DE102005035328B4

DE102005035328B4 - Doppelkupplungsgetriebe mit integrierter Elektromaschine und dessen Anwendung

Info

Publication number: DE102005035328B4
Application number: DE102005035328.2A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Kilian Stefan; Dipl.-Ing. Pascual Rafel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: US20070022835A1; JP2007055591A; US7540823B2; DE102005035328A1

Abstract

Doppelkupplungsgetriebe (1) mit einer Mehrzahl von schaltbaren Gängen, mit zwei Eingangswellen (8, 9), von denen eine erste Eingangswelle (8) als Hohlwelle und eine zweite Eingangswelle (9) als Vollwelle ausgebildet ist, wobei die zweite Eingangswelle (9) koaxial in der ersten Eingangswelle (8) gelagert ist, und bei dem die Eingangswellen (8, 9) dafür vorgesehen sind, ein Drehmoment von einem Antriebsmotor (4) in das Doppelkupplungsgetriebe (1) zu übertragen, und bei dem das Doppelkupplungsgetriebe (1) eine Doppelkupplung (2), eine Abtriebswelle (12) und zumindest eine erste Vorgelegewelle (10) aufweist, welche als Hohlwelle ausgebildet ist und eine zweite Vorgelegewelle (11) relativ zu dieser drehbar gelagert aufnimmt, wobei zumindest eine Elektromaschine (EM1 bis EM6) so ausgebildet und angeordnet ist, dass diese in der Lage ist, ein Drehmoment direkt zumindest in die Eingangsseite (5) der Doppelkupplung (2) und/oder in eine der beiden Eingangswellen (8, 9) und/oder in zumindest eine Getriebevorgelegewelle (10, 11) einzuleiten oder von diesen aufzunehmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Doppelkupplungsgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Nutzung dieses Doppelkupplungsgetriebes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Es ist seit längerem bekannt, zu unterschiedlichen Zwecken einen oder mehrere Elektromaschine in oder an einem Getriebe anzuordnen. Die Anwendungen unterteilen sich grundsätzlich in zwei Gruppen: Einerseits können der oder die Elektromaschinen die Aufgaben von elektromotorischen Aktuatoren zur Schaltung von Getriebegängen erfüllen und somit den Momentenfluss durch das Getriebe beeinflussen, ohne jedoch selbst ein Drehmoment in eine Welle einzuspeisen, andererseits können ein oder mehrere Elektromaschinen in einem Getriebe ein Drehmoment in eine Getriebewelle einspeisen und/oder von einer Getriebewelle durch einen generatorischen Betrieb abnehmen.
Aus der DE 101 33 695 A1 sowie aus der US 2002 003 30 59 A1 sind Doppelkupplungsgetriebe bekannt, welche über eine integrierte Elektromaschine verfügen, die an verschiedenen Stellen im Getriebe angeordnet sein kann, jedoch stets auf eine Eingangswelle des Getriebes wirkt. Es sind in diesen Druckschriften eine Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen offenbart und eine Anzahl möglicher Nutzungsarten der Elektromaschine genannt. Beispielsweise wird die mögliche Synchronisierung von Getriebeelementen zur Schaltung von Fahrgängen durch die Elektromaschine angesprochen. Ebenso werden die Möglichkeiten des Kaltstartens und des Warmstartens eines mit dem Getriebe verbundenen Verbrennungsmotors sowie die Gewinnung von elektrischer Energie durch einen Generatorbetrieb der Elektromaschine vorgestellt. Hierfür wird die im Getriebe befindliche Elektromaschine durch den Verbrennungsmotor, einen weiteren Elektromotor oder auch durch die Energie eines ausrollenden Fahrzeugs mit einem Drehmoment beaufschlagt und als Generator betrieben.
Weiter wird erwähnt, dass die Leistung eines im Getriebe befindlichen Elektromotors dazu verwendet werden kann, mit dem außerhalb des Getriebes befindlichen Antriebsmotor zusammen zu wirken und somit die maximale am Getriebeausgang abrufbare Leistung bzw. das maximal abrufbare Drehmoment zu erhöhen. Schließlich wird erwähnt, dass der im Getriebe befindliche Elektromotor auch als alternativer Antrieb genutzt werden kann, wodurch sich die Möglichkeit eines Fahrens ohne Beteiligung des Verbrennungsmotors oder sonstigen außerhalb des Getriebes befindlichen Hauptmotors ergibt.
Sowohl die DE 101 33 695 A1 als auch die US 2002 003 30 59 A1 beziehen sich jedoch ausschließlich auf Doppelkupplungsgetriebe, bei denen zumindest ein Gang automatisch mittels zumindest eines Aktuators schaltbar ist. Für Doppelkupplungsgetriebe, welche die Möglichkeit einer vollständig manuellen Schaltung ohne die Nutzung eines Aktuators zum automatischen Schalten bieten, bzw. für Doppelkupplungsgetriebe, welche gänzlich ohne das bauliche Vorsehen eines Aktuators zum automatischen Schalten auskommen, werden keine Vorschläge gemacht.
Den verschiedenen Varianten der in der DE 101 33 695 A1 sowie der US 2002 003 30 59 A1 offenbarten Ausführungen ist weiter gemeinsam, dass die im Getriebe vorgesehene Elektromaschine stets auf eine Eingangswelle wirkt bzw. dass stets zumindest eine Getriebeeingangswelle mit der Elektromaschine verbindbar ist. Es werden zwar verschiedene Ausgestaltungen vorgestellt, bei denen die Elektromaschine sich nicht direkt an einer Eingangswelle des Getriebes befindet und auch nicht direkt auf diese wirkt, letztlich wird das elektromotorisch aufgebrachte Drehmoment jedoch stets auf die Getriebeeingangswelle übertragen bzw. beim generatorischen Betrieb der Elektromaschine von dieser abgenommen.
