DE10043510A1

DE10043510A1 - Stufenloses Automatikgetriebe für Fahrzeuge

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Publication number: DE10043510A1
Application number: DE10043510A
Authority: DE
Inventors: Peter Tenberge
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2002-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Automatikgetriebe (1) für Fahrzeuge, bestehend aus einer mit dem Verbrennungsmotor verbindbaren Antriebswelle (2), einer mit einer Fahrzeugachse verbindbaren Abtriebswelle (3) sowie einem Überlagerungs/Schaltgetriebe (4) mit mehreren Getriebestufen (5) und mehreren Schaltelementen (6), wobei einzelne Glieder der Getriebestufen untereinander, mit der Antriebswelle, mit der Abtriebswelle oder mit einem Getriebegehäuse (7) verbunden oder mittels der Schaltelemente zur Schaltung von mindestens fünf, vorzugsweise sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang mit verschiedenen festen Übersetzungen zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle verbindbar sind. Das Überlagerungs/Schaltgetriebe (4) weist eine Regelwelle (8) auf, die mit einer elektrischen oder hydraulischen Maschine (9) und über deren Leistungssteuerung (32) auch mit einem elektrischen oder hydraulischen Energiespeicher (33) verbindbar ist. Die Regel-Maschine (9) auf der Regelwelle (8) erlaubt zusätzlich zum gestuften Fahrbetrieb einen komfortablen Start/Stopp-Betrieb und sie kann die Funktion des Bordnetzgenerators übernehmen. In Verbindung mit einem ausreichend großen Energiespeicher lässt sich mit ihr Bremsenergie rekuperieren, und sie kann für eine stufenlose Übersetzungsänderung genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Automatikgetriebe für Fahrzeuge, bestehend aus einer mit dem Verbrennungsmotor verbindbaren Antriebswelle, einer mit einer Fahrzeugachse verbind baren Abtriebswelle sowie einem Überlagerungs/Schaltgetriebe mit mehreren Getriebestufen und mehreren Schaltelementen, wobei einzelne Glieder der Getriebestufen untereinander, mit der Antriebswelle, mit der Abtriebswelle oder mit einem Getriebegehäuse verbunden oder mittels der Schaltelemente zur Schaltung von mindestens fünf, vorzugsweise sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang mit verschiedenen festen Übersetzungen zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle verbindbar sind.

Solche Getriebe sind unter anderem aus dem US-Patent 5,106,352 bekannt. In vielen Figuren sind dort Automatikgetriebe nach diesem Oberbegriff dargestellt. Sie beinhalten ein Über lagerungs/Schaltgetriebe bestehend aus Stirnradstufen und/oder Planetenradstufen und S Schalt elementen, mit denen sich sechs Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang in für Fahrzeug anwendungen sehr geeigneten Abstufungen schalten lassen. Für das komfortable Anfahren in einem Fahrzeug mit so einem Getriebe ist ein hydrodynamischer Drehmomentwandler vorgesehen. Wegen der geringen Zahl an Schaltelementen baut dieses Getriebe äußerst kompakt und erreicht so eine hohe Leistungs- und Drehmomentenkapazität bei hohem Wirkungsgrad.

Um den Fahrkomfort weiter zu steigern und um den Kraftstoff-Verbrauch noch weiter zu reduzieren, ist in Fahrzeuganwendungen eine stufenlose Übersetzungsverstellung in einem großen Übersetzungsbereich wünschenswert. Darüber hinaus wird angestrebt, den Verbren nungsmotor immer dann in seinem Eigenleistungsbedarf zu reduzieren oder ganz abzuschalten, wenn er keine Leistung ans Fahrzeug abgibt oder wenn das Fahrzeug steht, ihn bei Bedarf aber schnell und komfortabel zu starten und in den gewünschten Betriebspunkt zu fahren. Außerdem möchte man in bestimmten Verkehrssituationen emissionsfrei fahren, das heißt ohne den Betrieb einer Brennkraftmaschine. Ein weiteres Potenzial zur Verbrauchsreduzierung bietet die Rekupe ration zumindest eines Teiles der kinetischen Energie des Fahrzeugs beim Bremsen. Dies alles geht mit diesen Getrieben nach dem Stand der Technik nicht.

Aus der Offenlegungsschrift DE 199 09 424 A1 ist ein Hybridgetriebe für Fahrzeuge bekannt, das auch ein Überlagerungs/Schaltgetriebe nach dem Oberbegriff beinhaltet. Mit den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltelementen sind dort 3 Gänge mit festen Übersetzungen schaltbar. Durch weitere Schaltelemente und weitere Getriebestufen ließe sich die Zahl der festen Gänge zu Lasten von Gewicht, Bauraum und Kosten auch weiter erhöhen. Kerngedanke dieser und ähnlicher Hybridgetriebe ist die stufenlose Kopplung zweier Wellen des Überlagerungs/Schaltgetriebes über ein stufenloses Stellgetriebe mit angeschlossenem Energiespeicher mit dem Ziel, eine Start/Stopp- Funktionalität, einen emissionsfreien Fahrbetrieb ohne Einsatz des Verbrennungsmotors und eine Rekuperationsmöglichkeit zu erhalten. Das alles soll mit einem möglichst einfachen Überlagerungs/ Schaltgetriebe erreicht werden, um den Gesamtaufwand und den Bauraum für so ein leistungs verzweigtes Getriebe mit stufenlosem Stellgetriebe wettbewerbsfähig niedrig zu halten.

Elektrische Varianten solcher Stellgetriebe bestehen aus zwei E-Maschinen, hydrostatische Varianten aus zwei Verdrängermaschinen. Im stufenlosen Fahrbetrieb arbeitet eine dieser Maschinen als Generator bzw. als Pumpe und die andere als getriebener Motor. Damit kann die Belastung des Energiespeichers im System klein gehalten werden.

Es sind auch andere Hybridgetriebe-Konzepte mit stufenlos regelbaren elektrischen oder hydrostatischen Stellgetrieben und Energiespeichern in Kombination mit Überlagerungs/Schalt getrieben bekannt, die jedoch von vielen Fahrzeugherstellern bei den heute verfügbaren Technologien für Fahrzeuganwendungen als zu aufwendig und zu teuer angesehen werden.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, in eine sehr gute Automatikgetriebestruktur mit mindestens 5, möglichst aber 6 Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang, einen sehr einfachen Nebenantrieb zu integrieren, der zusätzlich zum gestuften Fahrbetrieb eine stufenlose Übersetzungseinstellung zwischen Hauptantrieb und Abtrieb, einen emissionsfreien Fahrbetrieb, einen komfortablen Start/Stoppbetrieb und Bremsenergierekuperation ermöglicht. Um zumindest einen Teil des Aufwandes für diesen Nebenantrieb zu kompensieren, soll er den hydrodyna mischen Drehmomentwandler ersetzen und dessen Funktionen zum komfortablen Anfahren eines Fahrzeugs und zum Dämpfen von Drehmomentstößen bei den Gangwechseln übernehmen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass das Überlagerungs/Schaltgetriebe eine Regelwelle aufweist, die mit einer elektrischen Maschine und über deren Leistungssteuerung auch mit einem elektrischen Energiespeicher verbindbar ist. Durch den drehzahlvariablen Eingriff von diesem Nebenantrieb, bestehend aus elektrischem Speicher, Leistungssteuerung und elektrischer Maschine, auf die Regelwelle hat dieses Getriebe nicht nur mehrere Gänge mit festen Übersetzungen, sondern mehrere Fahrbereiche mit stufenlos veränderlicher Übersetzung. Über diesen Nebenantrieb lässt sich der Verbrennungsmotor auch komfortabler als mit einem bekannten Anlasser starten. Außerdem lässt sich beim Bremsen über den Nebenantrieb kinetische Energie in elektrische Energie wandeln und speichern. Alternativ zu einem elektrischen Nebenantrieb kann auch ein hydraulischer Nebenantrieb eingesetzt werden, der aus einer hydraulischen Maschine, einer hydraulischen Leistungssteuerung und einem hydraulischen Speicher besteht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet das Überlagerungs/Schaltgetriebe ein Koppelgetriebe mit mindestens einer Koppelwelle, wobei eine weitere Welle dieses Koppel getriebes mit der Antriebswelle und eine andere Welle dieses Koppelgetriebes mit der Regelwelle verbunden ist. Durch die Überlagerung der Antriebsdrehzahl mit der Drehzahl der Regelwelle im Koppelgetriebe erhält man mindestens eine stufenlos regelbare Koppelwelle, die mittels weiterer Stufen in verschiedenen Fahrbereichen mit dem Abtrieb verbunden werden können. Aus diskreten Gängen weiden so stufenlos regelbare Fahrbereiche. Die enge Stufung der festen Gänge führt dazu, dass in den einzelnen Fahrbereichen nur kleine Stellbereiche und damit auch nur kleine Stellleistungen nötig sind, um den gesamten für den Fahrzeugbetrieb erforderlichen Übersetzungsbereich zu durchfahren.

