DE102004031463A1

DE102004031463A1 - Lastschaltgetriebe

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Publication number: DE102004031463A1
Application number: DE102004031463A
Authority: DE
Original assignee: ENTWICKLUNGSGESELLSCHAFT fur; Entwicklungsgesellschaft fur Getriebesysteme Bmh
Current assignee: ENTWICKLUNGSGESELLSCHAFT fur; Entwicklungsgesellschaft fur Getriebesysteme Bmh
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2006-01-19

Abstract

Das Vorschaltgetriebe 2, von der Antriebswelle 11 angetrieben, hat zwei Vorschaltwellen, von denen eine 13 langsamer und eine 14 schneller dreht als die Antriebswelle 11. Das Überlagerungsgetriebe 3 hat mindestens drei Wellen, von denen eine abtriebsseitige Überlagerungswelle 15 mit der Abtriebswelle 12 verbunden ist, von denen eine Abstützwelle 16 mit dem Getriebegehäuse 10 oder einer der Wellen des Vorschaltgetriebes 2 verbindbar ist und von denen eine Hauptkoppelwelle 17 mit der Antriebswelle 11 und den beiden Vorschaltwellen 13, 14 verbindbar ist. DOLLAR A In den Gängen eines bis drei sowie fünf bis sieben werden jeweils die Antriebswelle 11 oder eine der beiden Vorschaltwellen 13, 14 mit der Hauptkoppelwelle verbunden. Im vierten Gang mit direkter Leistungsübertragung vom Antrieb 11 zum Abtrieb 12 erfolgt eine Umschaltung im Überlagerungsgetriebe. Die Abstützwelle 16 ist in den Underdrivegängen mit dem Getriebegehäuse 10 verbunden und in den Overdrivegängen mit der schnellen Vorschaltwelle 14.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lastschaltgetriebe zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle, z.B. in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs. Die als Automatikgetriebe bekannten Fahrzeuggetriebe sind Lastschaltgetriebe nach diesem Oberbegriff. Aber auch die unter dem Gattungsbegriff Doppelkupplungsgetriebe bekannten Getriebe fallen unter diesen Oberbegriff.
Automatikgetriebe bestehen aus gekoppelten Planetenradgetrieben, bei denen sich durch schaltbare Verbindungen zwischen einzelnen Wellen und/oder schaltbare Anbindungen einzelner Wellen an das Getriebegehäuse unterschiedliche Übersetzungen zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle ergeben. Nachteilig bei diesen Automatikgetrieben ist die relativ große Zahl solcher Kupplungen und Bremsen für eine bestimmte Zahl von Vorwärts- und Rückwärtsgängen. Nach dem Stand der Technik braucht man mindestens 5 Schaltelemente für sechs Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang. Damit diese Gänge ohne Zugkraftunterbrechung schaltbar sind, sind die Schaltelemente als Reibungskupplungen oder Reibungsbremsen ausgelegt. In jedem Gang sind jedoch nur einige dieser Schaltelemente geschlossen. Die anderen erzeugen je nach den konstruktiven Gegebenheiten und den Relativbewegungen in den Schaltelementen Verlustleistungen, die den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung reduzieren. Die lastschaltbaren Kupplungen dieser Automatikgetriebe werden meist durch Öldruck betätigt. Das Drucköl gelangt über Drehdurchführungen auf die drehenden Wellen. Auch dabei entstehen nennenswerte Verluste.
Es wäre also wünschenswert, ein Lastschaltgetriebe mit noch weniger Lastschaltelementen für noch mehr Gänge zu finden. Diese Überlegungen haben zur Entwicklung von Doppelkupplungsgetrieben geführt. Doppelkupplungsgetriebe bestehen aus zwei ineinander verschachtelten Teilgetrieben, eines für die ungeraden Gänge (1, 3, 5, ...) und eines für die geraden Gängen (2, 4, 6, ...). Jedes dieser Teilgetriebe ist über eine reibschlüssige und damit lastschaltfähige Kupplung mit der Antriebswelle verbindbar. Während die Leistung über eines dieses Teilgetriebe fließt, kann in dem anderen Teilgetriebe schon der als nächstes zu schaltende Gang vorbereitet werden. Dazu werden in diesen Doppelkupplungsgetrieben Zahnkupplungen mit Synchronisierungen eingesetzt, wie sie aus Handschaltgetrieben bekannt sind. Diese Schaltelemente bauen sehr klein und haben sehr geringe Verlustmomente im offenen Zustand. Nachteilig bei diesen Doppelkupplungsgetrieben ist aber, dass es sie bisher nur in Vorgelegebauweise mit Stirnradstufen gibt. Bei sehr hohen Drehmomenten bauen Stirnradstufen größer als Planetenradstufen, bei denen sich die Leistung auf mehrere Planetenräder verzweigen kann. Außerdem haben Doppelkupplungsgetriebe den Nachteil, dass bestimmte Schaltungen, z.B. Schaltungen innerhalb eines der Teilgetriebe, nur mit Lastunterbrechung ablaufen können.
Derzeit entwickeln sich die Fahrzeuggetriebe weiter von einem reinen Kennungswandler zu einem Leistungsknoten für ein hybrides Energiemanagement. Nach dem Stand der Technik gibt es Fahrzeuggetriebe mit vorgeschalteten oder auch integrierten E-Maschinen, um über das Fahrzeuggetriebe eine elektrisch-mechanische Leistungsverzweigung zu steuern. Dies bringt Vorteile bei der Fahrdynamik und beim Kraftstoffverbrauch.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabenstellung zugrunde, eine Getriebestruktur in Planetenradbauweise für höchste Antriebsdrehmomente und mindestens sechs gut abgestufte Vorwärtsgänge zu finden, bei der nur wenige Schaltelemente reibschlüssig und damit lastschaltbar sein müssen. Für vorbereitende Schaltungen sollen weitere Schaltelemente formschlüssig ausgeführt sein und Synchronisiereinrichtungen aufweisen. Zumindest alle Schaltungen aufeinander folgender Gänge sollen ohne Zugkraftunterbrechung möglich sein. In das Getriebe soll außerdem eine E-Maschine so integrierbar sein, dass damit ein Maximum an hybridem Zusatznutzen entsteht. Dass das Getriebe hinsichtlich Bauraum, Gewicht, Herstellungs- und Montagekomplexität wettbewerbsfähig sein soll, versteht sich von selbst.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass das Lastschaltgetriebe zwei Schaltgetriebeblöcke beinhaltet, nämlich ein Vorschaltgetriebe, das von der Antriebswelle angetrieben wird, und dass mindestens zwei weitere Wellen aufweist, von denen eine Welle langsamer dreht als die Antriebswelle und eine Welle schneller dreht als die Antriebswelle, und ein Überlagerungsgetriebe mit mindestens drei Wellen, von denen eine abtriebsseitige Überlagerungswelle mit der Abtriebswelle in Verbindung steht, von denen eine Abstützwelle mit dem Getriebegehäuse oder einer der Wellen des Vorschaltgetriebes verbindbar ist und von denen eine Hauptkoppelwelle mit der Antriebswelle und mit mindestens zwei Wellen des Vorschaltgetriebes verbindbar ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll die Antriebswelle direkt mit der Abtriebswelle verbindbar sein.