Hieraus ergeben sich gewisse Nachteile in Bezug auf den möglichen maximalen Wirkungsgrad. Wenn etwa bei einem Fahrzeug im Segelbetrieb, also während einer antriebslosen Vortriebsphase, kinetische Energie des Fahrzeugs über dessen Räder abgenommen und in das Getriebe eingeleitet wird, wäre es erstrebenswert, diese Leistung schon möglichst frühzeitig, beispielsweise im Bereich der Getriebeausgangswelle abzunehmen und nicht erst verlustbehaftet durch das gesamte Getriebe zu leiten.
Zudem wäre es wünschenswert, wenn die Kupplungen so geschaltet werden könnten, dass beispielsweise bei einer Rückgewinnung von elektrischer Energie beim Ausrollen eines Fahrzeugs die nicht für den Momentenfluss von den Rädern des Fahrzeugs zu dem oder den Elektromaschinen benötigte Wellen nicht angetrieben werden, und dementsprechend keine oder nur sehr geringe Verlustleistungen verursachen. Dies ist jedoch nach dem zitierten Stand der Technik nicht möglich, da der Elektromotor bzw. Generator stets auf eine Eingangswelle des Getriebes wirkt.
Neben der Problemstellung einer verbesserten Anordnung einer oder mehrerer Elektromaschinen in einem Schaltgetriebe zur Verringerung der Verlustleistungen in Bezug auf bestimmte Betriebsweisen und Nutzungsarten des oder der Motoren ist zu bedenken, dass ein Getriebe für die räumliche Auslegung eines Fahrzeugs ein kritisches Teil ist, an das eine Vielzahl von unterschiedlichen Forderungen bezüglich Gewicht, Schwerpunkt, Geometrie, Ort, Anzahl und Stärke der Wärme entwickelnden Komponenten und weiteres mehr gestellt werden.
Vor diesem Hintergrund ist es wünschenswert, neue Möglichkeiten der räumlichen Integration eines oder mehrerer Elektromaschinen in einem Getriebe zu finden. Dies gilt umso mehr bei einem Doppelkupplungsgetriebe, da diese Getriebe oft für Anwendungen vorgesehen sind, die besonders hohen Anforderungen an den Betrieb, die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad des Getriebes stellen. Zudem tendieren Doppelkupplungsgetriebe oft bereits in ihrer ursprünglichen Form ohne integrierte Elektromaschinen dazu, im Vergleich zu anderen Getriebebauarten ein erhöhtes Gewicht und Volumen aufzuweisen.
Der Begriff der Elektromaschine umfasst im Rahmen dieser Anmeldung und soweit nicht ausdrücklich anders benannt stets solche elektrischen Maschinen, die elektromotorisch und/oder generatorisch betrieben werden können.
Es wurden bereits spezielle Bauformen von Doppelkupplungsgetrieben entwickelt, welche den benötigten Bauraum dadurch reduzieren, dass mehrere Wellen ähnlicher Funktion örtlich integriert werden. Hierfür ist zumindest eine Hohlwelle vorgesehen, in der eine Vollwelle drehbar gelagert ist. Diese Bauform bietet auch in Bezug auf den benötigten Bauraum der Doppelkupplung erhebliche Vorteile, da eine getrennt steuerbare Einleitung eines Drehmomentes in beide Getriebeeingangswellen ohne Vorschaltung von weiteren Getriebeelementen zur Verteilung des Drehmomentes auf unterschiedliche Wellen möglich ist. Zudem können beide Kupplungen des Doppelkupplungsgetriebes vorteilhaft und Platz sparend in einem gemeinsamen Kupplungsgehäuse auf kleinstem Raum integriert werden. Wenn zudem mehrere, bevorzugt zwei Vorgelegewellen ebenfalls räumlich integriert werden, indem wiederum eine Vorgelegewelle als Hohlwelle ausgestaltet ist, in der eine als Vollwelle ausgebildete Vorgelegewelle drehbar gelagert ist, sind besonders kleine Getriebe mit vergleichsweise vielen Übersetzungsstufen möglich, die in vielen Fällen den Einsatz von Doppelkupplungsgetrieben und die Nutzung von deren spezifischen Vorteilen überhaupt erst ermöglichen.
Gerade bei diesen bauraum- und gewichtsoptimierten vielgängigen Getrieben mit mehreren Hohlwellen, welche jeweils Vollwellen drehbar gelagert aufnehmen, ist es von besonderem Vorteil, wenn durch besondere Formen der Integration von Elektromaschinen im Getriebe neue Nutzungsmöglichkeiten geschaffen werden, die eine Ausstattung dieser Getriebe mit Elektromaschinen auch bei stark limitierten bzw. vorgegebenen Bauräumen gestatten und zudem nach Möglichkeit auch noch eine wirkungsgradoptimierte Nutzung dieser Elektromaschinen gestatten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, neue Möglichkeiten für die Integration von Elektromaschinen in stark integrierte Doppelkupplungsgetriebe vorzustellen, um neue Anwendungsgebiete für derartige Aggregatekombinationen unter limitierenden Bauraumverhältnissen zu erschließen. Zudem soll durch geeignete Anordnung des oder der Elektromaschinen eine Optimierung des Wirkungsgrades der Elektromaschinen zumindest in Bezug auf bestimmte Einsatzmöglichkeiten derselben erreicht werden.
Die Lösung dieser Aufgaben ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den jeweils zugeordneten Unteransprüchen entnehmbar sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Möglichkeiten der Integration eines derartigen Getriebes in einen vorhandenen und begrenzten Bauraum deutlich verbessern lassen, wenn es gelingt, bisher unbekannte Möglichkeiten der Integration zumindest einer Elektromaschine in ein solches Doppelkupplungsgetriebe zu finden. Der Erfindung liegt weiter die Erkenntnis zu Grunde, dass durch die Nutzung bisher ungenutzter Orte zur Integration zumindest einer Elektromaschine in einem Getriebe die Voraussetzung geschaffen wird, um für bestimmte Anwendungsgebiete der Elektromaschine die Verlustleistungen des Getriebes zu minimieren und somit den Gesamtwirkungsgrad zu optimieren.