Nach Anspruch 3 weist das Automatikgetriebe eine Bremse BE auf, mit der die Regelwelle mit dem Getriebegehäuse verbindbar ist. Durch die Bremse BE wird die Regelwelle stillgesetzt. Drehmomente an der Regelwelle stützen sich am Getriebegehäuse ab. Der Nebenantrieb wird so vollständig entlastet. In diesen Betriebszuständen übertrifft der Wirkungsgrad des neuen Automatikgetriebes die Werte von Automatikgetrieben mit hydrodynamischem Wandler, weil die Schleppverluste des Wandlers im erfindungsgemäßen Getriebe fehlen. Die Bremse BE kann den Nebenantrieb auch bei allen Verstellungen unterstützen, bei denen sich die Drehzahl der Regelwelle in Richtung Stillstand verändert.

Nach Anspruch 4 ist das Überlagerungs/Schaltgetriebe so aufgebaut, dass die Bremse BE (10) bei allen Betätigungskombinationen der Schaltelemente für die im Oberbegriff definierten Gänge geschlossen sein kann. Dadurch wird erreicht, dass in den festen Gängen die E-Maschine steht und der stufenlose Nebenantrieb keine Leistung überträgt. Wenn Bremse BE10 dann noch geschlossen ist, ist der Nebenantrieb sogar komplett entlastet. Dies reduziert dessen Einschaltdauer im Vergleich zur gesamten Betriebszeit des Getriebes und lässt so eine besonders klein bauende Auslegung zu. Außerdem erreicht man dadurch, dass die festen Gänge ungefähr in der Mitte der einzelnen Fahrbereiche liegen und dass jeder Fahrbereich einen Teilbereich mit motorischem und einen mit generatorischem E-Maschinenbetrieb aufweist. Dadurch und durch die kleinen Steilbereiche der einzelnen Fahrbereiche kann im stufenlosen Fahrbetrieb die Belastung des Energiespeichers sehr gering gehalten werden.

Die Ansprüche 5 und 7 beschreiben den konkreten Aufbau des Überlagerungs/Schaltgetriebes.

Nach Anspruch 5 ist das Koppelgetriebe ein dreiwelliges Planetengetriebe mit einem Sonnenrad R, einem Hohlrad A und einem Steg D mit Planetenrädern, von denen das Sonnenrad R mit der Regelwelle, das Hohlrad A mit der Antriebswelle an und der Steg D mit der Koppelwelle K verbunden ist. Durch diesen Koppelgetriebeaufbau erhält man eine hohe Drehmomentsteigerung von der Regelwelle zur Koppelwelle. Außerdem erhält man dadurch eine Reduzierung des Stellbereiches von nA/nD gegenüber dem dafür nötigen Stellbereich von nA/nE. Dies ist hier sinnvoll, weil in Verbindung mit mindestens 5 Gängen/Fahrbereichen schon kleine Stellbereiche von nA/nD für einen Gesamtstellbereich des Getriebes von ca. ϕ = 6 ausreicht. Je kleiner der Stellbereich von nA/nD ist, desto kleiner wird die Belastung des Nebenantriebs an der Regelwelle.

Nach Anspruch 6 beinhaltet das Überlagerungs/Schaltgetriebe auch ein vierwelliges Planetengetriebe mit zwei Sonnenrädern B und C, einem Steg S mit mehreren Sätzen miteinander kämmender Planeten PB und PC und einem Hohlrad F, wobei das Sonnenrad B mit den Planeten PB und das Sonnenrad C sowie das Hohlrad F mit den Planeten PC kämmen. Nach Anspruch 7 weist das Getriebe im Überlagerungs/Schaltgetriebe 5 Schaltelemente, drei Kupplungen K1, K2, K3 und zwei Bremsen B1, B2 auf wobei die Kupplungen K1 und K3 die Sonnenräder B, C mit der Koppelwelle K verbinden können, wobei die Bremse B2 das Sonnenrad C mit dem Getriebegehäuse verbinden kann, wobei die Bremse B1 den Steg S mit dem Getriebegehäuse und die Kupplung K2 den Steg S mit der Antriebswelle verbinden kann und wobei das Hohlrad F mit der Abtriebswelle verbunden ist. Insgesamt erlaubt dieser Aufbau des Überlagerungsschaltgetriebes die Schaltung vieler Gänge/ Fahrbereiche mit relativ wenig Zahnrädern und Schaltelementen. Die einzelnen Gänge als die Übersetzungen in den Fahrbereichen, bei denen die Regelwelle steht, erhalten dadurch auch eine für Fahrzeuganwendungen gut geeignete Gangabstufung.

Für einen emissionsfreien Fahrbetrieb nur über den elektrischen oder hydraulischen Nebenantrieb bei stillstehendem Verbrennungsmotor im Hauptantrieb kann nach Anspruch 8 mittels einer speziellen Regeleinrichtung die Antriebswelle über die gleichzeitige Betätigung mehrerer Schaltelemente mit dem Getriebegehäuse verbunden werden. Nach Anspruch 9 sind diese Schaltelemente die Bremse B1 und die Kupplung K2 im konkreten Ausführungsbeispiel nach den Ansprüchen 5 bis 7. Dadurch erhält man im Koppelgetriebe eine hohe Umlaufübersetzung zwischen der Regelwelle und der Koppelwelle. Dadurch kann der Nebenantrieb auch alleine ein Fahrzeug bei höchsten Abtriebslasten vorwärts und rückwärts bewegen.

Nach Anspruch 10 lässt sich mindestens eine der Koppelwellen mittels einer weiteren speziellen Regeleinrichtung über die gleichzeitige Betätigung mehrerer Schaltelemente mit dem Getriebe gehäuse verbinden. Nach Anspruch 11 sind diese Schaltelemente die Bremse B2 und die Kupplung K3 im konkreten Ausführungsbeispiel nach den Ansprüchen 5 bis 7. Dadurch erhält man im Koppelgetriebe eine hohe Umlaufübersetzung zwischen der Regelwelle und der Antriebswelle für hohe Übersetzungen zum Starten des Verbrennungsmotors über den Nebenantrieb.