Das Vorschaltgetriebe hat inklusive der Antriebswelle drei Wellen mit Drehzahlen, deren Abstufung frei wählbar ist. Diese drei Wellen werden in den ersten drei Gängen des Lastschaltgetriebes nacheinander über Lastschaltungen mit der Hauptkoppelwelle verbunden.

Für diese Lastschaltungen gibt es mehrere erfindungsgemäße Möglichkeiten. Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes sieht drei Lastschaltelemente vor, ein erstes Lastschaltelement zwischen der langsamen Vorschaltwelle und der Hauptkoppelwelle für den 1. Gang, ein zweites Lastschaltelement zwischen der Antriebswelle und Hauptkoppelwelle für den 2. Gang und ein drittes Lastschaltelement zwischen der schnellen Vorschaltwelle und der Hauptkoppelwelle für den 3. Gang.

Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, anstelle der Lastschaltelemente eins und drei eine Hilfswelle und ein formschlüssiges Hilfsschaltelement in Verbindung mit nur noch einem Lastschaltelement zu nutzen. Über das Hilfsschaltelement kann die Hilfswelle in vorbereitenden Schaltungen mit der langsamen (für den 1. Gang) oder der schnellen Vorschaltwelle (für den 3. Gang) verbunden werden. Für die eigentliche Lastschaltung ist dann nur noch ein erstes Lastschaltelement zwischen der Hilfswelle und der Hauptkoppelwelle erforderlich.

In den ersten drei Gängen steht die Hauptkoppelwelle in einem festen Übersetzungsverhältnis zur Abtriebswelle. Diese feste Übersetzung wird dadurch erreicht, dass die Abstützwelle des Überlagerungsgetriebes mit dem Getriebegehäuse verbunden ist.

In einem vierten Gang kann man nun die Antriebswelle direkt mit der Abtriebswelle verbinden. Auch dazu sieht die Erfindung verschiedene Möglichkeiten vor. So kann man als eine Möglichkeit ein weiteres viertes Lastschaltelement einsetzen, mit dem die Antriebswelle direkt mit der Abtriebswelle verbindbar ist. Alternativ dazu hat das Getriebe eine Zwischenwelle und ein formschlüssiges Zwischenschaltelement. Mit dem Zwischenschaltelement ist die Zwischenwelle entweder mit der Hauptkoppelwelle oder der Abtriebswelle verbindbar. Das zweite Lastschaltelement wirkt dann zwischen der Antriebswelle und der Zwischenwelle. So kann dann die Antriebswelle im zweiten Gang mit der Hauptkoppelwelle und im vierten Gang mit der Abtriebswelle verbunden werden. Im dritten Gang finden dann am Zwischenschaltelement vorbereitende Schaltungen statt.