Demnach geht die Erfindung aus von einem Doppelkupplungsgetriebe mit einer Mehrzahl von schaltbaren Gängen und mit zwei Eingangswellen, von denen eine erste Eingangswelle als Hohlwelle und eine zweite Eingangswelle als Vollwelle ausgebildet ist, wobei letztere in der ersten Eingangswelle relativ zu dieser drehbar gelagert angeordnet ist. Zudem sind die beiden Eingangswellen in der Lage und dafür vorgesehen, ein Drehmoment von einem Antriebsmotor, der ein Kolbenmotor mit innerer Verbrennung sein kann, in das Doppelkupplungsgetriebe zu übertragen. Außerdem verfügt das Doppelkupplungsgetriebe über eine koaxiale Doppelkupplung, eine Abtriebswelle und zumindest eine erste Vorgelegewelle, welche als Hohlwelle ausgebildet ist, in der eine zweite Vorgelegewelle drehbar gelagert aufgenommen ist.
Die Erfindung bezieht sich damit auf eine spezielle Bauform eines Doppelkupplungsgetriebes, welche sich besonders gut für den Einbau unter beengten Raumverhältnissen eignet und daher vorteilhaft beispielsweise in Kraftfahrzeuge integriert werden kann. Unter einer koaxialen Doppelkupplung wird dabei eine Doppelkupplung verstanden, welche zwei getrennt schaltbare Kupplungen umfasst, die ein eingangsseitig eingeleitetes Drehmoment wahlweise an deren jeweilige Ausgangsseite weiterleiten können. Diese Ausgangsseiten der beiden Kupplungen der Doppelkupplung sind mit der hohlen Getriebeeingangswelle bzw. mit der in dieser koaxial gelagerten Getriebeeingangswelle verbunden. Dabei ist es unerheblich, ob die Doppelkupplung in einem gemeinsamen Gehäuse mit den übrigen Getriebeelementen oder in einem separaten Gehäuse untergebracht ist.
Die Kombination der beiden koaxial zueinander angeordneten Getriebeeingangswellen mit einer Hohlwelle und einer darin drehbar angeordneten Vollwelle schließt auch Varianten mit ein, in denen letztere Welle ihrerseits eine axiale Bohrung aufweist, die beispielsweise eine weitere Welle oder auch einen Kühlmittelstrom aufnehmen kann. Die gewählten Bezeichnungen dienen insofern der einfachen Unterscheidbarkeit der Wellen und sind nicht so zu verstehen, dass die Vollwelle keinen axialen Durchbruch aufweisen kann.
Zur Lösung der gestellten Aufgaben ist vorgesehen, dass zumindest eine Elektromaschine so ausgebildet und angeordnet ist, dass diese in der Lage ist, ein Drehmoment direkt zumindest auf die Eingangsseite der Doppelkupplung und/oder in eine der beiden Eingangswellen des Doppelkupplungsgetriebes und/oder in zumindest eine Getriebevorgelegewelle und/oder in zumindest die Abtriebswelle des Doppelkupplungsgetriebes einzuleiten oder von diesen aufzunehmen.
Unter dem Begriff der direkten Einleitung oder Aufnahme eines Drehmomentes durch die Elektromaschine wird verstanden, dass diese beispielsweise mit ihrem beweglichen Teil drehfest mit der genannten Getriebewelle bzw. Eingangsseite der Doppelkupplung verbunden ist, sodass die Rotationsachsen der Welle der Elektromaschine mit der Getriebewelle bzw. Eingangsseite der Doppelkupplung auf einer Linie liegen. Alternativ dazu kann der Motor auch über zwischengeschaltete Übertragungsglieder, die innerhalb des Funktionsraumes des Getriebes keine weitere Funktion zu erfüllen haben, auf eine der genannten Getriebewelle bzw. die Eingangsseite der Doppelkupplung wirken. Eine mittels eines eigenen Getriebes, eines Riemens, einer Kette oder eines Zahnradpaars auf eine Getriebewelle bzw. Eingangsseite der Doppelkupplung wirkende Elektromaschine wirkt definitionsgemäß demnach direkt auf die Getriebewelle bzw. die Eingangsseite der Doppelkupplung, während beispielsweise eine Elektromaschine, die in diesem Sinne direkt auf eine Vorlegewelle des Getriebes wirkt, nicht direkt auf eine Eingangswelle oder die Ausgangswelle einwirkt.
Ein derartig gestaltetes Doppelkupplungsgetriebe zeichnet sich durch eine erheblich vergrößerte Designfreiheit und insbesondere durch die Möglichkeit einer verbesserten Anpassung an die vorhandenen bzw. vorgegebenen Raumverhältnisse aus. Unterschiedliche Einbauorte für den oder die Elektromaschinen weisen zudem unterschiedliche typische Drehzahlverhältnisse auf. Durch eine Vergrößerung der Anzahl der Einbauorte wird es in vielen Fällen in der Praxis erst möglich oder zumindest erleichtert, eine gute Abstimmung zwischen den Elektromaschinen und dem Doppelkupplungsgetriebe zu erreichen. Dies gilt umso mehr, wenn das Doppelkupplungsgetriebe hinsichtlich seiner konstruktiven Merkmale im Wesentlichen vorgegeben ist, also z. B. ein vorhandenes Getriebekonzept ergänzt werden soll, und dabei auf eine begrenzte Palette standardisierter Elektromaschinen zurückgegriffen werden kann.
Weiter ist gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 außerdem vorgesehen, dass die zumindest eine Elektromaschine so angeordnet ist, dass diese unmittelbar auf die Eingangsseite der koaxialen Doppelkupplung wirken kann. Dadurch ist es möglich, die Elektromaschine außerhalb des Getriebefunktionsraumes bzw. des Kupplungsfunktionsraumes anzuordnen, und bietet dementsprechend die Möglichkeit einer Montage außerhalb des Getriebegehäuses. Eine besonders einfache Implementierung in ein vorhandenes Doppelkupplungsgetriebekonzept, eine besonders gute Zugänglichkeit für eventuelle Wartungs- oder Servicearbeiten und eine potenziell bessere Kühlung der Elektromaschine sind einige der möglichen Vorteile dieser Ausgestaltung.
