten Getriebegruppe 26 zugkraftunterstützendes Drehmoment seitens der elektrischen Maschine 14 bereitgestellt werden.
Die Antriebsstränge 10, 10' der 1 und 2 weisen jeweils fünf Vorwärtsgangstufen und eine Rückwärtsgangstufe auf. In diesen Fällen kann ein Rückwärtsfahrbetrieb auch mittels des Verbrennungsmotors 12 eingerichtet werden.
Alternativ hierzu ist es möglich, die Rückwärtsgangstufe R bei diesen Antriebssträngen wegzulassen. In diesem Fall müsste die elektrische Maschine 14 über einen eigenen Radsatz mit der Vorgelegewelle 58 verbunden werden, oder koaxial zu dieser oder zu der Getriebeeingangswelle 56 angeordnet werden (im letzteren Fall dann verbunden mit der Vorgelegewelle 58 über einen weiteren Radsatz).
Wenn auf eine Rückwärtsgangstufe R verzichtet wird, kann ein Rückwärtsfahrbetrieb allein mittels der elektrischen Maschine 14 über die zweite Getriebegruppe 26 eingerichtet werden.
Ferner ist es möglich, die in 1 und 2 gezeigten Antriebsstränge 10, 10' um weitere Vorwärtsgangstufen zu erweitern. Hierbei sind an der Vorgelegewelle 58 und der Getriebeeingangswelle 56 weitere Radsätze vorzusehen. Falls eine Umgehungsgangstufe vorgesehen wird (wie die Umgehungsgangstufe 3 der 1 und 2), kann diese in Abhängigkeit von der Anzahl der Gangstufen in der ersten Getriebegruppe 24 verändert werden.
In 4 ist ein Beispiel eines Antriebsstranges 10' gezeigt, der sieben Vorwärtsgangstufen und keine Rückwärtsgangstufe aufweist.
Der grundsätzliche Aufbau ist ähnlich wie bei dem Antriebsstrang 10' der 2.
Anstelle des Radsatzes 64 für die Rückwärtsgangstufe R ist eine Radsatzanordnung 64' für die Gangstufen 3/7 vorgesehen. In diesem Fall ist der Umgehungsradsatz 66' für die Gangstufe 4 eingerichtet.
Zum Einlegen der Gangstufen 1 bis 3 wird in der zweiten Getriebegruppe 26 die erste Übersetzung I geschaltet. Zum Einrichten der Vorwärtsgangstufen 5, 6, 7 wird die zweite Übersetzung II in der zweiten Getriebegruppe 26 geschaltet. Als Umgehungsgangstufe ist die Gangstufe 4 vorgesehen, die in die Radsatzanordnung 66' integriert ist, ähnlich wie die Gangstufe 3 bei dem Antriebsstrang 10' der 2.
Bei dem Antriebsstrang 10'' ist die elektrische Maschine 14 mit ihrer Motorwelle mit einem Verbindungsrad 70 verbunden, das mit dem Losrad der dritten Radsatzanordnung 64' in Eingriff steht. Auch hierbei ist die elektrische Maschine 14 folglich antriebsverbunden mit der Vorgelegewelle 58'.
Es versteht sich, dass derartige Antriebsstränge auch mit acht oder neun oder mehr Vorwärtsgangstufen ausgebildet werden können. In diesem Fall ist gegebenenfalls die Anzahl der Schaltkupplungen und/oder der Radsatzanordnungen zu erhöhen. Die Ausführungsform der 4 hat den Vorteil, dass sieben Gangstufen mit nur drei Schaltkupplungspaketen (insgesamt sechs Schaltkupplungen) realisiert werden können.
Bei den oben beschriebenen Antriebssträngen sind auch Direktschaltungen mit Zugkraftunterstützung möglich, beispielsweise von Gangstufe 1 nach Gangstufe 3 oder von Gangstufe 2 nach Gangstufe 4.
Der Antriebsstrang der 2 ist insbesondere für eine Front-Quer-Anwendung ausgelegt. Generell kann das Grundprinzip des Antriebsstranges 10 der 1 jedoch auch auf Inline-Bauweise angewendet werden. In diesem Fall kann beispielsweise in an sich üblicher Weise ein Direktgang realisiert werden, bei dem eine Getriebeeingangswelle und eine Getriebeausgangswelle direkt miteinander verbunden werden. Die Umgehungsgangstufe kann in diesem Fall durch den Direktgang realisiert werden. Alternativ ist es möglich, die Direktgangstufe als eine der Vorwärtsgangstufen von einer der Getriebegruppen zu nutzen. Schließlich ist der Antriebsstrang auch für Transaxle-Längs-Bauweisen anwendbar, zum Beispiel in Form eines Inline-Getriebes mit eingebautem Winkeltrieb und Differential (als Sportwagenantrieb bei Heck- oder Mittelmotor).