Im vierten Gang geht der Leistungsfluss am Vorschaltgetriebe und am Überlagerungsgetriebe vorbei. In diesem Gang kann nun die Abstützwelle vom Getriebegehäuse gelöst und mit einer Welle des Vorschaltgetriebes, vorzugsweise der schnellen Vorschaltwelle verbunden werden. Für diese vorbereitende Schaltung reicht eine Zahnkupplung mit Synchronisierung aus.

Die Gänge fünf, sechs und sieben gleichen bezüglich der Lastschaltungen den Gängen eins, zwei und drei. Die Wellen des Vorschaltgetriebes werden nacheinander mit der Hauptkoppelwelle verbunden. Die Abtriebsdrehzahlen ergeben sich in diesen Overdrive-Gängen aus der Überlagerung der Drehzahlen der Hauptkoppelwelle mit der Drehzahl der Abstützwelle.

Für mindestens einen Rückwärtsgang hat das Lastschaltgetriebe eine Rückwärtsschaltwelle und ein Rückwärtsschaltelement, mit dem diese Rückwärtsschaltwelle mit dem Getriebegehäuse oder einer der anderen Wellen verbindbar ist. Vorzugsweise ist das Rückwärtsschaltelement ein Element des Überlagerungsgetriebes, so dass sich bei Belastung dieser Welle durch das Rückwärtsschaltelement eine negative Übersetzung zwischen der Hauptkoppelwelle und der Abtriebswelle ergibt. Dann hat das Getriebe 3 Rückwärtsgänge, die ähnlich den ersten drei Vorwärtsgängen geschaltet werden.

Um eine hohe Kraftdichte zu erreichen, sollen beide Teilgetriebe vorzugsweise in Planetenradbauweise ausgeführt sein. Für das Vorschaltgetriebe bietet sich hier eine Ausführungsform an mit einem Hohlrad an der mittelschnellen Antriebswelle und dem maximalen Antriebsdrehmoment als Maximalbelastung. Für die langsame Vorschaltwelle mit den höheren Drehmomenten bietet sich der Planetenradträger an und für die schnelle Vorschaltwelle mit den kleinen Drehmomenten ein Sonnenrad. Die gewünschten Übersetzungen erreicht man z.B. dadurch, dass das Planetengetriebe eine vierte Welle hat, die fest mit dem Getriebegehäuse verbunden ist. Diese vierte Welle kann z.B. ein weiteres Hohlrad sein. Außerdem braucht man für fahrzeugtaugliche Übersetzungen dann mehrere Sätze miteinander kämmender Planetenräder.

Im abtriebsseitigen Überlagerungsgetriebe erreicht man eine besonders hohe Kraftdichte, wenn der Planetenradträger mit der Abtriebswelle verbunden ist. Die Hauptkoppelwelle und die Abstützwelle greifen dann vorzugsweise über zwei Sonnenräder in das Überlagerungsgetriebe ein. Der Planetenträger hat mehrere Sätze miteinander und mit je einem der Sonnenräder kämmender Planetenräder. Dadurch ergibt sich eine negative Standübersetzung zwischen den beiden Sonnenrädern. In allen Vorwärtsgängen des Overdrives addieren sich dann im Überlagerungsgetriebe eine Teilleistung, die über die Hauptkoppelwelle einfließt und eine Teilleistung, die über die Abstützwelle einfließt. Rückfließende Leistungen, wie es diese in anderen Getriebekonzepten gibt, kommen in dieser neuen Getriebestruktur nicht vor.

Die Lastschaltelemente in diesem Getriebe werden vorzugsweise hydraulisch betätigt. Dazu hat das Getriebe einen Hydraulikkreislauf, der von mindestens einer Ölpumpe versorgt wird. Die Ölpumpe kann hier entweder von der Antriebswelle oder von einer der beiden Vorschaltwellen angetrieben werden.

Für eine Hybridisierung dieses Getriebes bietet sich der Einsatz einer E-Maschine an, die ebenfalls mit der Antriebswelle oder einer der beiden Vorschaltwellen in Verbindung steht. Vorzugsweise ist der Rotor der E-Maschine mit der schnellen Vorschaltwelle verbunden. Für einen Start des Verbrennungsmotors kann man dann die Übersetzung zwischen der schnellen Vorschaltwelle und der Antriebswelle nutzen. Außerdem hat man dann die höchsten Übersetzungen in den einzelnen Gängen zwischen der E-Maschine und der Antriebswelle. Dadurch verringern sich die Drehmomentanforderungen an die E-Maschine.