Bei einer Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine zu der unmittelbar mit der Elektromaschine zusammenwirkenden Eingangswelle der Doppelkupplung können zudem bei einem Generatorbetrieb derselben sehr geringe Verlustleistungen erreicht werden. Dies bietet beispielsweise bei stehendem Fahrzeug besondere Vorteile, wenn bei einer weitgehend entladenen Batterie nach einem Fremdstart zunächst eine Mindestladung der Batterie sichergestellt werden soll, um eine sichere Teilnahme am Straßenverkehr überhaupt erst zu gewährleisten. Daneben gilt der Vorteil der geringen möglichen Verlustleistungen auch für die Nutzung der Elektromaschine zum Starten des Antriebsmotors.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Doppelkupplungsgetriebe so ausgestaltet, dass alle Gänge rein manuell schaltbar sind und insbesondere keine gesonderten Aktuatoren zur automatischen Schaltung von Gängen vorgesehen sind.
Wenn das Doppelkupplungsgetriebe sämtliche Gänge vollkommen mechanisch schalten kann und ohne die Nutzung eines Aktuators zur automatischen Schaltung zumindest eines Ganges auskommt, so können aufwändige Sicherheitsschaltungen zur Verhinderung von elektrischen Fehlfunktionen oder für einen möglichen Ausfall von elektronischen Komponenten bzw. von Aktuatoren weitgehend entfallen, zumindest jedoch der dafür notwendige Aufwand erheblich reduziert werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der soeben vorgestellten Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Kupplung vorgesehen ist, welche eine wahlweise Trennung des Antriebsmotors von der Elektromaschine ermöglicht. Bei diesem Aufbau kann bei einem Startvorgang des Verbrennungsmotors zunächst die Elektromaschine auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt werden, um anschließend durch Schließen der Kupplung unter Ausnutzung der in der trägen Masse der rotierenden Teile gespeicherten Energie ein großes anfängliches Drehmoment zur Verfügung zu stellen.
Bei Bedarf, etwa bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, kann zudem durch Schließen zumindest einer der Kupplungen der Doppelkupplung und eine Schaltung des Getriebes in einen Zustand, bei dem keine Kraftübertragung an die Räder des Fahrzeugs stattfindet, zudem ein Teil des Getriebes als Schwungmasse genutzt und in Rotation versetzt werden, umbeispielsweise ein hohes Andrehmoment der Verbrennungskraftmaschine zu überwinden.
Zudem kann die auf die Elektromaschine wirkende Belastung durch einen vorhergehenden Anlauf derselben ohne Last und dadurch auch das Bauvolumen der Elektromaschine deutlich verringert werden, ohne ihre Fähigkeit zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine zu beieinträchtigen. Schließlich kann die Elektromaschine bei geöffneter Kupplung zur Verbrennungskraftmaschine auch vorteilhaft zum Rangieren des Fahrzeugs oder als Hilfsantrieb verwendet werden, da durch das nachgeschaltete Doppelkupplungsgetriebe vielfältige Möglichkeiten der Drehzahlübersetzung gegeben sind. Es ist hier allerdings mit entsprechend höheren Verlustleistungen zu rechnen.
Wenn die Elektromaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung unmittelbar auf eine Eingangswelle des Doppelkupplungsgetriebes wirkt, bietet dies gerade bei zwei koaxial ineinander gelagerten Eingangswellen häufig bestimmte Vorteile in Bezug auf eine effektive Nutzung des vorhandenen Bauraumes, so dass in manchen Fällen auf eine diesbezügliche Modifikation des Getriebegehäuses vollständig oder weitgehend verzichtet werden kann. Zudem gelten die vorstehend beschriebenen Vorteile der ersten Variante der Erfindung und deren Weiterbildung im Wesentlichen auch für diese Variante. Eine gesonderte Kupplung zwischen der Elektromaschine und dem Antriebsmotor kann hier jedoch entfallen, da die Doppelkupplung zwischen Elektromaschine und Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Die träge Masse, die bei einem Anlaufen der Elektromaschine in Rotation versetzt werden muss, ist hier jedoch tendenziell höher, da die Masse der Eingangswelle in jedem Fall mit beschleunigt werden muss.
Zudem können sich gerade bei einem Kaltstart bei niedrigen Außentemperaturen erhebliche Verlustleistungen durch eine hohe Viskosität des Getriebeöls ergeben. Ob die Elektromaschine dabei auf die Hohlwelle oder auf die Vollwelle der beiden Getriebeeingangswellen wirken soll, ist jeweils anhand des konkret vorliegenden Doppelkupplungsgetriebes und dessen spezifischer Eigenschaften zu entscheiden. Grundsätzlich ist es selbstverständlich auch möglich, an beiden Getriebeeingangswellen Elektromaschinen vorzusehen, die wahlweise einzeln und/oder in Kombination verwendet werden können.
Eine dritte Ausgestaltung der Erfindung sieht dagegen vor, dass die zumindest eine Elektromaschine unmittelbar auf die Abtriebswelle bzw. eine von mehreren Abtriebswellen des Doppelkupplungsgetriebes wirkt. Hierdurch kann die Anzahl der sich mitdrehenden Getriebeelemente und damit die Verluste durch Reibung und Beschleunigung träger Massen besonders gering gehalten werden, wenn das Fahrzeug beispielsweise ausrollt oder eine Steigung hinunterfährt, und die Elektromaschine im Generatorbetrieb dazu verwendet wird, elektrische Energie zu erzeugen.
Daneben kann es aufgrund der bei bestimmten Bauformen für Elektromaschinen möglichen hohen Drehmomente auch vorteilhaft sein, ein langsames und zielgenaues Rangieren mit Hilfe einer direkt auf die Abtriebswelle wirkenden Elektromaschine zu ermöglichen. Schließlich kann diese Ausgestaltung unter bestimmten Umständen auch besonders dafür geeignet sein, um beispielsweise bei mittleren und höheren Geschwindigkeiten als alleiniger oder unterstützender Antrieb des Fahrzeugs zu dienen, und so z. B. die Fahrgeschwindigkeit konstant zu halten oder die mögliche Ausrollstrecke vor einem absehbaren Halt des Fahrzeugs, etwa bei einem Heranrollen an eine noch weit entfernte rote Ampel oder ein Stoppschild, deutlich zu verlängern.
