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Die
Erfindung betrifft ein elektrisch mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe,
insbesondere für
Fahrzeuge, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Elektrisch
mechanische Leistungsverzweigungsgetriebe sind in einer Vielzahl
von Ausführungen
aus dem Stand der Technik vorbekannt. Diese sind unterschiedlich
ausgeführt
und basieren auf unterschiedlichen Konzepten. Stellvertretend wird
dabei auf
DE 38 42 632 verwiesen.
Diese Ausführung beinhaltet
ein hydrostatisch mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe, welches
wahlweise über
eine Verbrennungskraftmaschine oder einen Elektromotor angetrieben
wird. Das Getriebe weist dabei den Aufbau eines mechanisch hydrostatischen Leistungsverzweigungsgetriebes
auf. Dieses umfasst mindestens zwei über Schaltkupplungen bei Synchronlauf
schaltbare Betriebsbereiche, welche bei einem ersten mechanischen
Getriebeteil und einem zweiten hydrostatischen Getriebeteil realisiert werden.
Der erste mechanische Getriebeteil umfasst ein Planetendifferentzialgetriebe,
welches zumindest zwei Sonnenräder
unterschiedlichen Durchmessers, ein Hohlrad und eine Stegwelle umfasst,
auf der Doppelplanetenräder
angeordnet sind, die mit den Sonnenrädern und mit dem Hohlrad kämmen. Das
größere der
beiden Sonnenräder
ist mit der Getriebeeingangswelle und die Stegwelle mit der Getriebeausgangswelle
verbunden. Der zweite hydrostatische Getriebeteil umfasst zwei energetisch
miteinander gekoppelte, in beide Richtungen als Pumpe oder Motor
betreibbare verstellbare Hydrostateinheiten, die mit dem mechanischen
Getriebeteil gekoppelt sind, wobei im ersten und im zweiten Betriebsbereich
das Hohlrad zur Steuerung der Drehrichtung und Drehzahl der Getriebeausgangswelle
mit einer ersten Hydrostateinheit gekoppelt ist und im ersten Betriebsbereich
die zweite Hydrostateinheit über
eine Wechselschaltkupplung mit der Getriebeausgangswelle in Antriebsverbindung
steht und die erste mit dem Hohlrad verbundene Hydrostateinheit
als Pumpe und die zweite Hydrostateinheit als Motor arbeitet und
im ersten und zweiten Betriebsbereich die beiden Hydrostateinheiten
jeweils gegensinnig zueinander ihren Stellbereich zwischen minimal
und maximal durchlaufen, wobei diese beim Übergang vom ersten in den zweiten
Betriebsbereich und umgekehrt jeweils ihre Funktionen vertauschen.
In der Endstellung des ersten Betriebsbereiches ist dabei die als
Pumpe arbeitende erste Hydrostateinheit auf maximales und die als
Motor arbeitende zweite Hydrostateinheit auf minimales Verdrängungsvolumen
eingestellt. Die Getriebeeingangswelle ist dabei mit einer Verbrennungskraftmaschine
gekoppelt. Zusätzlich
ist vorgesehen, die Getriebebaueinheit auch mit einem Elektromotor
zum Antrieb zu verbinden. Mit einem derartigen Getriebekonzept wird
die am Getriebeeingang anliegende Leistung entweder rein mechanisch
oder aber teilweise mechanisch und hydrostatisch übertragen,
wobei die Anteile variabel sind. Diese Lösung benötigt jedoch außer den
Hydrostateinheiten noch zusätzlich
ein koaxial angeordnete Elektromaschine, die wahlweise als Motor
und Generator angetrieben werden kann. Die Hydrostaten und die Elektromaschine
sind für
die maximal zu übertragende
Leistung auszulegen und bauen daher je nach Art der verwendeten
Komponenten sehr groß.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Leistungsverzweigungsgetriebe
der eingangs genannten Art derart zu modifizieren, dass ein stufenloser,
ein rein verbrennungsmotorischer oder Hybridbetrieb möglich ist,
wobei nach Möglichkeit
auf die bauraumintensiven Hydrostaten verzichtet werden soll. Dabei
soll das Hybridgetriebe Leistungsverzweigungsgetriebe in den Bauraum
von konventionellen Getrieben oder Automatgetrieben passen. Da elektrische
Maschinen der erforderlichen Leistungsfähigkeit einen ähnlichen
Durchmesser aufweisen wie die Getriebe, müssen bei Bedarf auch An- und Abtrieb
sowie eventuell der Anbau der Elektromaschinen koaxial an das Getriebe
möglich
sein. Die Leistungsanteile sollten stufenlos variabel einstellbar sein,
und der mechanische Getriebeteil als Baueinheit vorfertigbar sein,
welcher nur noch mit dem stufenlosen Getriebeteil zusammenfasst