Für einen rein elektrischen Fahrbetrieb ist es vorteilhaft, den Verbrennungsmotor mittels einer antriebsseitigen Trennkupplung vom Lastschaltgetriebe abkuppeln zu können.

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

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes ist in den 1 bis 8 dargestellt und in seiner Funktionsweise bezüglich der Schaltzustände, der Drehmomentverhältnisse und Leistungsflüsse vom Anfahren bis zum Overdrive einschließlich des Startens des Verbrennungsmotors, des elektro-mechanischen Hybridbetriebs und aller anderen Betriebszustände erläutert. Dabei zeigen:
1 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit drei Lastschaltelementen,
2 die Drehzahlleiterdiagramme des Vorschaltgetriebes und des Überlagerungsgetriebes für das Getriebe nach 1 in einer Auslegung nach den 1 und 3,
3 die Schaltlogik des Lastschaltgetriebes nach 1 und die Übersetzungen in einer beispielhaften Auslegung,
4 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes mit einem vorgeschalteten hydrodynamischen Wandler,
5 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit vier Lastschaltelementen, aber ohne Zwischenwelle und Zwischenschaltelement,
6 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit nur zwei Lastschaltelementen, aber mit einer zusätzlichen Hilfswelle und Hilfsschaltelement,
7 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes für eine Front-Quer-Anwendung,
8 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes mit einer integrierten E-Maschine für hybride Zusatzfunktionen.
1 zeigt die Struktur eines ersten Ausführungsbeispieles dieses erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes 1. Das Lastschaltgetriebe 1 wirkt zwischen einer Antriebswelle 11 und einer Abtriebswelle 12. Es besteht im Wesentlichen aus zwei Teilgetrieben. Antriebsseitig gibt es das Vorschaltgetriebe 2 und abtriebsseitig das Überlagerungsgetriebe 3.
Das Vorschaltgetriebe wird von der Antriebswelle 11 getrieben. Es hat zwei Abtriebswellen, nämliche eine langsame Vorschaltwelle 13 und eine schnelle Vorschaltwelle 14. Das Vorschaltgetriebe 2 ist hier als vierwelliges Planetenradgetriebe aufgebaut. Die Antriebswelle 11 treibt das Hohlrad 23. Ein zweites Hohlrad 24 ist fest mit dem Getriebegehäuse 10 verbunden. Der Planetenradträger 26 ist die langsame Vorschaltwelle 13. Ein Sonnenrad 25 sitzt auf der schnellen Vorschaltwelle 14. Dieses Planetengetriebe hat mehrere Sätze miteinander kämmender Planetenräder. Die Planeten 27 stehen mit dem Hohlrad 23 und den Planeten 28 im Eingriff. Die Planeten 28 stehen mit dem anderen Hohlrad 24 und dem Sonnenrad 25 in Eingriff.
2 verdeutlicht in einem Drehzahlleiterdiagramm die Drehzahlverhältnisse in diesem Lastschaltgetriebe 1. Im linken Diagramm sind die Drehzahlverhältnisse im Vorschaltgetriebe 2 dargestellt. Der Abstand der vier Drehzahlleitern für die Wellen 11, 13, 14 und das Hohlrad 24 ergeben sich aus den Zähnezahlen der Räder. Das Hohlrad 24 steht. Die Antriebswelle 11 dreht mit der bezogenen Drehzahl 1. Die Linie dieses Betriebspunktes schneidet die Drehzahlleitern der Wellen 13 und 14 bei deren bezogenen Drehzahlen. Die Welle 13 dreht also langsamer als die Antriebswelle 11 und die Welle 14 dreht schneller als die Antriebswelle 11.
Das Überlagerungsgetriebe 3 hat nach 1 eine abtriebsseitige Überlagerungswelle 15, die hier fest mit der Abtriebswelle 12 verbunden ist, sowie eine Abstützwelle 16 und eine Hauptkoppelwelle 17. Das Überlagerungsgetriebe 3 ist auch als Planetenradgetriebe ausgeführt. Das Sonnenrad 29 sitzt auf der Abstützwelle 16. Das Sonnenrad 30 sitzt auf der Hauptkoppelwelle 17. Der Planetenradsträger 32 ist die abtriebsseitige Überlagerungswelle 15.
In den ersten drei Gängen des Lastschaltgetriebes 1 wird die Abstützwelle 16 mittels des Gruppenschaltelementes 8 mit dem Getriebegehäuse 10 verbunden. Hier stellt sich dann eine hohe Übersetzung zwischen der Hauptkoppelwelle 17 und der Abtriebswelle 12 ein.
Im ersten Gang wird nun die langsame Vorschaltwelle 13 mittels eines ersten Lastschaltelementes 4 mit der Hauptkoppelwelle 17 verbunden. Die langsame Drehzahl dieser Welle 17 wird dann im Überlagerungsgetriebe 3 noch weiter zur Abtriebswelle 12 hin übersetzt.
Um die Schaltung in den zweiten Gang vorzubereiten, wird die Hauptkoppelwelle 17 mittels eines Zwischenschaltelementes 20 mit der Zwischenwelle 19 verbunden. Die eigentliche Lastschaltung erfolgt mittels des zweiten Lastschaltelementes 5, das die Antriebswelle 11 mit der Zwischenwelle 19 verbinden kann. Das erste Lastschaltelement 4 wird wieder geöffnet.