In solchen Fällen ist der Energiebedarf für eine Beibehaltung der Geschwindigkeit oder zumindest für eine spürbare Verringerung der Verzögerung des Fahrzeugs sehr gering. Die Verbrennungskraftmaschine arbeitet damit in einem ausgesprochen ungünstigen Wirkungsgradbereich und kann sinnvollerweise abgeschaltet und durch das von der Elektromaschine bereitgestellte Drehmoment ersetzt werden.
Eine vierte Ausgestaltung der Erfindung sieht dagegen vor, dass die zumindest eine Elektromaschine unmittelbar auf eine Vorgelegewelle des Doppelkupplungsgetriebes wirkt. Dies bietet je nach konkreter Konstruktion des Doppelkupplungsgetriebes neben möglichen Vorteilen in Bezug auf den Bauraum die Möglichkeit, durch Schaltung von Getriebegängen auf besonders einfache Weise unterschiedliche Übersetzungen zur Ausgangswelle und/oder zu einer oder beiden Eingangswellen einzustellen, und so die Drehzahl der zumindest einen Elektromaschine auf den jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren. Ob die Elektromaschine dabei auf die als Hohlwelle oder auf die als Vollwelle ausgebildete Vorgelegewelle wirken soll, ist wiederum jeweils anhand des konkret vorliegenden Doppelkupplungsgetriebes und dessen spezifischer Eigenschaften zu entscheiden. Grundsätzlich ist es selbstverständlich auch möglich, an beiden Vorgelegewellen Elektromaschinen vorzusehen, die wahlweise einzeln und/oder in Kombination verwendet werden können.
Aus dem Vorstehenden geht hervor, dass die vorgestellten Ausführungsformen der Erfindung und die unterschiedlichen möglichen Einbauorte bzw. Einwirkungorte der Elektromaschinen an dem Doppelkupplungsgetriebe jeweils spezifische Vorteile aufweisen. Für eine möglichst universelle Nutzung der möglichen Vorteile kann es daher sinnvoll sein, zumindest zwei Elektromaschinen innerhalb des Doppelkupplungsgetriebes bzw. im Bereich der Doppelkupplung vorzusehen. Dabei kann für unterschiedliche Anwendungsfälle die jeweils am besten geeignete Elektromaschine genutzt oder auch mehrere Elektromaschinen gleichzeitig betrieben werden.
Während vorstehend unterschiedliche Orte für die Anordnung bzw. den Drehmomenteingriff in das Doppelkupplungsgetriebe von Elektromaschinen vorgestellt und deren jeweiligen spezifischen Vorteile erläutert wurden, soll im Folgenden auf eine Steuereinrichtung, die selbstverständlich auch eine Regeleinrichtung sein kann, eingegangen werden, die in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung besondere Vorteile bietet.
Gemäß dieses Aspekts der Erfindung ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, welche in der Lage ist, den oder die Elektromaschinen derartig anzusteuern, dass eine Verbrennungskraftmaschine gestartet werden kann und/oder dass eine Rekuperation durchgeführt werden kann und/oder dass ein Boosten der Leistung eines Verbrennungskraftmaschine möglich ist und/oder dass ein Generatorbetrieb des oder der Elektromaschinen möglich ist und/oder dass ein Rangierbetrieb des Fahrzeugs mit Hilfe des oder der Elektromaschinen erfolgen kann und/oder dass ein Fahren mit Hilfe des oder der Elektromaschinen möglich ist und/oder dass eine Synchronisation von drehenden Getriebeteilen durch eine oder mehrere Elektromaschinen erfolgen kann.
Dabei kann es im Falle eines Doppelkupplungsgetriebes mit Aktuatoren vorteilhaft sein, wenn die Steuereinrichtung die Aktuatoren mittelbar oder unmittelbar in der jeweils gewünschten Art aktivieren kann, um beispielsweise für das Anlassen der Verbrennungskraftmaschine eine Drehmomentübertragung an die Räder des Fahrzeugs zu unterbinden.
Für Getriebe ohne Aktuatoren genügt es jedoch auch, wenn Sensoren vorhanden sind, die einen für die jeweils gewählte Betriebsweise geeigneten Getriebezustand und/oder Kupplungszustand überprüfen. Es ist hier beispielsweise denkbar, bei ungünstigen Getriebezuständen und/oder Kupplungszuständen eine Meldung an den Fahrer auszugeben und ihn zu einem manuellen Eingriff aufzufordern.
Die einzelnen aufgeführten Funktionen sind grundsätzlich bekannt und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung. Die konkrete Umsetzung dieser Funktionen ist von dem Einbauort der Elektromaschine(n) und von der Bauart und der Auslegung des Getriebes sowie des gesamten Antriebsstranges abhängig, und kann dementsprechend nur im konkreten Einzelfall aufgrund der dort herrschenden Rahmenbedingungen benannt werden. Es kommt hier einzig darauf an, dass eine zentrale Steuerungseinrichtung in Verbindung mit den vorgenannten Ausgestaltungen der Erfindung die jeweils implementierten Funktionen steuert bzw. regelt. Dabei ist es möglich, dass diese Steuerungseinrichtung baulich in verschiedenen Modulen angeordnet ist oder ganz oder teilweise in ein anderes Steuergerät integriert ist.