Nach Anspruch 12 lassen sich alle Wellen des Überlagerungs/Schaltgetriebes mittels einer weiteren speziellen Regeleinrichtung über die gleichzeitige Betätigung mehrerer Schaltelemente mit dem Getriebegehäuse verbinden. Nach Anspruch 13 sind diese Schaltelemente die Kupplungen K1, K2 und K3 im konkreten Ausführungsbeispiel nach den Ansprüchen 5 bis 7. Dadurch erhält man im stufenlosen Automatikgetriebe einen weiteren festen Gang mit der Übersetzung i = 1, bei dem auch die Regelwelle mit Antriebsdrehzahl dreht. In diesem Gang kann über die variable Drehmomentbelastung des Nebenantriebs ein elektrischer Brems- oder Boosterbetrieb geregelt werden.

Anspruch 14 betrifft die Ausgestaltung der E-Maschine in einem elektrischen Nebenantrieb. Sie soll einen außenliegenden Stator und einen innenliegenden Rotor aufweisen. Dadurch wird die Kühlung des Stators und die Führung der elektrischen Leitungen zum Stator besonders einfach. Der innenliegende Rotor hat ein relativ kleines Massenträgheitsmoment, was der Dynamik der Regelwelle im stufenlosen Betrieb und beim Bremsen über den Nebenantrieb zugute kommt.

In einer weiteren Ausbaustufe soll das Automatikgetriebe nach Anspruch 15 eine weitere E-Maschine aufweisen, die fest mit der Antriebswelle verbunden ist und über die Leistungssteuerung mit der anderen E-Maschine in Verbindung steht. Dadurch erhält man ein komplettes stufenloses elektrisches Stellgetriebe zwischen Antriebswelle 1 und Regelwelle 8. Ein stufenloser Fahrbetrieb ist dann auch ohne Belastung des Speichers möglich.

Der Anspruch 16 bezieht sich darauf, dass der Nebenantrieb anstelle der elektrischen Komponenten hydraulische/hydrostatische Komponenten aufweist. Insbesondere hydrostatische Verdränger maschinen haben eine sehr hohe Leistungsdichte. Ein Nebenantrieb mit solchen Komponenten erlaubt den Einsatz des stufenlosen Automatikgetriebes sogar in Nutzfahrzeugen, Baumaschinen und Acker schleppern.

Damit Schmierung, Kühlung und Schaltung des stufenlosen Automatikgetriebes auch ohne verbrennungsmotorischen Antrieb funktionieren, weist das Getriebe nach Anspruch 17 eine elektromotorisch betriebene Ölpumpe auf. Durch den stufenlosen elektrischen Pumpenantrieb kann der Ölvolumenstrom für Schmierung, Kühlung und Betätigung der Schaltelemente den aktuellen Betriebszuständen angepasst werden. Dadurch lässt sich der Energiebedarf der Hydraulik reduzieren und damit der Gesamtwirkungsgrad des stufenlosen Automatikgetriebes erhöhen.

Nach Anspruch 18 kann mittels einer speziellen Regeleinrichtung die Abtriebswelle durch die kombinierte Betätigung mehrerer Schaltelemente auf Drehzahl null festgesetzt werden. Nach Anspruch 19 sind diese Schaltelemente die Bremsen B1 und B2 im konkreten Ausführungs beispiel nach den Ansprüchen 5 bis 7. In Verbindung mit dem elektrischen Pumpenantrieb lässt sich so zum Beispiel zum Starten des Verbrennungsmotors in Park- oder Neutralstellung ohne Betätigung der Betriebsbremse das Fahrzeug festhalten.

Abschließend soll das stufenlose Automatikgetriebe nach Anspruch 20 eine Getrieberegelung aufweisen, die neben der Regelung der Betätigung der Schaltelemente für die einzelnen Gänge/Fahrbereiche auch mindestens eine der Regeleinrichtungen zum Festhalten der Antriebswelle, zum Festhalten einer Koppelwelle, zum Synchronisieren aller Wellen des Überlagerungs/Schaltgetriebes und zum Festhalten der Abtriebswelle beinhaltet. Die Integration aller Regeleinrichtungen in möglichst einer einzigen Getrieberegelung ermöglicht schnelle Schaltabläufe und einen einfachen Datenaustausch mit übergeordneten Steuer/Regelgeräten.

Die Erfindung ist nicht nur auf die Merkmale ihrer Ansprüche beschränkt. Denkbar und vorgesehen sind auch Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale und Kombi nationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale mit dem in den Vorteilsangaben und zu den Ausgestaltungsbeispielen Offenbarten.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen stufenlosen Automatikgetriebes für Fahrzeuge ist in den Fig. 1 bis 10 dargestellt und in seiner Funktionsweise bezüglich der Schaltzustände, der Drehmomentverhältnisse und Leistungsflüsse vom Anfahren bis zum Overdrive einschließlich des Startens des Verbrennungsmotors, des emissionsfreien Betriebs und aller anderen Betriebszustände erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen stufenlosen Automatikgetriebes mit elektrischem Nebenantrieb und die Zähnezahlen für eine beispielhafte Auslegung,

Fig. 2 die Schaltlogik zum Getriebe nach Fig. 1 sowie Drehzahl- und Drehmomentverhältnisse für die beispielhafte Auslegung,

Fig. 3 die Getriebestruktur eines 6-Gang-Automatikgetriebes, von dem die Struktur des erfindungsgemäßen stufenlosen Automatikgetriebes abgeleitet wurde, einschließlich Schaltlogik und Drehzahlleiterdiagramm für die einzelnen Gänge,

Fig. 4 die Getriebestruktur eines 4-Gang-Automatikgetriebes als Basis des 6-Gang- Automatikgetriebes und des erfindungsgemäßen stufenlosen Automatikgetriebes, einschließlich Schaltlogik und Drehzahlleiterdiagramm für die einzelnen Gänge,

Fig. 5 Stellleistungsanteil und Stellübersetzung als Funktion der Getriebeübersetzung und des Fahrbereiches für verschiedene Betriebsarten des stufenlosen Automatikgetriebes,

Fig. 6 Fahrzeug- und Motordaten für ein Anwendungsbeispiel

Fig. 7 Berechnung der Belastungen im stufenlosen Automatikgetriebe bei einer Volllast beschleunigung eines Beispielfahrzeugs,

Fig. 8 Berechnung der Belastungen im stufenlosen Automatikgetriebe bei einer Teillast beschleunigung eines Beispielfahrzeugs,

Fig. 9 Berechnung der Belastungen im stufenlosen Automatikgetriebe bei Konstantfahrt mit dem Beispielfahrzeug,

Fig. 10 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen stufenlosen Automatikgetriebes mit hydrostatischem Stellgetriebe.

Fig. 1 zeigt die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen stufenlosen Automatikgetriebes, Fig. 2 die zugehörige Schaltlogik. Das stufenlose Automatikgetriebe 1 wirkt zwischen einer Antriebs welle an 2 und einer Abtriebswelle ab 3. Es beinhaltet in seinem Getriebegehäuse 7 ein Über lagerungs/Schaltgetriebe 4 mit mehreren Getriebestufen 5 und mehreren Schaltelementen 6. Zur stufenlosen Übersetzungsverstellung wirkt eine elektrische Maschine E9, bestehend aus einem Stator 30 und einem Rotor 31, über eine fest mit ihrem Rotor 31 verbundene Regelwelle R8 ins Getriebe. Über eine Leistungssteuerung 32 ist die E-Maschine E9 mit einem elektrischen Energiespeicher 33 verbunden. Mittels einer Bremse BE 10 kann die E-Maschine E9 festgehalten und entlastet werden.