werden braucht. Ferner sollte der mechanische Getriebeteil auch
elektrisch von den Elektromotoren und vom Fahrzeug isolierbar sein,
da insbesondere bei Anwendungen mit externer Energieversorgung,
d. h. beispielsweise Zuführung
der elektrischen Leistung von außerhalb des Fahrzeuges aus
einer Oberleitung, eine Isolation erforderlich ist.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist
durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das
elektrisch mechanische Leistungsverzweigungsgetriebe umfasst mindestens
einen Eingang und mindestens einen Ausgang, einen mechanisches Getriebeteil
und einen elektrischen Getriebeteil, wobei der mechanische Getriebeteil
mit dem elektrischen Getriebeteil koppelbar ist. Der mechanische
Getriebeteil umfasst ein mindestens vierwelliges Planetendifferentialgetriebe,
umfassend eine erste Welle, die mit dem Getriebeeingang wenigstens mittelbar
drehfest verbindbar ist, eine zweite Welle, die mit dem Getriebeausgang
wenigstes mittelbar drehfest verbunden ist, eine dritte Welle und
eine vierte Welle, die wenigstens mittelbar mit dem Getriebeausgang
verbindbar ist. Die zweite und die dritte Welle sind dabei jeweils
mit den Ein- und Ausgängen des
elektrischen Getriebeteils verbindbar. Der elektrische Getriebeteil
umfasst dazu zwei elektrische Maschinen, eine erste und eine zweite
elektrische Maschine. Beide sind sowohl als Motor als auch als Generator
betreibbar. Ferner sind die beiden elektrischen Maschinen hinsichtlich
ihrer Stellbereiche im Hinblick auf die aufnehmbare oder abgebbare
Leistung bzw. das aufnehmbare oder abgebbare Moment und/oder Drehzahl
stufenlos verstellbar. Beide elektrische Maschinen sind energetisch
miteinander gekoppelt, vorzugsweise über einen Spannungszwischenkreis.
Dem elektrischen Getriebeteil sind Mittel zugeordnet, die der Ansteuerung
der einzelnen elektrischen Maschine dienen, d. h. der Steuerung
der aufnehmbaren und/oder abgebbaren Leistung oder eine diese wenigstens
mittelbar charkaterisierende Größe – Moment
und/oder Drehzahl.
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Das
Planetendifferentialgetriebe wird von zwei Planetenstufen gebildet,
einer ersten Planetenstufe und einer zweiten Planetenstufe, welche
wenigstens jeweils ein Sonnenrad und Planetenräder, die über einen Steg miteinander
gekoppelt sind, umfassen. Ferner umfasst eine der Planetenstufen
ein Hohlrad. Die Sonnenräder
der Planetenstufen sind dabei unterschiedlich groß ausgeführt. Dabei
umfasst die Planetenstufe mit dem kleineren Durchmesser des Sonnenrades
auch das Hohlrad. Die Planetenräder
beider Planetenstufen sind über
einen gemeinsamen Steg miteinander gekoppelt, wobei der Steg die
zweite Welle bildet, die mit dem Ausgang der Getriebebaueinheit
verbunden ist. Die dritten und die vierten Wellen, welche vom Hohlrad
der zweiten Planetenstufe und vom Sonnenrad der zweiten Planetenstufe
gebildet werden, sind wenigstens mittelbar mit den Rotoren der elektrischen
Maschinen verbindbar. Die erste Welle wird vom Sonnenrad mit dem größeren Durchmesser,
d. h. dem Sonnenrad der ersten Planetenstufe, gebildet. Die Kopplung
erfolgt über
entsprechende Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtungen in Vorgelegebauweise,
die die jeweilige Welle mit einer ersten und einer zweiten Vorgelegewelle
verbinden, wobei die Kopplung der Vorgelegewellen entweder direkt
mit den Rotoren der elektrischen Maschinen oder aber bei koaxialer
Anordnung über
ein rückführendes
Vorgelege erfolgt. Entsprechend der Basisversion ist eine Wechselschaltkupplung
vorgesehen, die der zweiten Vorgelegewelle zugeordnet ist und der
wahlweisen Kopplung der zweiten Welle an den Rotor der elektrischen
Maschine dient, oder aber der dritten Welle an den Rotor der zweiten
elektrischen Maschine dient.
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Beide
elektrische Maschinen sind in beiden Richtungen sowohl als Generator
als auch als Motor betreibbar, d. h., der Stellbereich ist in beiden
Richtungen sowohl in der Funktion als Motor als auch als Generator
durchlaufbar. Mit der Basisversion sind zumindest zwei, vorzugsweise
drei Fahrbereiche realisierbar, ein erster Fahrbereich und ein zweiter
Fahrbereich, vorzugsweise noch ein dritter Fahrbereich und ein Rückwärtsgang.