Für den Gangwechsel in den 3. Gang ist mit dieser Getriebestruktur keine vorbereitende Schaltung nötig. Die Lastschaltung in den 3. Gang erfolgt durch Schließen des dritten Lastschaltelementes 6 zwischen der schnellen Vorschaltwelle 14 und der Hauptkoppelwelle 17 und durch Öffnen des zweiten Lastschaltelementes 5.
Um die Schaltung in den vierten Gang vorzubereiten, wird die Zwischenwelle 19 mittels des Zwischenschaltelementes 20 von der Hauptkoppelwelle 17 getrennt und direkt mit der Abtriebswelle 12 verbunden. Die eigentliche Lastschaltung erfolgt mittels des zweiten Lastschaltelementes 5, das wieder die Antriebswelle 11 mit der Zwischenwelle 19 verbinden kann. Lastschaltelement 6 wird wieder geöffnet.
Der vierte Gang ist ein Direktgang mit der Übersetzung 1:1 zwischen Antrieb und Abtrieb. In diesem Gang fließt die Leistung am Vorschaltgetriebe 2 und am Überlagerungsgetriebe 3 vorbei. Zur Vorbereitung der Schaltung in den fünften Gang kann man jetzt die Abstützwelle 16 vom Getriebegehäuse 10 lösen und mit der schnellen Vorschaltwelle 14 verbinden. Dies geschieht mittels des Gruppenschaltelementes 8. Bei dieser vorbereitenden Schaltung wird die Abstützwelle 16 beschleunigt und die Hauptkoppelwelle 17 verzögert. Die Leistung zur Beschleunigung der Abstützwelle 16 kommt also zu einem Großteil aus der kinetischen Energie, die die Drehmasse der Hauptkoppelwelle 17 bei ihrer Verzögerung abgibt. Dies entlastet die Synchronisiereinrichtung des Gruppenschaltelementes 8.
Die Lastschaltung in den fünften Gang erfolgt durch Schließen des ersten Lastschaltelementes 4, das wieder die langsame Vorschaltwelle 13 mit der Hauptkoppelwelle 17 verbindet, und durch Öffnen des Lastschaltelementes 5.
Die Gangwechsel in den sechsten und siebten Gang entsprechen einschließlich der vorbereitenden Schaltungen im Wesentlichen den Gangwechseln in den zweiten und dritten Gang.
Da in den Gängen fünf, sechs und sieben die Abstützwelle 16 mit der schnellen Vorschaltwelle 14 verbunden ist, fließt über diesen Weg ein Teil der Leistung zum Abtrieb 12.
Im rechten Teil von 2 sieht man die bezogenen Drehzahlen im Überlagerungsgetriebe in allen sieben Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang. Die mit durchgezogenen Linien gekennzeichneten Betriebspunkte gehören zu den Gängen eins bis drei. Der Betriebszustand des direkten vierten Ganges ist durch die weit strichpunktierte Linie gekennzeichnet. Die mit gestrichelten Linien gekennzeichneten Betriebspunkte gehören zu den Gängen fünf bis sieben.
Zur Realisierung mindestens eines Rückwärtsganges hat das Überlagerungsgetriebe 3 hier eine Rückwärtsschaltwelle 18 und ein Rückwärtsschaltelement 9. Zur Vorbereitung einer Schaltung in den Rückwärtsgang wird zuerst das Gruppenschaltelement 8 an der Abstützwelle 16 geöffnet und das Rückwärtsschaltelement 9 geschlossen. Damit wird die Rückwärtsschaltwelle 18 mit dem Getriebegehäuse 10 verbunden. An der Rückwärtsschaltwelle 18 sitzt das Hohlrad 31. Die Struktur des Planetengetriebes ist hier so gewählt, dass die Drehzahlleiter der Rückwärtsschaltwelle 18 zwischen den Drehzahlleitern der Hauptkoppelwelle 17 und der abtriebsseitigen Überlagerungswelle 15 liegt. Wenn die Rückwärtsschaltwelle steht erhält man eine negative Übersetzung zwischen der Hauptkoppelwelle 17 und der Abtriebswelle 12. Die kurz strichpunktierte Linie im Drehzahlleiterdiagramm nach 2 verdeutlicht die bezogenen Drehzahlen im ersten Rückwärtsgang.
Da in diesem Lastschaltgetriebe die Antriebswelle 11 sowie die beiden Vorschaltwellen 13 und 14 lastschaltbar mit der Hauptkoppelwelle 17 verbindbar sind, hat dieses Getriebe sogar 3 Rückwärtsgänge.
3 verdeutlicht die komplette Schaltlogik dieses Getriebes. Beispielhaft sind hier auch die Getriebeübersetzungen angegeben. Die ersten vier Gänge lassen sich stark progressiv abstufen. Die letzten vier Gänge sind eher geometrisch gestuft. Dies führt zu einer sehr anwendungsgerechten Gesamtabstufung aller sieben Vorwärtsgänge. Die Übersetzung des ersten Rückwärtsganges lässt sich unabhängig von den Vorwärtsgängen in einem weiten Bereich frei wählen.
Zur Versorgung einer hydraulischen Getriebesteuerung mit Drucköl hat das Lastschaltgetriebe 1 mindestens eine Ölpumpe 35. Im Getriebe nach 1 wird diese Ölpumpe 35 von der Antriebswelle 11 getrieben. Alternativ dazu könnte diese Pumpe auch von einer der beiden Vorschaltwellen 13 oder 14 angetrieben werden. Da in dieser Getriebestruktur feste Drehzahlverhältnisse zwischen den Wellen 11, 13 und 14 bestehen, würde die Pumpe sofort Öl fördern, sobald eine dieser drei Wellen dreht.
Das Lastschaltgetriebe nach 1 hat keine Trennkupplung 38 zwischen der Antriebswelle 11 und einem Verbrennungsmotor 37. Sobald alle drei Lastschaltelemente geöffnet sind, ist der Leistungsfluss vom Verbrennungsmotor 37 zum Abtrieb 12 unterbrochen. Zum Anfahren aus dem Stillstand des Abtriebs 12 bei drehendem Antrieb 11 kann man z.B. das erste Lastschaltelement 4 nutzen. Es muss dann aber auf die höhere Belastung ausgelegt sein.