Die Antriebsstränge können kostengünstig realisiert werden. Es ist nur eine aufwändige Reibkupplung in Form einer Anfahr- und Trennkupplung 22 vorzusehen. Ferner sind die Anzahl der Wellen und die Anzahl der Schaltkupplungen sehr gering. Dennoch kann die volle Funktionalität eines Hybrid-Antriebsstranges realisiert werden. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 14 zum Boosten verwendet werden. Auch ein Standladen eines elektrischen Energiespeichers ist möglich (beispielsweise bei geschlossener Schaltkupplung 46 in 1 oder 2, wobei die anderen Schaltkupplungen geöffnet sind).
Ferner ist es möglich, auf diese Weise den Verbrennungsmotor 12 mittels der elektrischen Maschine 14 anzulassen. Auch ein Generatorbetrieb zur Lastpunktanhebung ist realisierbar. Schließlich ist auch ein Rekuperationsbetrieb möglich, jedenfalls in jenen Gangstufen, die nicht als Umgehungsgangstufe ausgebildet sind.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die elektrische Maschine 14 jeweils fest mit dem Eingang der zweiten Getriebegruppe verbunden. Es ist jedoch alternativ auch denkbar, die elektrische Maschine 14 über eine Trennkupplung an den Eingang der zweiten Getriebegruppe anzubinden.
Die Radsatzanordnungen der oben beschriebenen Antriebsstränge sind jeweils als Stirnradsatzanordnungen realisiert. Alternativ können die Radsatzanordnungen jedoch auch in Planetenbauweise ausgeführt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19747265 A1 [0005]
DE 102005048938 A1 [0006]
EP 1972481 A1 [0007]
DE 19612690 C1 [0008]

Claims

Hybrid-Antriebsstrang (10) für ein Kraftfahrzeug (11), mit: – einem Verbrennungsmotor (12) zur Bereitstellung von verbrennungsmotorischer Antriebsleistung; – einem Stufengetriebe (16) mit einem Getriebeeingang und einem Getriebeausgang, wobei der Getriebeeingang mit dem Verbrennungsmotor (12) verbindbar ist und wobei das Stufengetriebe (16) dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von unterschiedlichen Vorwärtsgangstufen (1–5; 1–7) einzurichten; und – einer elektrischen Maschine (14) zur Bereitstellung von elektromotorischer Antriebsleistung; dadurch gekennzeichnet, dass das Stufengetriebe (16) ein Gruppengetriebe mit einer ersten Getriebegruppe (24) und einer nachgeschalteten zweiten Getriebegruppe (26) ist, wobei die elektrische Maschine (14) mit dem Eingang der zweiten Getriebegruppe (26) verbunden ist.
Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Vorwärtsgangstufe (3; 4) des Stufengetriebes (16) unter Umgehung der zweiten Getriebegruppe (26) eingerichtet ist.
Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vorwärtsgangstufe (3; 4), die die zweite Getriebegruppe (26) umgeht, die n + 1-te Vorwärtsgangstufe des Stufengetriebes (16) ist, wobei n die Anzahl der in der ersten Getriebegruppe (24) einrichtbaren Übersetzungen ist.
Hybrid-Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stufengetriebe (16) einen Getriebeeingang in Form einer Getriebeeingangswelle (56) und eine Vorgelegewelle (58) aufweist.
Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Getriebegruppe (24) erste Radsatzanordnungen (60, 62) aufweist, die dazu ausgelegt sind, die Getriebeeingangswelle (56) und die Vorgelegewelle (58) zu verbinden.
Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Getriebegruppe (26) zweite Radsatzanordnungen (66, 68) aufweist, die dazu ausgelegt sind, die Vorgelegewelle (58) mit einem Differential (18) zur Verteilung von Antriebsleistung auf zwei Antriebswellen (20L, 20R) zu verbinden.
Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder die zweiten Radsatzanordnungen (60, 62; 66, 68) jeweils eine Schaltkupplung (42, 44; 28, 30) aufweisen.
Hybrid-Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (14) mit der Vorgelegewelle (58) verbunden ist.
Hybrid-Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (12) über eine Anfahrkupplung (22) mit dem Getriebeeingang verbunden ist.
Kraftfahrzeug (11) mit einem Hybrid-Antriebsstrang (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zum Durchführen eines Gangstufenwechsels in einem Hybrid-Antriebsstrang (10), insbesondere in einem Hybrid-Antriebsstrang (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Schritten: – Öffnen einer Trennkupplung (22) eines Getriebes, das eine erste und eine nachgeschaltete zweite Getriebegruppe (24, 26) aufweist; Bereitstellen von Zugkraft mittels einer elektrischen Maschine (14), die mit einem Eingang der zweiten Getriebegruppe (26) verbunden ist; – Auslegen einer Quellgangstufe (2), die durch die erste und die nachgeschaltete zweite Getriebegruppe (24, 26) eingerichtet ist, indem eine Schaltkupplung (44) der ersten Getriebegruppe (24) geöffnet wird; und – Einlegen einer Zielgangstufe (3).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Zielgangstufe (3) die zweite Getriebegruppe (26) umgeht.