Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug Beschreibung

Hintergrund der Erfindung

Die gegenwärtige Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug. Im Besonderen umfasst das Antriebssystem eine erste Achse und eine zweite Achse mit jeweils mindestens zwei Rädern und mit einer der ersten Achse und zweiten Achse zugeordneten ersten Antriebseinrichtung und einer der zweiten Achse zugeordneten zweiten Antriebseinrichtung. Gebiet der Erfindung

In der Fahrzeugtechnik werden zunehmend Allradantriebe eingesetzt, um die Fahrdynamik zu steuern und zu verbessern. Dabei gehen die Forderungen neben einer möglichst variablen Verteilung des zur Verfügung stehenden An- triebsmomentes zwischen den anzutreibenden Achsen, d.h. zwischen Vorder- und Hinterachse, auch in Richtung einer variablen Verteilung des Antriebsmomentes zwischen linken und rechten Antriebsrädern. Wird beispielsweise ein linkes Rad stärker als ein rechtes Rad angetrieben, entsteht ein Giermoment um die Hochachse des Fahrzeuges, welches das Fahrzeug nach rechts bewegt und entsprechend umgekehrt. Damit kann eine Über- oder Untersteuertendenz erzeugt werden. Dieser Effekt wird auch als so genanntes„Torque Vectoring" oder„Active Yaw" bezeichnet.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2005 026 874 A1 offenbart eine Vor- richtung zum Antrieb eines Fahrzeuges in dem über einen Fahrzeugmotor eine variable Verteilung des Antriebs zwischen einer Vorderachse und einer Hinterachse regulierbar ist. Durch eine Kopplung zweier Elektromotoren mittels dreier Kupplungen ist eine variable Verteilung zwischen den linken und den rechten Antriebsrädern möglich.

Weiterhin sind in der modernen Antriebstechnik spezielle elektrische Einrich- tungen zum Verteilen eines Antriebsmomentes auf wenigstens zwei Antriebswellen einer Fahrzeugachse bekannt, die ein gezieltes Über- oder Untersteuern, erhöhten Steuer- und Regelaufwand sowie hohe thermische Belastungen für die variable Betätigung reibschlüssiger Kupplungen umgehen. Eine solche Einrichtung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 028 790 A1 bekannt. Hier wird ein Achsgetriebe eines entweder heckgetriebenen oder allradangetriebenen Fahrzeugs beschrieben, das ein von einem Hauptantrieb über den Differenzialkorb angetriebenes Differenzial an einer Achse mit zwei angetriebenen Rädern umfasst. Es ist davon auszugehen, dass der Hauptantrieb der Antriebsstrang vom Verbrennungsmotor sein kann. Zwei Elektromotoren sind jeweils einer Abtriebswelle zugeordnet. Die jeweilige Abtriebswelle ist mit einem Element des Differenzials verbunden. Zweck ist eine Anordnung zur Momentenverteilung auf die Abtriebswellen, die Momentenverschiebungen, insbesondere der Quermomente ermöglicht und die zum Boosten und Rekuperieren einsetzbar ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist, ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug anzugeben, das ein multifunktionales Achsgetriebe für den Einsatz in Fahrzeugen mit Momentenverteilung aufweist, welches kostengünstiger ist. Die Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug gelöst, das die Merkmale im Anspruch 1 umfasst.