Nachdem die erfindungsgemäße Vorrichtung und deren Vorteile beschrieben sind, soll nachstehend auf ein Verfahren zur Steuerung eines erfindungsgemäßen Doppelkupplungsgetriebes mit einer Mehrzahl von schaltbaren Gängen eingegangen werden, wobei das Doppelkupplungsgetriebe wie bereits erwähnt über zwei Eingangswellen verfügt, von denen eine erste Eingangswelle als Hohlwelle und eine zweite Eingangswelle als Vollwelle ausgebildet ist, wobei letztere in der ersten Eingangswelle drehbar gelagert angeordnet ist. Die genannten Eingangswellen sind in der Lage und dafür vorgesehen, ein Drehmoment von einem Antriebsmotor, der ein Kolbenmotor mit innerer Verbrennung sein kann, in das Doppelkupplungsgetriebe einzuleiten. Das Doppelkupplungsgetriebe weist eine koaxiale Doppelkupplung, eine Abtriebswelle und zumindest eine Vorgelegewelle auf, welche als Hohlwelle ausgebildet eine zweite Vorgelegewelle drehbar gelagert koaxial aufnimmt.
Innerhalb der vorstehend beschriebenen Getriebeanordnung ist zumindest eine Elektromaschine so ausgebildet und angeordnet, dass diese in der Lage ist, ein Drehmoment direkt zumindest auf die Eingangsseite der Doppelkupplung und/oder in eine der beiden Eingangswellen des Doppelkupplungsgetriebes und/oder in zumindest eine Getriebevorgelegewelle und/oder in zumindest die Abtriebswelle des Doppelkupplungsgetriebes einzuleiten oder von diesen aufzunehmen. Schließlich ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die aufgrund von Sensorwerten und/oder aufgrund von manuellen Eingaben eines Bedieners eine von mehreren Betriebsarten auswählt und zumindest den oder die Elektromaschinen so ansteuert, dass die ausgewählte Betriebsart wirksam wird.
Diese Steuerungseinrichtung kann die jeweils in der konkreten Erfindungsvariante verfügbaren und relevanten Getriebe- und/oder Fahrzeugdaten einlesen, wobei es unerheblich ist, ob diese direkt Sensordaten einliest oder bereits mehr oder weniger stark vorverarbeitete Daten anderer Steuerungsgeräte nutzt. Neben im engeren Sinne getriebebezogenen Daten gehören hierzu auch weitere Daten, die beispielsweise Aussagen über den Zustand des Antriebsmotors enthalten oder Auskunft über einen eingegebenen oder vermuteten Fahrerwunsch geben.
Mit Hilfe dieser Daten erzeugt die Steuerungseinrichtung Ausgangssignale, welche wiederum direkt auf das Doppelkupplungsgetriebe wirksam werden, indem beispielsweise eine oder mehrere der Elektromaschinen derartig angesteuert werden, dass diese ein Drehmoment in das Doppelkupplungsgetriebe bzw. in die Eingangsseite der Doppelkupplung einleiten oder von dort abnehmen.
Weiter kann die Steuerungseinrichtung auch Ausgangssignale an andere Module oder Aggregate senden, beispielsweise an die Motorsteuerung eines zu startenden Antriebsmotors. Eine derartige Steuerungseinrichtung fasst die sich aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergebenden Möglichkeiten optimal zusammen und vereinfacht so auch die Implementierung neuer Funktionen und die Einbindung in den Datenverkehr mit anderen Aggregaten oder Modulen.
Wenn das Doppelkupplungsgetriebe keine Aktuatoren aufweist oder diese aus bestimmten Gründen nicht verwendet werden sollen und ein Bediener alle Gänge rein manuell schaltet, ist gemäß einer diesbezüglichen Ausprägung des Verfahrens vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung jeweils unter denjenigen Betriebsarten auswählt, welche bei der augenblicklichen Getriebeschaltstellung sinnvoll sind.
Selbstverständlich kann auch eine Betriebsart gewählt werden, bei welcher keine der Elektromaschinen aktiv ist. Auf diese Weise können die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei Doppelkupplungsgetrieben ohne Aktuatoren weitgehend genutzt werden.
Bei Bedarf können neben den bereits erwähnten Daten, die mit anderen Modulen oder Aggregaten ausgetauscht werden, auch Meldungen an den Fahrer generiert werden, mit deren Hilfe dieser dazu aufgefordert werden kann, das Doppelkupplungsgetriebe manuell in einen bestimmten Zustand zu bringen, um eine als sinnvoll erkannte Betriebsart aktivieren zu können.
Wenn in einer dazu alternativen Ausgestaltung des Verfahrens die Steuerungseinrichtung mittels zumindest eines Aktuators wenigstens ein Getriebeteil des Doppelkupplungsgetriebes auch ohne eine Einwirkung des Bedieners in Abhängigkeit von eingelesenen Daten und bei Vorliegen von Bedingungen automatisch in unterschiedliche Übersetzungsstufen schalten kann, und die Steuerungseinrichtung zur Aktivierung einer gewünschten Betriebsart zunächst den Aktuator so ansteuert, dass das Doppelkupplungsgetriebe in eine für die gewünschte Betriebsart vorteilhafte Getriebeschaltstellung gebracht wird, und anschließend die zumindest eine Elektromaschine so ansteuert, dass sich die gewünschte Betriebsart ergibt, so kann ein manueller Eingriff des Bedieners unterbleiben. Der Bedienkomfort wird dadurch ebenso gesteigert, wie die Verfügbarkeit der verschiedenen möglichen Betriebsmodi verbessert wird.
Ein wesentlicher Vorteil für die Nutzung einer vorstehend beschriebenen Steuerungseinrichtung ergibt sich, wenn eine Mehrzahl unterschiedlicher Betriebsmodi zur Auswahl steht. In diesem Fall kann die Steuerungseinrichtung unter zumindest zwei der nachfolgend aufgeführten Betriebsmodi auf Grundlage von eingelesenen Daten und/oder Anweisungen eine Betriebsart auswählen und die ausgewählte Betriebsart mittels geeigneter Ausgaben aktivieren.
Dabei kann eine erste Betriebsart keinen Eingriff der Steuerungseinrichtung, also eine Inaktivität des Systems nach außen bewirken und/oder eine zuvor aktive Betriebsart zurücksetzen, und so den Ausgangszustand bzw. ein Getriebeverhalten bewirken, welches sich ohne ein erfindungsgemäßes Verfahren bzw. eine erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben würde.