Zur betriebspunktabhängig optimalen Versorgung des Getriebes mit Schmieröl, Kühlöl und Schaltdrücken hat das Getriebe eine elektromotorisch angetriebene Ölpumpe 35.

Das Überlagerungs/Schaltgetriebe 4 umfasst ein dreiwelliges Koppelgetriebe 11 = 13 und ein vierwelliges Überlagerungsgetriebe 18 sowie fünf Schaltelemente 6.

Das dreiwellige Koppelgetriebe 11 = 13 besteht aus einem Sonnenrad R14, das fest mit der Regelwelle R8 verbunden ist, einem Hohlrad A15, das fest mit der Antriebswelle an 2 verbunden ist, und einem Steg D16 mit mehreren Planetenrädern PR17. Die Stegwelle geht als Koppelwelle K12 weiter. Durch die Überlagerung der stufenlos einstellbaren Drehzahl der Regelwelle R8 mit der Antriebsdrehzahl erhält man auch bei konstanter Antriebsdrehzahl eine stufenlos einstellbare Drehzahl der Koppelwelle K12.

Das vierwellige Überlagerungsgetriebe besteht aus zwei Sonnenrädern B19 und C20, einem Hohlrad F21 und einem Steg S22 mit mehreren Sätzen miteinander kämmender Planetenräder PB23 und PC24. Das Sonnenrad B19 kämmt mit den Planeten PB23, das Sonnenrad C20 und das Hohlrad F21 kämmen mit den Planeten PC24.

Das Überlagerungsschaltgetriebe hat noch fünf Schaltelemente. Eine Kupplung K1 25 kann die Koppelwelle K12 mit dem Sonnenrad B19 verbinden. Eine Kupplung K2 26 kann das Hohlrad A15 mit dem Steg S22 verbinden. Eine Kupplung K3 27 kann die Koppelwelle K12 mit dem Sonnenrad C20 verbinden. Eine Bremse B1 28 kann den Steg S22 und eine Bremse B2 29 das Sonnenrad C20 mit dem Getriebegehäuse 7 verbinden.

Die Struktur des erfindungsgemäßen stufenlosen Automatikgetriebes basiert auf der Struktur eines aus dem US-Patent 5,106,352 bekannten 6-Gang-Automatikgetriebes, die in Fig. 3 dargestellt ist. Dieses 6-Gang-Automatikgetriebe besteht aus einem hydrodynamischen Wandler mit Wandlerüberbrückungskupplung zum Anfahren und einem Überlagerungs/Schaltgetriebeteii mit einem nach dem Erfinder zu diesem US-Patent benannten Lepelletier-Planetenradsatz und fünf Schaltelementen. Der Lepelletier-Planetenradsatz umfasst einen alt bekannten vierwelligen Ravigneaux-Planetenradsatz, mit dem sich bereits vier Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang schalten lassen und ein weiteres dreiwelliges Planetengetriebe.

Um das 6-Gang-Automatikgetriebe nach Fig. 3 und das stufenlose Automatikgetriebe nach Fig. 1 schnell zu verstehen, ist es sinnvoll, erst einmal die Struktur und die Schaltlogik des 4-Gang- Automatikgetriebes nach Fig. 4 mit dem Ravigneaux-Planetenradsatz als Überlagerungs/Schalt getriebe zu verstehen. Die Getriebestruktur verdeutlicht die Anordnung der Zahnräder und Schaltelemente. Die Sonnenräder B, C und der Planetenträger 5 lassen sich mit den Kupplungen K1, K2 und K3 mit der Welle A, die von der Wandlerturbine ins Schaltgetriebe geht, verbinden. Die Wellen S und C können mit den Bremsen B1 und B2 mit dem Getriebegehäuse verbunden werden.

Das Drehzahlleiterdiagramm nach Fig. 4 verdeutlicht die Drehzahlverhältnisse im Getriebe. Auf den zu den einzelnen Wellen des Überlagerungs/Schaltgetriebes gehörigen Drehzahlleitern sind nach oben die Drehzahlen aufgetragen. Die Abstände der Drehzahlleitern ergeben sich aus den Übersetzungen bzw. Zähnezahlen so, dass sich die für einen Betriebspunkt ergebenden Drehzahlen durch eine Gerade verbinden lassen. Bei einer bestimmten Antriebsdrehzahl kennzeichnen die fünf Betriebslinien die Drehzahlverhältnisse in vier Vorwärts- und einem Rückwärtsgang.

Wichtig für die weitere Betrachtung ist jetzt, dass im 3. Gang die Kupplungen K1 und K2 geschlossen sind und alle Wellen des Ravigneaux-Planetenradsatzes gleich schnell laufen. Die Getriebeübersetzung beträgt i = 1.

Der Clou des Lepelletier-Planetenradsatzes nach Fig. 3 besteht darin, dass in dem zusätzlichen dreiwelligen Planetengetriebe die Drehzahl der Welle D gegenüber der Drehzahl der Welle A mit einer festen Übersetzung reduziert wird. Die Schaltlogik der ersten 3 Gänge dieses 6-Gang- Automaten entspricht der Logik des 4-Gang-Ravigneaux-Satzes. Die Übersetzungen sind aber um die feste Umlaufübersetzung des zusätzlichen Planetengetriebes größer. Im 4. und 5. Gang ist die Welle S über Kupplung K2 mit Welle A verbunden. Sie dreht schneller als die Wellen B und C. Die Getriebeübersetzungen ergeben sich aus den Schaltungen im 4. Gang: S = A und B = D und im 5. Gang S = A und C = D. Ohne die zusätzliche feste Übersetzung von A nach D wären die Übersetzungen im 3., 4. und 5. Gang identisch. Der 6. Gang dieses 6-Gang-Automatikgetriebes entspricht bzgl. der Schaltlogik wieder dem 4. Gang des 4-Gang-Automatikgetriebes. Auch die Schaltungen der Rückwärtsgänge sind in diesem 4-Gang- und 6-Gang-Automatikgetriebe identisch.

Der Lepelletier-Planetenradsatz unterscheidet sich somit nur durch ein zusätzliches Planeten getriebe mit fester Übersetzung vom Ravigneaux-Satz. Die Zahl der Schaltelemente ist die gleiche geblieben. Für die zusätzlichen Gänge werden sie nur mehrfach genutzt. In Fig. 1 sind beispielhaft Zähnezahlen für das 6-Gang-Automatikgetriebe und das darauf aufbauende erfindungsgemäße stufenlose Automatikgetriebe genannt. Damit erreichen beide Automatik getriebe einen Stellbereich von ϕ= 6,04 bei gut schaltbaren Gangabstufungen.

Das zusätzliche Planetengetriebe besteht aus Sonnenrad R, Hohlrad A und Planetenträger D. Es wird im Rückwärtsgang und den ersten fünf Gängen als feste Übersetzungsstufe genutzt. Die Welle R ist fest mit dem Getriebegehäuse verbunden. Löst man diese Verbindung und ersetzt sie durch eine zusätzliche Bremse BE, dann ließe sich mit dieser Bremse anstelle des Wandlers das Fahrzeug anfahren. Setzt man auf diese Welle zusätzlich den Rotor einer E-Maschine E, so erhält man die Struktur des stufenlosen Automatikgetriebes nach Fig. 1.