Ein Antriebssystem, wie es gemäß der Erfindung für ein Kraftfahrzeug verwen- det wird, verfügt über eine angetriebene erste Achse und eine angetriebene zweite Achse. Vorzugsweise weisen sowohl die erste als auch die zweite Achse jeweils zwei Räder auf. Es ist auch denkbar, dass mehrere Räder auf jeweils einer Achse vorgesehen werden. Auf die erste Achse wirkt eine zugeordnete erste Antriebseinrichtung ein, die auch zum Antrieb der zweiten Achse wahlweise zu bzw. abschaltbar ist. Die zweite Antriebseinrichtung weist nur einen einzigen Elektromotor für einen wahlweisen Antrieb beider Räder der zweiten Achse auf. Wahlweiser Antrieb heißt, dass der Elektromotor abgeschaltet werden kann und die zweite Achse nur durch die erste Antriebseinrichtung angetrieben wird. Wahlweise heißt weiter, dass der erste Antrieb antreibt und der Elektromotor zum Torque-Vectoring zugeschaltet ist. Wahlweise heißt auch, dass der Elektromotor zum Boosten des Leistungseintrags der ebenfalls zugeschalteten ersten Antriebseinheit hinzugezogen wird. Wahlweise heißt auch, dass nur der Elektromotor zum Antrei- ben des gesamten Fahrzeugs genutzt wird. Die erste Antriebseinheit ist von der ersten Achse und der zweiten Achse getrennt. Wahlweise heißt auch, dass der Elektromotor in den Generatorbetrieb versetzbar ist, wobei die erste Antriebseinheit wahlweise das Fahrzeug antreibt oder nicht. Die erfindungsgemäße Anordnung ist demnach zur Momentenverteilung, für Momentenverschiebungen, insbesondere der Quermomente, zum Boosten und Rekuperieren sowie als rein elektrischer Antrieb einsetzbar. Mit einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die erste Antriebseinrichtung mit einem Verbrennungsmotor versehen ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die erste Antriebseinrichtung mit einem Elektromotor versehen sein. Ebenso ist es denkbar, dass bei einer weiteren Ausführungs- form der Erfindung die erste Antriebseinrichtung mit einem Verbrennungsmotor und mit einem Elektromotor versehen ist.

Analog zu der ersten Achse wirkt auf die zweite Achse eine zugeordnete zweite Antriebseinrichtung mit dem Elektromotor ein, wobei die erste Antriebseinrich- tung mit der zweiten Antriebseinrichtung mechanisch koppelbar ist.

Die zweite Antriebseinrichtung weist neben dem einzigen Elektromotor zum Antrieb der Räder der zweiten Achse eine getriebliche Verbindung zwischen der ersten Antriebseinheit, dem Elektromotor und den Rädern auf. Die getriebliche Verbindung ist beispielsweise ein Differenzial. Weiterhin, vorzugsweise jedoch zugleich, kann in der getrieblichen Verbindung ein Torque Vecto- ring Getriebe ausgebildet sein. Die getriebliche Verbindung ist vorzugsweise durch wenigstens zwei oder mehr miteinander gekoppelte Planetentriebe gebildet.

Die erste Antriebseinrichtung des Antriebssystems einen Verbrennungsund/oder Elektromotor auf, wobei eine gekoppelte, schaltbare erste Kupplung zwischen dem Verbrennungs- und/oder Elektromotor und einem Wechselgetriebe mit mehreren schaltbaren Übersetzungen angeordnet sein kann.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass das Wechselgetriebe wahlweise ein handgeschaltetes, herkömmliches Getriebe, ein an sich bekanntes Automatikgetriebe, ein automatisiert geschaltetes Getriebe oder dergleichen sein kann. Grundsätzlich ist mit der verwendeten Bezeichnung„Wechselgetriebe" jede Art von drehzahl- und drehmomentanpassender Übersetzungsstufe zur Reduzierung der relativ hohen Drehzahlen des Verbrennungs- und/oder Elektromotors und zur Erhöhung des Antriebsmomentes umfasst. Ferner ist der ersten Antriebseinrichtung ein mit dem Wechselgetriebe gekoppeltes erstes Differenzial der ersten Achse zugeordnet und steht mit den mindestens zwei Rädern der ersten Achse in Wirkzusammenhang. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zweite Antriebseinrichtung ein zweites Differenzial und ist mit dem ersten Differenzial der ersten Antriebseinheit über eine Kardanwelle mechanisch gekoppelt bzw. koppelbar.

Wie bereits oben beschrieben, weist die zweite Antriebseinrichtung des An- triebssystems eines Kraftfahrzeuges ein zweites Differenzial sowie einen einzigen Elektromotor auf, wobei zwischen dem zweiten Differenzial und dem Elektromotor ein Torque Vectoring Getriebe und eine schaltbare zweite Kupplung angeordnet ist, die mit den Rädern der zweiten Achse in Wirkzusammenhang steht.