4 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes mit einem hydrodynamischen Wandler zwischen Verbrennungsmotor 37 und Antriebswelle 11. So ein Wandler liefert eine sehr komfortable Anfahrcharakteristik und kann die übrigen Lastschaltelemente bei den Gangwechseln entlasten. Die Getriebestruktur entspricht ansonsten der Struktur nach 1. In einer Ausführungsvariante mit Wandler wird die Ölpumpe meist vom Verbrennungsmotor über die Pumpenwelle des Wandlers angetrieben, so dass die Ölpumpe fördert sobald sich der Verbrennungsmotor dreht.
Die Getriebestruktur nach 5 hat ein viertes Lastschaltelement 7. Damit kann man die Antriebswelle 11 direkt mit der Hauptkoppelwelle 17 verbinden. Die Zwischenwelle 19 und das Zwischenschaltelement 20 können in dieser Struktur entfallen. Dafür benötigt man das zusätzliche vierte Lastschaltelement, dass aber auch den zusätzlichen Vorteil bringt, dass dieses Getriebe dann beliebig zwischen den Gängen eins bis vier bzw. zwischen den Gängen vier bis sieben lastschaltbar ist.
Die Getriebestruktur nach 6 hat nur zwei Lastschaltelemente für sieben lastschaltbare Vorwärtsgänge. Dafür benötigt es aber eine zusätzliche Hilfswelle 21 und ein Hilfsschaltelement 22. Mit diesem Hilfsschaltelement 22 ist die Hilfswelle 21 mit der langsamen Vorschaltwelle 13 oder der schnellen Vorschaltwelle 14 verbindbar. Das erste Lastschaltelement 4 kann nun die Hilfswelle 21 unter Last mit der Hauptkoppelwelle 17 verbinden.
7 zeigt noch eine Variante des Lastschaltgetriebes nach 1 für eine Front-Quer-Anwendung. Da der Planetenradträger 32 des Überlagerungsgetriebes mit der Abtriebswelle 12 verbunden ist, kann für diese Anwendung die Abtriebswelle 12 ohne große konstruktive Änderungen zwischen dem Überlagerungsgetriebe 3 und dem Vorschaltgetriebe 2 angeordnet werden. Von dort wird die Leistung, wie nach dem Stand der Technik bekannt, über Vorgelegestufen zum Frontdifferential übertragen.
Bild 8 zeigt abschließend noch ein Hybridgetriebe auf Basis des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes 1. Im Getriebegehäuse 10 ist zwischen dem Vorschaltgetriebe 2 und dem Überlagerungsgetriebe 3 eine E-Maschine 36 angeordnet. Ihr Rotor ist in diesem Beispiel mit der schnellen Vorschaltwelle 14 verbunden.
Mit dieser E-Maschine 36 kann man die Abtriebswelle 12 in allen Gängen rein elektrisch treiben. Um den Verbrennungsmotor 37 dabei nicht mitschleppen zu müssen, hat dieses Getriebe noch eine Trennkupplung 38 zur schaltbaren Verbindung zum Verbrennungsmotor. Im rein elektrischen Fahrbetrieb ist diese Trennkupplung vorzugsweise offen. Die Anbindung der E-Maschine 36 an die schnelle Vorschaltwelle 14 hat den Vorteil der um den Stufensprung zwischen den Gängen zwei und drei höheren Übersetzung dieser Welle 14 zur Abtriebswelle 12. Die maximale Übersetzung zwischen E-Maschine und Abtriebswelle beträgt dann i_{Eab_1.Gang} = 7,269 bei einer Auslegung nach 3.
Mit der Übersetzung von der schnellen Vorschaltwelle 14 zur Antriebswelle 11 kann mit dieser E-Maschine 36 der Verbrennungsmotor 37 auch aus dem Stillstand heraus beschleunigt und gestartet werden. Dazu muss aber dann die Trennkupplung 38 zwischen Verbrennungsmotor und Antriebswelle geschlossen sein und es müssen alle die Lastschaltelemente im Getriebe offen sein, die eine Drehmomentübertragung zum Abtrieb 12 aufbauen könnten.
Das Vorschaltgetriebe 2 kann auch als Überlagerungsgetriebe ausgebildet sein. Dies lässt sich z.B. dadurch erreichen, dass das Hohlrad 24 schaltbar mit dem Getriebegehäuse 10 verbindbar ist. Wenn das Hohlrad 24 vom Getriebegehäuse 10 abgekoppelt ist, kann man im Vorschaltgetriebe die Drehzahlen der E-Maschine und des Verbrennungsmotors stufenlos überlagern. Somit wird aus dem vielgängigen Lastschaltgetriebe ein stufenloses Lastschaltgetriebe.
Die in der Getriebeausführung nach 8 in jedem Gang mitdrehende E-Maschine 36 kann auch immer das Bordnetz des Fahrzeugs mit Energie versorgen und dem Antriebsstrang jederzeit ein elektrisches Zusatzdrehmoment aufprägen (boosten). Außerdem kann jederzeit im Schubbetrieb kinetische Energie über diese E-Maschine in einen elektrischen Speicher übertragen werden.
In dem Getriebe nach 8 ist die Pumpe 35 an Welle 14 angeschlossen. Da die schnelle Vorschaltwelle 14 schneller als die Antriebswelle 11 dreht, reicht hier eine kleinere Ölpumpe für eine bestimmten Volumenstrom aus. Die Pumpe 35 muss von der E-Maschine 36 oder dem Verbrennungsmotor 37 so angetrieben werden, dass die hydraulische Steuerung zur Betätigung der Lastschaltelemente ausreichend versorgt ist.