Ein hydrodynamischer Wandler ist aufgrund seiner Wirkungsweise ein ideales Anfahrelement. Deshalb wird er oft in komfortorientierten Automatikgetrieben eingesetzt. Um im Fahrbetrieb die Verluste des Wandlers zu minimieren, wird er mit der WK überbrückt, sooft dies möglich ist.

Durch den Einsatz schneller und genauer Druckregelungen gelingt es heute aber auch schon in Serienanwendungen, mit Reibungskupplungen sehr komfortabel anzufahren. Druckregelung und Wärmeabfuhr sind bei einer Bremse noch besser zu realisieren als bei einer Kupplung. Deshalb ist auch mit der Bremse BE ein komfortabler Startvorgang möglich. Auch bei den Gangwechseln kann eine leicht schlupfende Bremse BE die anderen Schaltelemente entlasten, wie dies sonst ein Wandler macht.

Die E-Maschine E auf der Regelwelle R erlaubt zusätzlich einen komfortablen Start/Stopp-. Betrieb und sie kann die Funktion des Bordnetzgenerators übernehmen. In Verbindung mit einem ausreichend großen Energiespeicher lässt sich mit ihr Bremsenergie rekuperieren, und sie kann für eine stufenlose Übersetzungsänderung genutzt werden.

Ein Vergleich der Antriebsstränge mit herkömmlichem 6-Gang-Automatikgetriebe und dem neuen stufenlosen Automatikgetriebe sieht damit folgendermaßen aus. Anstelle von Anlasser, Lichtmaschine, hydrodynamischem Wandler mit WK hat ein Antriebsstrang mit stufenlosem Automatikgetriebe eine E-Maschine E und die Bremse BE. Diese Teileumfänge entsprechen sich ungefähr im Gewicht. Der Zusatzaufwand liegt in der Leistungssteuerung für die E- Maschine und der Speicherbatterie. Der damit erworbene wichtige Zusatznutzen liegt im komfortablen Start/Stopp-Betrieb, im stufenlosen Fahrbetrieb mit Boostermöglichkeit und der möglichen Energierekuperation beim Bremsen.

Die Auslegung der E-Maschine richtet sich nach den maximalen Startmomenten des kalten Verbrennungsmotors, nach den maximal zu speichernden Leistungen und nach den Anforderungen an einen stufenlosen und an einen rein elektrischen Fahrbetrieb. Dies wird im folgenden weiter erläutert.

Ein rein elektrischer Fahrbetrieb vorwärts/rückwärts kann zum Beispiel beim Rangieren in Parkhäusern oder beim Fahren in verkehrsberuhigten Zonen in einer Innenstadt gewünscht sein. Für diesen Fahrbetrieb werden die Bremse B1 28 und die Kupplung K2 26 geschlossen. Der Steg S22 und das Hohlrad A15 sind darüber mit dem Gehäuse 7 verbunden. Außerdem wird die Kupplung K1 25 geschlossen, die die Koppelwelle K 12 mit dem Sonnenrad B 19 verbindet. Die Umlaufübersetzungen der beiden Planetenradstufen liefern mit den beispielhaften Zähnezahlen in diesem elektrischen Fahrbereich eine Übersetzung von nE/nab = 8,0 zwischen E-Maschine und Abtrieb, mit der auch hohe Abtriebsdrehmomente bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten bereit gestellt werden können (Fig. 2).

Nach dem rein elektrischen Anfahren kann Kupplung K2 26 geöffnet und der Verbrennungs motor durch Abbremsen der E-Maschine E 9 beschleunigt und gestartet werden. Das Getriebe befindet sich dann im 1. leistungsverzweigten Fahrbereich, der aber auch noch anders, nämlich nach dem Start des Verbrennungsmotors bei Fahrzeugstillstand und Anfahren aus geared neutral erreicht werden kann.

Ein zweiter rein elektrischer Fahrbereich lässt sich durch Schließen der Kupplungen K2 26, K3 27 und der Bremse B1 28 schalten. Die Übersetzung ist dann mit nE/nab = -6,5 negativ (Fig. 2). Aus diesem Fahrbereich lässt sich ebenfalls der Verbrennungsmotor starten und elegant mittels Anfahren aus geared neutral in den leistungsverzweigten Rückwärtsfahrbereich wechseln.

Zum Starten des Verbrennungsmotors in Park- oder Neutralposition werden im Überlagerungs/- Schaltgetriebe die Bremse B2 29 und die Kupplung K3 27 geschlossen. Damit ist die Stegwelle D16 mit dem Getriebegehäuse 7 verbunden. Die E-Maschine E9 wird nun negativ beschleunigt und dreht den Verbrennungsmotor positiv hoch. Die Übersetzung zwischen E9 und A15 liegt mit den beispielhaften Zähnezahlen und bei stehendem Steg D16 bei nE/nA = -1,92, so dass ein TE_max von zum Beispiel 150 Nm ein max. Startmoment von ca. 290 Nm erzeugt. Damit beim Startvorgang das Fahrzeug nicht unbeabsichtigt rollt, können im Überlagerungs/Schaltgetriebe beide Bremsen geschlossen werden. Damit wird der Getriebeabtrieb gehäusefest gehalten.

Zum Vorwärts-Anfahren des Fahrzeugs aus geared neutral werden nun die Schaltelemente des 1. oder 2. Ganges, zum Rückwärts-Anfahren die des Rückwärtsganges aktiviert. Durch Verzögerung der E-Maschine E9 auf 0/min und/oder Schließen der Bremse BE10 wird das Fahrzeug beschleunigt. Die Verlustleistung in der Bremse geht dabei verloren, während die elektrische Leistung in den Speicher 33 geleitet werden kann. Die beim Start des Verbrennungsmotors aus dem Speicher 33 entnommene Energie kann so dem Speicher 33 sofort wieder zugeführt werden. Bei nE = 0/min ist der Anfahrvorgang abgeschlossen.

Ein Anfahren aus geared neutral in den 3. Gang/Fahrbereich ist zwar grundsätzlich auch möglich, ist aber wegen der dann relativ hohen Belastung der Regelwelle nicht sinnvoll.

Nach dem Anfahren aus geared neutral in den ersten oder zweiten Fahrbereich kann die E- Maschine E9 auf Drehzahl null verzögert und die Bremse BE10 geschlossen werden. Bei geschlossener Bremse BE kann das Getriebe durch sechs Vorwärtsgänge mit fahrzeugtauglicher Gangabstufung und optimalem Wirkungsgrad schalten.

Durch den drehzahlvariablen Eingriff von E-Maschine E9 auf die Regelwelle R8 hat dieses Getriebe jedoch nicht nur sechs Vorwärtsgänge mit festen Übersetzungen, sondern fünf Fahrbereiche mit stufenlos veränderlicher Übersetzung und den 6. Gang, bei dem das Koppelgetriebe 11 umgangen wird. In jedem dieser fünf stufenlosen Fahrbereiche gibt es je einen Teilbereich, in dem die E-Maschine motorisch arbeitet und den Speicher entlädt, und einen Teilbereich, wo sie generatorisch arbeitet und den Speicher lädt (Fig. 5).