Eine zweite Betriebsart kann einen direkten Start des Antriebsmotors und eine dritte Betriebsart ein Rekuperieren kinetischer Energie in elektrische Energie bewirken. Eine vierte Betriebsart kann ein Boosten der Wirkung des Antriebsmotors bewirken, also ein gleichsinniges Verstärken der Wirkung des Antriebsmotors durch die zumindest eine Elektromaschine. Eine fünfte Betriebsart kann eine Generierung elektrischer Energie bei drehendem Antriebsmotor bewirken, wobei diese elektrische Energie wahlweise zur Versorgung des Bordnetzes und/oder zum Laden eines Energiespeichers verwendet werden kann. Eine sechste Betriebsart kann ein Rangieren eines Fahrzeugs mittels der zumindest einen Elektromaschine gestatten. Eine siebte Betriebsart ein Fahren des Fahrzeugs mittels der zumindest einen Elektromaschine ermöglichen und eine achte Betriebsart kann schließlich die elektromotorische Synchronisierung von drehenden Getriebeteilen zulassen.
Die Betriebsarten sind für sich genommen jeweils bekannt und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung. Es ist dabei besonders vorteilhaft, eine Vielzahl dieser Betriebsarten zu implementieren. Dies wird durch die beschriebene Steuerungseinrichtung aufgrund von deren zentralen Verarbeitungskapazität und guten datentechnischen Anbindung überhaupt erst ermöglicht oder zumindest stark vereinfacht.
Die Erfindung lässt sich anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutern. Dazu ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt, die in stark schematisierter Darstellung ein Doppelkupplungsgetriebe 1 in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zeigt, wobei exemplarisch verschiedene mögliche Einwirkstellen von Elektromaschinen EM1 bis EM6 am Doppelkupplungsgetriebe 1 erkennbar sind.
Das in der einzigen Figur dargestellte Doppelkupplungsgetriebe 1 mit sieben Vorwärtsgängen i₁ bis i₇ und einem Rückwärtsgang i_R umfasst ein nicht dargestelltes Getriebegehäuse, welches das Gehäuse einer Doppelkupplung 2 mit zwei Teilkupplungen umgreifen kann. Die Doppelkupplung 2 kann jedoch ebenso wie eine optionale weitere Kupplung 3 auch in einem separaten Gehäuse untergebracht sein. Die optionale weitere Kupplung 3 dient dabei der Unterbrechung des Drehmomentflusses zwischen einem als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Antriebsmotor 4 und dem Doppelkupplungsgetriebe 1.
Das Doppelkupplungsgetriebe 1 ist wie erwähnt in einen Antriebsstrang eingebunden, der den Antriebsmotor 4, einen Drehschwingungsdämpfer 14, die gesonderte, eingangsseitig vor der Doppelkupplung 2 angeordnete Kupplung 3 sowie das Doppelkupplungsgetriebe 1 selbst umfasst. Das Doppelkupplungsgetriebe 1 hat einen weitgehend bekannten Aufbau mit einzelnen Gangzahnradpaarungen aus Festrädern 15 und Losrädern 16, die jeweils Übersetzungsverhältnisse des Getriebes realisieren. Zwischen diesen Gangzahnradpaarungen sind Koppelvorrichtungen 13, wie etwa Schiebemuffen, angeordnet, mit denen die jeweiligen Losräder 16 mit der jeweils zugeordneten Getriebewelle drehfest verbindbar sind.
In dieser Zeichnungsfigur sind diejenigen Orte bzw. Bauteile des Doppelkupplungsgetriebes 1 durch Symbole EM1 bis EM6 gekennzeichnet, wo zumindest eine dieser Elektromaschinen EM1 bis EM6 gemäß der vorliegenden Erfindung drehmomentübertragend angeordnet sein kann.
Bei einer Anordnung einer Elektromaschine an der Eingangsseite 5 der Doppelkupplung 2 ermöglicht die optionale weitere Kupplung 3 die vorstehend bereits erläuterte Möglichkeit, für das Anlassen des Antriebsmotors 4 zunächst nur die Eingangsseite 5 der Doppelkupplung 2 mit den mit dieser dauerhaft drehfest verbundenen Teilen zu beschleunigen. In diesem Beispiel ist dies das äußere Gehäuse der Doppelkupplung 2 und ein Nebenaggregateabtrieb 6 mit einer Ölpumpe 7, der eine Außenverzahnung an dem Gehäuse der Doppelkupplung 2 sowie ein damit kämmendes Zahnrad umfasst, wobei letzteres auf einer die Ölpumpe 7 antreibenden Welle befestigt ist.
Der benötigte elektrische Anlaufstrom und die benötigte elektrische Maximalleistung der Elektromaschine für ein Anlassen des Antriebsmotors 4 kann so insbesondere bei einem hohen Andremoment des Antriebsmotors 4 bei einem Kaltstart durch die Speicherung von Rotationsenergie deutlich reduziert werden.
Bei einer Anordnung einer Elektromaschine mit unmittelbarer Wirkung auf die Eingangsseite der Doppelkupplung 2 lassen sich auch ohne das Vorhandensein der optionalen weiteren Kupplung 3 die Funktionen des direkten Starts des Antriebsmotors 4, das Rekuperation von kinetischer Energie des Fahrzeugs, das Boosten, also das Unterstützen des Antriebsmotors 4 durch die Elektromaschine, sowie eine elektrische Bordnetzversorgung bei laufendem Antriebsmotor 4 durch die Elektromaschine realisieren.
Sofern die optionale weitere Kupplung 3 in diesem Antriebsstrang vorhanden ist, lassen sich weiter die Funktionen des elektrischen Rangierens in beide Fahrtrichtungen, des elektromotorischen Fahrens des Fahrzeugs und der elektromotorischen Synchronisation von zu schaltenden Gangradpaaren mit Hilfe der Elektromaschine an der Eingangsseite 5 der Doppelkupplung 2 realisieren.