1: Lastschaltgetriebe
2: Vorschaltgetriebe
3: Überlagerungsgetriebe
4: erstes Lastschaltelement
5: zweites Lastschaltelement
6: drittes Lastschaltelement
7: viertes Lastschaltelement
8: Gruppenschaltelement
9: Rückwärtsschaltelement
10: Gehäuse
11: Antriebswelle
12: Abtriebswelle
13: langsame Vorschaltwelle
14: schnelle Vorschaltwelle
15: abtriebsseitige Überlagerungswelle
16: Abstützwelle
17: Hauptkoppelwelle
18: Rückwärtsschaltwelle
19: Zwischenwelle
20: Zwischenschaltelement
21: Hilfswelle
22: Hilfsschaltelement
23: erstes Hohlrad Vorschaltgetriebe
24: zweites Hohlrad Vorschaltgetriebe
25: Sonnenrad Vorschaltgetriebe
26: Planetenträger Vorschaltgetriebe
27: erster Planet Vorschaltgetriebe
28: zweiter Planet Vorschaltgetriebe
29: erstes Sonnenrad Überlagerungsgetriebe
30: zweites Sonnenrad Überlagerungsgetriebe
31: Hohlrad Überlagerungsgetriebe
32: Planetenträger Überlagerungsgetriebe
33: erster Planet Überlagerungsgetriebe
34: zweiter Planet Überlagerungsgetriebe
35: Ölpumpe
36: E-Maschine
37: Verbrennungsmotor
38: Trennkupplung