So kann z. B. im 1. Fahrbereich die E-Maschine E9 bei konstanter Motordrehzahl positiv beschleunigt werden. Dadurch steigt die Drehzahl nD und damit nB, der Abtrieb wird somit ebenfalls beschleunigt, die Übersetzung i = n_an/n_ab sinkt. Beim Erreichen der Übersetzung des 2. Ganges werden nun die Schaltelemente des 2. Ganges betätigt. Gleichzeitig wird die E-Maschine E9 durch ihre Drehzahlregelung auf 0/min verzögert, wodurch die Reibarbeit in den Schaltelementen sinkt. Zur Beschleunigung des Schaltvorganges kann die E-Maschine E9 auch mit Hilfe der Bremse BE10 zusätzlich verzögert werden. Bei dieser stufenlosen Übersetzungs änderung von 11 nach 12 arbeitet die E-Maschine motorisch, wenn der Verbrennungsmotor das Fahrzeug treibt.

Die gleiche Ubersetzungsänderung lässt sich aber auch generatorisch durchführen. Dazu wird bei offener Bremse BE10 und bei konstanter Übersetzung 11 aus dem 1. Fahrbereich in den 2.

Fahrbereich geschaltet. Die Welle C wird dazu durch die Bremse B2 29 von einer negativen Drehzahl auf 0/min verzögert. Bei konstanter Abtriebsdrehzahl nab sinkt nB. Über die Verbindung D = B in Kupplung K1 25 wird der Planetenträger D verzögert und damit die E- Maschine E9 negativ beschleunigt. Über eine gezielte Drehzahlregelung von E9 während der Schaltung werden wieder die Schaltelemente entlastet. Wegen der im Vergleich zur Drehmasse des Verbrennungsmotors geringen Trägheit des E-Maschinenrotors wäre die Belastung der Schaltelemente aber auch sonst kleiner als bei einer herkömmlichen Schaltung in gestuften Wandler-Automatikgetrieben.

Im 2. Fahrbereich liegt nun die Übersetzung 11 vor, die E-Maschine E9 dreht negativ (nE < 0/min). Treibt der Motor das Fahrzeug, so arbeitet die E-Maschine generatorisch und lädt den Speicher. Durch Verzögerung von nE < 0/min auf nE = 0/min ändert sich die Übersetzung von i₁ nach 1₂.

Wie in Fig. 5 dargestellt, können somit die Übersetzungen zwischen i1 und i2 im ersten oder im zweiten Fahrbereich eingestellt werden, je nachdem, ob der Speicher geladen oder entladen werden soll. Auch für die anderen Übersetzungen bis i₅ gibt es Betriebspunkte mit generatorischem oder motorischem E-Betrieb. Zwischen 15 und 16 lässt sich die Übersetzung nur im 5. Fahrbereich motorisch einstellen, weil im 6. Gang der Nebenantrieb über die E-Maschine E9 unwirksam ist. In Fig. 5 sind über dem Drehzahlverhältnis nab/nan die auf die Leistung des Verbrennungsmotors bezogenen Stellleistungen PE/PVM und die zugehörigen Stellüber setzungen iE = nE/nan beim leistungsverzweigten stufenlosen Fahrbetrieb dargestellt. Die gestrichelten Linie gelten für einen überwiegend motorischen Nebenantrieb, die gepunkteten Linien für einen überwiegend generatorischen. Dies gilt für den Zugbetrieb, wenn der Verbrennungsmotor das Fahrzeug treibt. Im Schubbetrieb und beim Bremsen drehen sich die Leistungsflüsse um. Zwischen den Übersetzungen 15 und 16 kann also auch Energie rekuperiert werden.

Das Ziel einer optimierten Getrieberegelung ist, den elektrischen Speicher im stufenlosen Fahrbetrieb möglichst wenig zu belasten. Das heißt, bei einer stufenlosen Verstellung, zum Beispiel beim Beschleunigen sollten sich die motorischen und die generatorischen Bereiche so abwechseln, dass im Speicher nur kleine Energieschwankungen auftreten. Fig. 5 zeigt dafür eine mögliche Regelung der Regelübersetzung iE = nE/nan in den einzelnen Fahrbereichen, die zwischen den motorischen und generatorischen Grenzwerten liegt.

In einem stufenlosen Fahrbetrieb mit nahezu konstanter Geschwindigkeit wählt darüber hinaus eine adaptive Schaltregelung je nach dem Ladezustand des Speichers den entsprechenden Fahrbereich zum Laden oder Entladen des Speichers, die dann erforderliche Solldrehzahl der E- Maschine im Verhältnis zur Antriebsdrehzahl und regelt die Drücke der Schaltelemente. Bei nahezu konstanter Fahrt ist es jedoch oft energetisch sinnvoller, eine der eng gestuften festen bersetzung einzustellen und durch Schließen der Bremse BE10 den elektrischen Zweig vollständig zu entlasten. Der dann höhere Getriebewirkungsgrad reduziert dann den Kraftstoftverbrauch mehr als der bei enger Gangabstufung kleine Verbrauchsgewinn infolge einer stufenlosen optimalen Ausnutzung des Motorkennfeldes.

Die Fig. 6 bis 9 verdeutlichen die Belastung des elektrischen Stellantriebs bei verschiedenen Beschleunigungen eines 2000 kg schweren Pkw mit einem maximal 600 Nm starken Diesel motor (Fig. 6) in einem Geschwindigkeitsbereich von 0 bis 250 km/h und bei Konstantfahrt. Die Zeiten für die beiden Beschleunigungen von 0 auf 100 km/h betragen 5,5 s bzw. 11,6 s. Das Fahrzeug soll eine Achsübersetzung von 2,615 und einen dynamischen Reifenradius von 315 mm haben. Die E-Maschine soll kurzzeitig ein maximales Drehmoment von ca. TE_max = 150 Nm aufbringen können. Die Fig. 8 bis 9 verdeutlichen die in einer Simulation berechneten Verläufe der Motordrehzahl und der E-Maschinendrehzahl über der Fahrgeschwindigkeit, die Verläufe der Drehmomente am Verbrennungsmotor, an der E-Maschine und am Abtrieb, die zugehörigen Leistungen am Verbrennungsmotor und der E-Maschine und die Speicherbilanz. Bei der Berechnung der Speicherbilanz wurde ein konstanter Lade- und Entladewirkungsgrad von 85% angenommen.

Durch den abwechselnden motorischen und generatorischen Betrieb bleiben die Energie schwankungen im Speicher gering. Die Leistungen an der E-Maschine sind bis zu Teillastbeschleunigungen ebenfalls gering. Bei dieser Beschleunigung (Fig. 8) beträgt die maximale kurzzeitige Leistungsspitze 25 kW. Die Drehzahlsprünge bei den Fahrbereichs wechseln sind ebenfalls klein und durch eine aktive Drehzahlregelung der E-Maschine E9 werden die Schaltelemente entlastet. Noch schnellere Fahrbereichswechsel können durch Einbeziehen der Bremse BE10 erreicht werden.

In den einzelnen Fahrbereichen gibt es feste Verhältnisse zwischen den Drehmomenten an der Regelwelle, dem Verbrennungsmotor und dem Abtrieb. In den Fahrbereichen 1 bis 3 beträgt das Verhältnis TVM/TE in der beispielhaften Auslegung 1,92. Zum Anfahren im ersten Fahrbereich reicht dieses Verhältnis selbst für dieses sehr drehmomentstarke Fahrzeug aus, da in diesem Fahrbereich die Gesamtübersetzung so groß ist, dass das Drehmoment an der E-Maschine durch die Haftgrenze an den Reifen limitiert wird.

Im 2. und 3. Fahrbereich ist bei den beispielhaften Zähnezahlen ein stufenloser Fahrbetrieb nur bis zu Antriebsdrehmomenten des Verbrennungsmotor von TVM = 1,92 TE_max möglich. Bei höheren Belastungen (Fig. 7) muss das Getriebe gestuft betrieben, oder die E-Maschine vergrößert werden.