Das Torque Vectoring Getriebe verhält sich bei einer Geradeausfahrt wie ein herkömmliches offenes Differenzial und ist erst mittels der schaltbaren zweiten Kupplung aktivierbar. Die schaltbare zweite Kupplung ist wie die erste Kupplung beispielsweise durch eine Mehrscheiben- und/oder Lamellenkupplung gebildet.

Ferner umfasst die zweite Antriebseinrichtung eine zur zweiten Achse parallele Welle, die über eine erste Stirnradstufe und eine zweite Stirnradstufe jeweils mit der zweiten Achse des Fahrzeugs gekoppelt sind. Durch diese vorteilhafte Bauweise können zusätzliche Drehmomente ins zweite Differenzial durch verschiedenste Ansteuermöglichkeiten geleitet werden.

Auf eine detaillierte Beschreibung der Ansteuermöglichkeiten des erfindungsgemäßen Antriebssystems wird an dieser Stelle verzichtet. Die unterschiedli- chen Ausführungsbeispiele der Ansteuerung werden genauer in der dafür vorgesehenen Figurenbeschreibung erläutert, die alle für die Erfindung wesentlichen Betriebsarten und Steuerungsvarianten im Detail verdeutlicht. Der Vorteil dieser Erfindung liegt darin, dass insbesondere in allradgetriebenen Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor durch Zuschalten des Elektromotors an der zweiten Achse (vorzugsweise die Hinterachse des Fahrzeugs) mehr Leistung eingebracht werden kann (Boosten) oder der Verbrennungsmotor mit weniger Leistung betrieben und damit Kraftstoff gespart und die Laufzeit ohne zu Tanken verlängert werden kann, durch Antrieb nur mit dem Elektromotor Kraftstoff gespart werden kann und Antrieb des Elektromotors als Generator Energie zurück gewonnen werden kann. Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist in gegen fertige Antriebskonzepte austauschbar und gegenüber dem Antriebskonzepten des Standes der Technik auch nur mit elektrischen Antrieb über einen Elektromotor antreibbar ist. Durch Verwendung nur eines Elektromotors wird die Anordnung leichter, insbesondere dann, wenn die getriebliche Verbindung durch Planetenstufen gebildet ist. Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden sollen die Erfindung anhand der beigefügten Figuren erläutert werden. Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht der Anordnung des erfindungsgemäßen Antriebssystems in einem Kraftfahrzeug;

Figur 2 eine schematische Ansicht der zweiten Antriebseinrichtung des erfindungsgemäßen Antriebssystems;

Figur 3 eine Steuerungsmöglichkeit der zweiten Antriebseinrichtung des erfindungsgemäßen Antriebssystems; und

Figur 4 bis Figur 7 weitere Steuerungsmöglichkeiten der zweiten Antriebsein- richtung des erfindungsgemäßen Antriebssystems.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszei- chen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie das erfindungsgemäße Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug ausgestaltet sein kann und stellen keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.

Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung des erfindungsgemäßen Antriebssys- tems 2 in einem Kraftfahrzeug 1 . In der gezeigten Ausprägung umfasst das Antriebssystem 2 eine erste Achse 20 und eine zweite Achse 40, wobei jeweils der ersten Achse 20 und der zweiten Achse 40 zwei Räder 3 zugeordnet sind. Auf der ersten Achse 20 ist ein mit dem Wechselgetriebe 23 gekoppeltes erstes Differenzial 22 angeordnet und steht mit den zwei Rädern 3 der ersten Achse 20 in Wirkzusammenhang. Zwischen dem Wechselgetriebe 23 und dem Verbrennungs- und/oder Elektromotor 21 ist eine schaltbare erste Kupplung 24 vorgesehen. Ein Kraftstofftank 28 ist an beliebiger Stelle im Fahrzeug 1 angeordnet.