Claims

Lastschaltgetriebe (1) zwischen einer Antriebswelle (11) und einer Abtriebswelle (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe zwei Teilgetriebeblöcke beinhaltet, nämlich ein Vorschaltgetriebe (2), das von der Antriebswelle (11) angetrieben wird, und dass mindestens zwei weitere Wellen (13) und (14) aufweist, von denen eine langsame Vorschaltwelle (13) langsamer dreht als die Antriebswelle (11) und eine schnelle Vorschaltwelle (14) schneller dreht als die Antriebswelle (11), und ein Überlagerungsgetriebe (3) mit mindestens drei Wellen, von denen eine abtriebsseitige Überlagerungswelle (15) mit der Abtriebswelle (12) in Verbindung steht, von denen eine Abstützwelle (16) mit dem Getriebegehäuse (10) oder einer der Wellen des Vorschaltgetriebes verbindbar ist und von denen eine Hauptkoppelwelle (17) mit der Antriebswelle (11) und mindestens zwei Wellen (13, 14) des Vorschaltgetriebes verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (11) direkt mit der Abtriebswelle (12) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) ein erstes Lastschaltelement (4) aufweist, mit dem die langsame Vorschaltwelle (13) mit der Hauptkoppelwelle (17) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) ein zweites Lastschaltelement (5) aufweist, mit dem die Antriebswelle (11) mit der Hauptkoppelwelle (17) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) ein drittes Lastschaltelement (6) aufweist, mit dem die schnelle Vorschaltwelle (14) mit der Hauptkoppelwelle (17) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) ein viertes Lastschaltelement (7) aufweist, mit dem die Antriebswelle (11) direkt mit der Abtriebswelle (12) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) eine Zwischenwelle (19) und ein Zwischenschaltelement (20) aufweist, mit dem die Zwischenwelle (20) entweder mit der Hauptkoppelwelle (17) oder mit der Abtriebswelle (12) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) ein zweites Lastschaltelement (5) aufweist, mit dem die Antriebswelle (11) mit der Zwischenwelle (19) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) eine Hilfswelle (21) und ein Hilfsschaltelement (22) aufweist, mit dem die Hilfswelle (21) entweder mit der langsamen Vorschaltwelle (13) oder mit der schnellen Vorschaltwelle (14) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) ein erstes Lastschaltelement (4) aufweist, mit dem die Hilfswelle (21) mit der Hauptkoppelwelle (17) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) ein Gruppenschaltelement (8) aufweist, mit dem die Abstützwelle (16) entweder mit dem Getriebegehäuse (10) oder mit einer der Wellen des Vorschaltgetriebes (2) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) eine Rückwärtsschaltwelle (18) und ein Rückwärtsschaltelement (9) aufweist, mit dem die Rückwärtsschaltwelle (18) mit dem Getriebegehäuse (10) oder einer der anderen Wellen verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgetriebe (2) in Planetenradbauweise aufgebaut ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgetriebe (2) ein vierwelliges Planetenradgetriebe ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Hohlrad (23) des Vorschaltplanetengetriebes (2) mit der Antriebswelle (11) in Verbindung steht, dass ein zweites Hohlrad (24) fest mit dem Getriebegehäuse (10) verbunden ist, dass die schnelle Vorschaltwelle (14) mit einem Sonnenrad (25) in Verbindung steht, dass ein Planetenradträger (26) die langsame Vorschaltwelle (13) ist, und dass der Planetenradträger (26) mehrere Sätze miteinander kämmender Planetenräder (27, 28) aufweist, von denen jeweils ein erster Planet (27) mit dem ersten Hohlrad (23) und dem zweiten Planeten (28) kämmt und von denen der zweite Planet (28) mit dem Sonnenrad (25) und dem zweiten Hohlrad (24) kämmt.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (3) in Planetenradbauweise aufgebaut ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Überlagerungsgetriebe (3) ein vierwelliges Planetenradgetriebe ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Sonnenrad (29) des Überlagerungsgetriebes (3) mit der Hauptkoppelwelle (17) in Verbindung steht, dass ein zweites Sonnenrad (30) die Abstützwelle (16) ist, dass ein Hohlrad (31) die Rückwärtsschaltwelle (18) ist, dass ein Planetenradträger (32) die abtriebsseitige Überlagerungswelle (15) darstellt und dass der Planetenradträger (32) mehrere Sätze miteinander kämmender Planetenräder (33, 34) aufweist, von denen jeweils ein erster Planet (33) mit dem ersten Sonnenrad (29) und dem Hohlrad (31) kämmt und von denen der zweite Planet (34) mit dem zweiten Sonnenrad (30) kämmt.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, das Lastschaltgetriebe (1) mindestens eine Ölpumpe (35) aufweist, die von der Antriebswelle (11) oder einer der Wellen (13, 14) des Vorschaltgetriebes (2) angetrieben wird.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, das Lastschaltgetriebe (1) eine E-Maschine (35) aufweist, die direkt mit der Antriebswelle (11) oder einer der Wellen (13, 14) des Vorschaltgetriebes (2) verbunden ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, das Lastschaltgetriebe (1) eine antriebsseitige Trennkupplung (38) aufweist.