Ab dem 4. Fahrbereich wird aufgrund der Leistungsverzweigung im Überlagerungs/Schalt getriebe die Regelwelle nur noch sehr gering belastet. Eine 150 Nm E-Maschine reicht dann sogar zur Abstützung von Verbrennungsmotordrehmomenten von über 1000 Nm aus. Ab einer Übersetzung von ca. i = 1,24 bis zum Overdrive i = 0,69 kann dieses Getriebe dann selbst größte Antriebsdrehmomente mit stufenloser Übersetzung übertragen (Fig. 7 und 8).

Gegenüber dem vergleichbaren 6-Gang-Automatikgetriebe hat das stufenlose Automatikgetriebe noch eine feste Übersetzung mehr. Durch Schließen aller drei Kupplungen K1, K2 und K3 erhält man die Drive-Übersetzung iD = 1 (Fig. 2). Alle Wellen im Getriebe, auch die Regelwelle drehen gleich schnell. In diesem Betriebszustand kann die E-Maschine unabhängig vom Drehmoment des Verbrennungsmotors belastet werden und über ihr Drehmoment ein Bremsmoment oder ein Beschleunigungsmoment in einem Boosterbetrieb bereitstellen.

In den anderen leistungsverzweigten Fahrbereichen gibt es feste Verhältnisse zwischen den Drehmomenten am Verbrennungsmotor und an der Regelwelle. Ein Booster- oder ein Brems betrieb lässt sich dann nur durch die Veränderung der Übersetzung und entsprechende Wahl der Fahrbereiche einstellen. Beim Bremsen kann das Getriebe zum Beispiel gezielt durch Übersetzungen mit hohem generatorischen E-Maschinenbetrieb geschaltet werden.

Fährt das Getriebe gerade in einem der festen Gänge wird zum elektrischen Bremsen die mechanische Bremse BE geöffnet. Das am Sonnenrad anliegende Drehmoment beschleunigt sofort den E-Maschinenrotor. Ein Teil der Bremsenergie wird als kinetische Energie im Rotor gespeichert. Darüber hinausgehende Bremsenergie wird in der Batterie gespeichert.

Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches wird im Schubbetrieb eines Fahrzeugs die Kraft stoffzufuhr zum Verbrennungsmotor unterbrochen. In einem Fahrzeug mit dem stufenlosen Automatikgetriebe kann zusätzlich in jedem Fahrbereich die Motordrehzahl sehr weit in Richtung Leerlaufdrehzahl reduziert werden. Damit sinken die Schleppverluste des Verbrennungsmotors und der Energieverbrauch des Fahrzeugs. Mit Unterstützung des elektrischen Nebenantriebs kann bei Bedarf der Motor sehr schnell wieder in seinen Betriebspunkt beschleunigt werden.

Da mit diesem Getriebe ein rein elektrischer Fahrzeugbetrieb ohne Verbrennungsmotor möglich ist, benötigt das Getriebe eine elektromotorisch getriebene Ölpumpe. Damit lässt sich betriebspunktabhängig der Volumenstrom zum Schmieren und Kühlen des Getriebes und das Druckniveau zur Betätigung der Schaltelemente einstellen. Dadurch sinkt der hydraulische Leistungsbedarf des Getriebes, der Wirkungsgrad steigt. Außerdem lässt sich durch gleichzeitiges Schließen der Bremsen B1 28 und B2 29 über den Getriebeabtrieb das Fahrzeug zum Beispiel beim Start des Verbrennungsmotors festhalten, bis der Fahrschalter in ein Fahrprogramm wechselt.

Viele andere stufenlose Getriebe nach dem Stand der Technik haben teilweise erheblich geringere Wirkungsgrade als 6-Gang-Automatikgetriebe. Das erfindungsgemäße neue stufenlose Automatikgetriebe übertrifft jedoch die bekannten 6-Gang-Automatikgetriebe in vielen Betriebspunkten im Wirkungsgrad. In allen Übersetzungen mit geschlossener Bremse BE10 ist der Wirkungsgrad des stufenlosen Automatikgetriebes höher, weil die in anderen Automatik getrieben vorhandenen Schleppverluste des hydrodynamischen Wandlers hier nicht vorliegen. Im stufenlosen Betrieb liegt der Wirkungsgrad je nach elektrischem Leistungsanteil etwas niedriger. In den Fahrbereichen 4 und 5, die im Fahrzeugbetrieb einen hohen Zeitanteil einnehmen, ist jedoch der Anteil der Regelleistung so klein, das der Wirkungsgradnachteil minimal ist.

In Fig. 10 ist ein stufenloses Automatikgetriebe mit hydrostatischem Nebenantrieb gezeigt. Zur Entlastung des hydraulischen Speichers hat der Nebenantrieb ein hydrostatisches Stellgetriebe mit einer Verdrängermaschine 34 auf der Antriebswelle und einer weiteren 9, die auf die Regelwelle 8 wirkt. Der Einsatz eines stufenlosen Stellgetriebes zwischen Antriebs- und Regelwelle mit zwei elektrischen oder hydraulischen Maschinen erlaubt neben der stufenlosen Drehzahlwandlung auch die stufenlose Drehmomentwandlung zwischen Antrieb und Abtrieb.

Das stufenlose Automatikgetriebe ist jedoch aus Kosten-, Gewichts- und Bauraumgründen besonders in der Ausführung nach Fig. 1 mit nur einer E-Maschine auf der Regelwelle interessant. Dieses neue Getriebe vereint wesentliche Vorteile der bekannten 6-Gang-Automatik getriebe und einiger elektromechanischer Hybridgetriebe. Durch den zu 6-Gang-Automatik getrieben ähnlichen mechanischen Aufbau erreicht das neue Getriebe gleich hohe Wirkungs grade, die gleiche Leistungsdichte und das gleiche Leistungsgewicht. Durch den elektrischen Nebenantrieb über die Regelwelle erhält man eine selbst für schwere Fahrzeugs ausreichende Starter/Generatorfunktion. Über den Nebenantrieb lassen sich über einen angeschlossenen Speicher außerdem ein Boosterbetrieb wie auch Bremsrekuperation realisieren.

Die Struktur des stufenlosen Automatikgetriebes führt dazu, dass in sechs rein mechanischen Gängen die Regelwelle steht. Durch den variablen Drehzahleingriff über die Regelwelle entstehen in dieser Struktur so fünf stufenlos regelbare Übersetzungsbereiche mit je einem motorischen und einem generatorischen Teilbereich. Das führt dazu, dass die einzelnen Fahrbereiche so nacheinander durchfahren werden können, dass selbst bei Einsatz nur einer E- Maschine auf der Regelwelle im stufenlosen Fahrbetrieb die Energieschwankungen im Speicher sehr klein bleiben.

Da die Getriebestruktur einen gestuften und einen stufenlosen Betrieb zulässt, kann man auf dieser Basis einen Getriebebaukasten aufbauen. Als ein wesentlicher wirtschaftlicher Vorteil bleibt damit das Entwicklungsrisiko und das Marktrisiko auch bei anfänglich kleinen Stückzahlen pro Anwendung überschaubar.