Das Doppelkupplungsgetriebe 1 gemäß der Zeichnungsfigur weist weiter zwei Eingangswellen 8 und 9 auf, von denen eine erste Eingangswelle 8 als Hohlwelle ausgebildet ist, in der die zweite Eingangswelle 9 als Vollwelle drehbar gelagert angeordnet ist. Beide Eingangswellen 8 und 9 können das drehbare Teil einer Elektromaschine tragen bzw. eine Elektromaschine kann unmittelbar auf jede dieser Eingangswellen 8, 9 einwirken. Mit einer derartigen Anordnung des oder der Elektromaschinen können alle vorstehend genannten Funktionen realisiert werden.
Weiter umfasst das Doppelkupplungsgetriebe 1 zwei Vorgelegewellen 10 und 11, von denen eine erste Vorgelegewelle 10 als Hohlwelle und eine zweite Vorgelegewelle 11 als in der ersten Vorgelegewelle 10 drehbar gelagert angeordnete Vollwelle ausgebildet ist. Bei einer Anordnung mit unmittelbarer Wirkung von einem oder mehreren Elektromaschinen auf eine oder beide dieser Vorgelegewellen 10, 11 lassen sich ebenfalls alle der vorstehend genannten Funktionen realisieren.
Das Doppelkupplungsgetriebe 1 besitzt schließlich zumindest eine Abtriebswelle 12, auf die ebenfalls eine Elektromaschine unmittelbar drehmomentübertragend wirken kann. Durch eine derartige Anordnung alleine lassen sich die Funktionen des Rekuperierens, des Boostens, der elektrischen Bordnetzversorgung, des elektrischen Rangierens und des elektrischen Fahrens realisieren, jedoch nicht die Funktionen des direkten Startens der Verbrennungskraftmaschine und der elektromotorischen Synchronisation von zu schaltenden Gangradpaaren erfüllen.
In vielen Fällen ist es jedoch ohnehin günstig, an Stelle einer Elektromaschine zumindest zwei Elektromaschinen vorzusehen, die sich bei geeigneter Auslegung bei bestimmten Funktionen gegenseitig unterstützen können, und bei Bedarf andere Funktionen jeweils ohne Mitwirkung des oder der anderen Elektromaschinen erfüllen können. Mehrere Elektromaschinen bieten dabei nicht nur die Möglichkeit, einen gegebenenfalls vorhandenen Bauraum optimal zu nutzen und die einzelnen Elektromaschinen jeweils besonders gut auf spezifische Aufgaben und Verhältnisse anzupassen, sondern können auch als zumindest teilweise redundante Auslegung eine besondere Sicherheit gegen Ausfälle bieten.
Bezugszeichenliste

1: Doppelkupplungsgetriebe
2: Doppelkupplung
3: Optionale, weitere Kupplung
4: Antriebsmotor, Verbrennungskraftmaschine
5: Eingangsseite der Doppelkupplung
6: Nebenaggregateabtrieb
7: Ölpumpe
8: Erste Eingangswelle, Hohlwelle
9: Zweite Eingangswelle, Vollwelle
10: Erste Vorgelegewelle, Hohlwelle
11: Zweite Vorgelegewelle, Vollwelle
12: Abtriebswelle
13: Koppelvorrichtung, Schiebemuffe
14: Drehschwingungsdämpfer
15: Festrad
16: Losrad
EM: Elektromaschine

Claims

Doppelkupplungsgetriebe (1) mit einer Mehrzahl von schaltbaren Gängen, mit zwei Eingangswellen (8, 9), von denen eine erste Eingangswelle (8) als Hohlwelle und eine zweite Eingangswelle (9) als Vollwelle ausgebildet ist, wobei die zweite Eingangswelle (9) koaxial in der ersten Eingangswelle (8) gelagert ist, und bei dem die Eingangswellen (8, 9) dafür vorgesehen sind, ein Drehmoment von einem Antriebsmotor (4) in das Doppelkupplungsgetriebe (1) zu übertragen, und bei dem das Doppelkupplungsgetriebe (1) eine Doppelkupplung (2), eine Abtriebswelle (12) und zumindest eine erste Vorgelegewelle (10) aufweist, welche als Hohlwelle ausgebildet ist und eine zweite Vorgelegewelle (11) relativ zu dieser drehbar gelagert aufnimmt, wobei zumindest eine Elektromaschine (EM1 bis EM6) so ausgebildet und angeordnet ist, dass diese in der Lage ist, ein Drehmoment direkt zumindest in die Eingangsseite (5) der Doppelkupplung (2) und/oder in eine der beiden Eingangswellen (8, 9) und/oder in zumindest eine Getriebevorgelegewelle (10, 11) einzuleiten oder von diesen aufzunehmen.
Doppelkupplungsgetriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses so ausgebildet ist, dass alle Gänge rein manuell schaltbar sind und keine Aktuatoren zur automatischen Schaltung von Gängen vorgesehen sind.
Doppelkupplungsgetriebe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Kupplung (3) vorhanden ist, welche eine wahlweise Abkopplung des Antriebsmotors (4) von der Elektromaschine ermöglicht.
Doppelkupplungsgetriebe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Elektromaschinen innerhalb des Doppelkupplungsgetriebes (1) angeordnet sind.
Doppelkupplungsgetriebe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, welche in der Lage ist, zumindest eine Elektromaschine so anzusteuern, dass ein Antriebsmotor (4) gestartet werden kann und/oder dass eine Rekuperation durchgeführt werden kann und/oder dass ein Boosten der Leistung des Antriebsmotors (4) möglich ist und/oder dass ein Generatorbetrieb des oder der Elektromaschinen erfolgen kann und/oder dass ein Rangierbetrieb des Fahrzeugs mit Hilfe des oder der Elektromaschinen möglich ist und/oder dass ein Fahren mit Hilfe des oder der Elektromaschinen möglich ist und/oder dass eine Synchronisation von Getriebeteilen des Doppelkupplungsgetriebes (1) erfolgen kann.