Das erste Differenzial 22 ist auf der ersten Achse 20 angeordnet und ein zweites Differenzial 42 ist auf der zweiten Achse 40 angeordnet. Beide Differenziale 22, 42 sind über eine Gelenkwelle 4 und eine Hypoidstufe 45 mechanisch gekoppelt bzw. koppelbar. Zwischen dem zweiten Differenzial 42 und einem angeordneten Elektromotor 41 ist ein Torque Vectoring Getriebe 43 und eine schaltbare zweite Kupplung 44 vorgesehen, die mit den Rädern 3 der zweiten Achse 40 in Wirkzusammenhang stehen. Aufgrund der bereits dargelegten Anordnung des Antriebssystems 2 ist auch eine Rekuperation möglich. Erfolgt eine solche Rekuperation, so ist zwischen dem Elektromotor 41 und einer beliebig angeordneten Batterie 50 ein Umrichter 49 dem Antriebssystem 2 des Fahrzeuges 1 zugeordnet. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass konstruktiv auch mehr als zwei Räder auf der ersten Achse 20 und der zweiten Achse 40 denkbar sind. Allen möglichen Lösungen ist jedoch das in Figur 1 dargestellte Grundprinzip gemeinsam. Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht der zweiten Antriebseinrichtung 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47 des erfindungsgemäßen Antriebssystems 2 aus einer getrieblichen Verbindung und dem Elektromotor 41 . Der Elektromotor 41 ist über eine erste Stirnradstufe 47 mit einer Welle 46 über eine zweite Stirnrad- stufe 48 mit einem zweiten Differenzial 42 getrieblich verbunden. Die in Figur 2 dargestellten Stirnradstufen 47, 48 stellen lediglich eine mögliche Ausführungsform von Getriebestufen dar. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass bei der Erfindung auch andere Getriebestufen einsetzbar sind. Über das zweite Differenzial 42 werden die entsprechenden Drehmomente auf die zweite Achse 40 übertragen. Ferner ist der Elektromotor 41 mit einer schaltbaren zweiten Kupplung 44 verbunden, so dass unterschiedliche Übersetzungen bereitgestellt werden können, wie„N" für„Neutral",„ED" für„Electric Drive" und„TV" für „Torque Vectoring", so dass bei unterschiedlichen Steuerungsmöglichkeiten entweder der Elektromotor 41 aktiv oder inaktiv und die Stufe (nicht dargestellt) des Torque Vectoring Getriebes 43 aktiv oder inaktiv ist. Das mit dem Torque Vectoring Getriebe 43 gekoppelte zweite Differenzial 42 ist entweder über den aktivierten Elektromotor 41 oder über den Verbrennungs- und/oder Elektromotor 21 (nicht dargestellt) in Verbindung mit der Hypoidstufe 45 angetrieben. Figur 3 zeigt eine erste Steuerungsmöglichkeit der zweiten Antriebseinrichtung 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47 des erfindungsgemäßen Antriebssystems 2. Der Antrieb der zweiten Achse 40 erfolgt lediglich vom Verbrennungs- und/oder Elektromotor 21 (nicht darge-stellt). Die zweite Kupplung 44 zwischen dem Elektromotor 41 und dem Torque Vectoring Getriebe 43 steht auf„N". Der Elektromo- tor 41 ist inaktiv und steht still. Die Stufe (nicht dargestellt) des Torque Vectoring Getriebes 43 rotiert kraftlos um die zweite Achse 2 sowie die erste als auch zweite Stirnradstufe 47, 48 rotieren kraftlos um die Welle 46. Das zweite Differenzial 42 wird lediglich vom Verbrennungs- und/oder Elektromotor 21 in Verbindung mit der zur mechanischen Kopplung vorgeschalteten Hypoidstufe 45 des zweiten Differenzials 42 über die Gelenkwelle 4 (nicht dargestellt) angetrieben. Figur 4 zeigt eine zweite Steuerungsmöglichkeit der zweiten Antriebseinrichtung 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47 des erfindungsgemäßen Antriebssystems 2. Der Antrieb der zweiten Achse 40 erfolgt vom Verbrennungs- und/oder Elektromotor 21 , wie bereits in Figur 3 beschrieben, über das zweite Differenzial 42 und mit aktiviertem Torque Vectoring Getriebe 43. Die zweite Kupplung 44 zwischen dem Elektromotor 41 und dem Torque Vectoring Getriebe 43 steht auf „TV". Der Elektromotor 41 ist aktiv und verteilt im zweiten Differenzial 42 über die Stufe des Torque Vectoring Getriebes 43 radindividuell die Drehmomente zwischen den mindestens zwei Rädern 3 (nicht dargestellt) der zweiten Achse 40. Idealerweise bis zu den Verhältnissen 0:100 % und 100:0 %. Die erste und zweite Stirnradstufe 47, 48 rotieren kraftlos um die Welle 46.