Bezugszeichenliste

1

Stufenloses Automatikgetriebe

2

Antriebswelle an

3

Abtriebswelle ab

4

ljberlagerungs/Schaltgetriebe

5

Getriebestufen

6

Schaltelemente

7

Getriebegehäuse

8

Regelwelle R

9

elektrische Maschine E

10

Bremse BE

11

Koppelgetriebe

12

Koppelwelle K

13

dreiwelliges Planetengetriebe ADE

14

Sonnenrad R

15

Hohlrad A

16

Steg D

17

Planetenräder PE

18

vierwelliges Planetengetriebe BCSF

19

Sonnenrad B

20

Sonnenrad C

21

Hohlrad F

22

Steg S

23

Planetenräder PB

24

Planetenräder PC

25

Kupplung K

1

26

Kupplung K

2

27

Kupplung K

3

28

Bremse B

1

29

Bremse B

2

30

Stator

31

Rotor

32

Leistungssteuerung

33

elektrischer Energiespeicher

34

antriebsseitige zweite Maschine des stufenlosen Stellgetriebes

35

elektromotorisch betriebene Ölpumpe

36

Regeleinrichtung zum Festhalten der Antriebswelle

2

37

Regeleinrichtung zum Festhalten einer Koppelwelle

12

38

Regeleinrichtung zum Synchronisieren aller Wellen des Uberlagerungs/Schaltgetriebes

39

Regeleinrichtung zum Festhalten der Abtriebswelle

3

40

Getrieberegelung

Claims

1. Stufenloses Automatikgetriebe (1) für Fahrzeuge, bestehend aus einer mit dem Verbrennungs motor verbindbaren Antriebswelle (2), einer mit der Fahrzeugachse verbindlbaren Abtriebswelle (3) sowie einem Überlagerungs/Schaltgetriebe (4) mit mehreren Getriebestufen (5) und mehreren Schaltelementen (6), wobei einzelne Glieder der Getriebestufen (5) untereinander, mit der Antriebswelle (2), mit der Abtriebswelle (3) oder mit einem Getriebegehäuse (7) verbunden oder mittels der Schaltelemente (6) zur Schaltung von mindestens fünf, vorzugsweise sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang, mit verschiedenen festen Übersetzungen zwischen Antriebswelle (2) und Abtriebswelle (3) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungs/Schaltgetriebe eine Regelwelle (8) aufweist, die mit einer elektrischen Maschine (9) und über deren Leistungssteuerung (32) auch mit einem elektrischen Energiespeicher (33) verbindbar ist.

2. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungs/Schaltgetriebe (4) ein Koppelgetriebe (11) mit mindestens einer Koppelwelle (12) beinhaltet, wobei eine Welle dieses Koppelgetriebes mit der Antriebswelle (1) und eine andere Welle dieses Koppelgetriebes mit cler Regelwelle (8) verbunden ist.

3. Stufenloses Automatikgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Bremse BE (10) aufweist, mit der die Regelwelle (8) mit dem Getriebegehäuse (7) verbindbar ist.

4. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse BE (10) bei allen Betätigungskombinationen der Schaltelemente für die im Oberbegriff definierten Gänge geschlossen sein kann.

5. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelgetriebe (11) ein dreiwelliges Planetengetriebe (13) mit einem Sonnenrad E (14), einem Hohlrad A (15) und einem Steg D (16) mit Planetenrädern PE (17) ist, von denen das Sonnenrad E (14) mit der Regelwelle (8), das Hohlrad A (15) mit der Antriebswelle (1) und der Steg D (16) mit der Koppelwelle (12) verbunden ist.

6. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungs/Schaltgetriebe (4) auch ein vierwelliges Planeten getriebe (18) mit zwei Sonnenrädern B, C (19, 20), einem Steg 5 (22) mit mehreren Sätzen miteinander kämmender Planeten PB, PC (23, 24) und einem Hohlrad F (21) beinhaltet, wobei das Sonnenrad B (19) mit den Planeten PB (23) und das Sonnenrad C (20) sowie das Hohlrad F (21) mit den Planeten PC (24) kämmen.

7. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe im Überlagerungs/Schaltgetrebe 5 Schaltelemente, drei Kupplungen K1 (25), K2 (26), K3 (27) und zwei Bremsem B1 (28), B2 (29) aufweist, wobei die Kupplungen K1 (25) und K3 (27) die Sonnenräder B, C (19, 20) mit der Koppelwelle (12) verbinden können, wobei die Bremse B2 (29) das Sonnenrad C (20) mit dem Getriebegehäuse (7) verbinden kann, wobei die Bremse B1 (28) den Steg S (16) mit dem Getriebegehäuse (7) und die Kupplung K2 (26) den Steg S (16) mit der Antriebswelle (2) verbinden lkann und wobei das Hohlrad F (21) mit der Abtriebswelle (3) verbunden ist.

8. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Regeleinrichtung (36) aufweist, mittels derer die Antriebswelle (1) über die gleichzeitige Betätigung mehrerer Schaltelemente (6) mit dem Getriebegehäuse (7) verbindbar ist.

9. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Regeleinrichtung (36) aufweist, mittels derer die Antriebswelle (1) über die gleichzeitige Betätigung der Bremse B1 (28) und der Kupplung K2 (26) mit dem Getriebegehäuse (7) verbindbar ist.

10. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Regeleinrichtung (37) aufweist, mittels derer eine der Koppelwellen (12) über die gleichzeitige Betätigung mehrerer Schaltelemente (6) mit dem Getriebegehäuse (7) verbindbar ist.

11. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Regeleinrichtung (37) aufweist, mittels derer eine der Koppelwellen (12) über die gleichzeitige Betätigung der Bremse B2 (29) und der Kupplung K3 (27) mit dem Getriebegehäuse (7) verbindbar ist.

12. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Regeleinrichtung (38) aufweist, mittels derer alle Wellen des Uberlagerungs/Schaltgetriebes (4) über die gleichzeitige Betätigung mehrerer Schalt elemente (6) auf Synchronlauf gebracht werden.

13. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Regeleinrichtung (38) aufweist, mittels derer alle Wellen des Überlagerungs/Schaltgetriebes (4) über die gleichzeitige Betätigung der drei Kupplungen K1 (25), K2 (26), K3 (27) auf Synchronlauf gebracht werden.

14. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die E-Maschine einen außenliegenden Stator (30) und einen innenliegenden Rotor (31) aufweist,

15. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite E-Maschine (34) fest mit der Antriebswelle verbunden ist und über eine Leistungssteuerung (32) mit der anderen E-Maschine (9) in Verbindung steht.

16. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenantrieb anstelle der elektrischen Komponenten hydraulische/ hydrostatische Verdrängermaschinen, Leistungssteuerungen und Speicher aufweist.

17. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine elektromotorisch betriebene Ölpumpe (35) aufweist.

18. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Regeleinrichtung (39) aufweist, mittels derer die Abtriebswelle 3 durch die gleichzeitige Betätigung mehrerer Schaltelemente auf Drehzahl null festgesetzt werden kann.

19. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Regeleinrichtung (39) aufweist, mittels derer die Abtriebswelle 3 durch die gleichzeitige Betätigung der Bremse B1 (28) und B2 (29) auf Drehzahl null festgesetzt werden kann.

20. Stufenloses Automatikgetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Getrieberegelung (40) hat, die neben der Regelung der Betätigung der Schaltelemente für die einzelnen Gänge/Fahrbereiche auch mindestens eine der Regeleinrichtungen zum Festhalten der Antriebswelle (36), zum Festhalten einer Koppelwelle (37), zum Synchronisieren aller Wellen des Überlagerungs/Schaltgetriebes (38) und zum Festhalten der Abtriebswelle (39) beinhaltet.