Figur 5 zeigt eine weitere Steuerungsmöglichkeit der zweiten Antriebseinrichtung 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47 des erfindungsgemäßen Antriebssystems 2. Der Antrieb der zweiten Achse 40 erfolgt vom Verbrennungs- und/oder Elektromotor 21 , wie bereits in Figur 3 beschrieben, über das zweite Differenzial 42 mit „elektrischen Boosting", d. h. in Kombination mit dem Elektromotor 41 . Die zweite Kupplung 44 zwischen dem Elek-tromotor 41 und dem Torque Vectoring Getriebe 43 steht auf „ED". Der Elektromotor 41 ist aktiv und leitet über die vorgelagerte erste Stirnradstufe 47 mit der Welle 46 über die zweite Stirnradstufe 48 ein zusätzliches Drehmoment in das zweite Differenzial 42 ein. Die Stufe des Torque Vectoring Getriebes 43 ist dabei inaktiv und rotiert kraftlos um die zweite Achse 40. Figur 6 zeigt eine vierte Steuerungsmöglichkeit der zweiten Antriebseinrichtung 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47 des erfindungsgemäßen Antriebssystems 2. Der Antrieb der zweiten Achse 40 erfolgt nur vom aktivierten Elektromotor 41 , d. h. ein rein elektrisches Fahren des Fahrzeugs 1 (nicht dargestellt) ist mit dem Antriebssystem 2 möglich. Die Steuerung erfolgt analog Figur 5, lediglich mit inaktiven Verbrennungs- und/oder Elektromotor 21 .

Figur 7 zeigt eine weitere Steuerungsmöglichkeit der zweiten Antriebseinrichtung 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47 des erfindungsgemäßen Antriebssystems 2. Der Antrieb der zweiten Achse 40 erfolgt vom Verbrennungs- und/oder Elektromotor 21 , wie bereits in Figur 3 beschrieben, über das zweite Differenzial 42 einschließlich eines Rekuperationsvorgangs, da beim regenerativen Bremsen während einem Bremsvorgang beim Verzögern oder Bergabfahren kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese gewonnene elektrische Energie wird in der Batterie 50 (nicht dargestellt) gespeichert. Der Umrichter 49 (nicht dargestellt) steuert den Elektromotor 41 dann so, dass dieser als Generator wirkt und die Batterie 50 auflädt. Somit treibt der Verbrennungsund/oder Elektromotor 21 sowohl das zweite Differenzial 42 als auch den über die vorgelagerte erste Stirnradstufe 47 mit der Welle 46 über die zweite Stirnradstufe 48 gekoppelten Generator an.

Die gegenwärtige Erfindung ist in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden. Dennoch können Änderungen und Abwandlungen der hier vorgeschlagenen Gestaltungen des Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug durchgeführt werden, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste

Kraftfahrzeug

Antriebssystem

Räder

Gelenkwelle

erste Achse

Verbrennungs- und/oder Elektromotor erstes Differenzial

Wechselgetriebe

erste Kupplung

Kraftstofftank

zweite Achse

Elektromotor

zweites Differenzial

Torque Vectoring Getriebe

zweite Kupplung

Hypoidstufe

Welle

erste Stirnradstufe

zweite Stirnradstufe

Umrichter

Batterie