Im ersten und zweiten Fahrbereich dient das Hohlrad zur Steuerung
der Drehrichtung und Drehzahl der Getriebeausgangswelle und ist
in diesem Fahrbereich mit der ersten elektrischen Maschine drehfest
verbunden. Die Kopplung erfolgt dabei über die mit dem Hohlrad gekoppelte Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung
auf die erste Vorgelegewelle und über eine weitere Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung
auf den Rotor der ersten elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine
wird im ersten Fahrbereich als Generator betrieben, während die
zweite elektrische Maschine in diesem Fahrbereich als Motor fungiert.
Dabei wird der ersten elektrischen Maschine mechanische Leistung über das
Planetendifferentialgetriebe, insbesondere die vierte Welle zugeführt, die
in elektrische Leistung umgewandelt wird und über den Spannungszwischenkreis
der zweiten elektrischen Maschine zugeführt wird. Der Stellbereich
der ersten elektrischen Maschine wird dabei von Null bis auf einen
vordefinierten Wert, vorzugsweise auf ein maximal aufnehmbares Moment
oder eine maximal aufnehmbare Leistung durchlaufen, während die
zweite elektrische Maschine derart angesteuert wird, dass diese
in der Lage ist, das maximale Moment aufzunehmen. Hat die erste
elektrische Maschine den vordefinierten Wert erreicht, d. h. das
maximal aufnehmbare Moment bzw. die maximal aufnehmbare Leistung,
wird die zweite elektrische Maschine hinsichtlich ihres Stellbereichs
derart angesteuert, dass diese kein Moment mehr aufnimmt, d. h.
der Stellbereich in Richtung Null durchlaufen. Die erste elektrische Maschine
kommt somit quasi fast zum Stillstand. Bei Synchronlauf zwischen
der zweiten Vorgelegewelle und unter Berücksichtigung der Übersetzung
der dritten Welle des Planetendifferentialgetriebes erfolgt hier
ein Umschalten der Wechselschaltkupplung und eine Anbindung der
dritten Welle an den Rotor der zweiten elektrischen Maschine. Im
ersten Fahrbereich ist zuerst die Wechselschaltkupplung derart geschaltet,
dass diese die zweite Welle mit dem Rotor der zweiten elektrischen
Maschine verbindet, so dass hier an der Getriebeausgangswelle der
mechanisch übertragene
Leistungsanteil über
die Stegwelle und der elektrisch übertragene Leistungsanteil über die
zweite elektrische Maschine eingebracht wird, wobei der elektrisch übertragene
Leistungsanteil im ersten Fahrbereich von Null auf maximal zunimmt. Beim
Umschalten in den zweiten Fahrbereich wird die zweite elektrische
Maschine an das kleine Sonnenrad des Planetengetriebes gekoppelt.
Gleichzeitig wird durch die Ansteuerung über die Mittel im Spannungszwischenkreis
die Funktionsweise der beiden elektrischen Maschinen vertauscht.
Die erste elektrische Maschine fungiert dann als Elektromotor, während die
zweite elektrische Maschine als Generator fungiert. Im zweiten Fahrbereich
wird die zweite elektrische Maschine in Analogie zum ersten Fahrbereich
der ersten elektrischen Maschine hinsichtlich ihres Stellbereiches
von minimal bis maximal aufnehmbares mechanisches bzw. minimal bis
maximal abgebbares elektrisches Moment betrieben und treibt somit
den Elektromotor in Form der ersten elektrischen Maschine an. Die
Abtriebswelle wird beschleunigt, die elektrisch übertragene Leistung nimmt zu.
Ist der Stellbereich der zweiten elektrischen Maschine voll ausgenutzt,
wird die erste elektrische Maschine hinsichtlich ihres Stellbereiches
zurück
auf Null gesteuert. Die zweite elektrische Maschine steht dann nahezu
still. Die Kraftübertragung erfolgt
damit fast rein mechanisch über
das Planetendifferentialgetriebe. Dies wird durch die Abstützung der
vierten Welle an der ersten elektrischen Maschine erzielt, die das
Hohlrad nahezu zum Stillstand bringt und somit die Getriebeeingangswelle
mit dem Sonnenrad der ersten Planetenstufe und damit der ersten
Welle gekoppelt ist, während
der Abtrieb über die
Stegwelle erfolgt, die mit dem Getriebeausgang drehfest verbunden
ist.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es,
auf einfache Art und Weise und in platzsparender Weise, ein elektrisch
mechanisch Leistungsverzweigungsgetriebe mit der Möglichkeit
der Abdeckung eines größeren Betriebsbereiches
vorzusehen. Diese Lösung
ist im Hinblick auf den Stand der Technik bekannter Hybridgetriebe
sehr kompakt und auch in den vorhandenen Bauraum für bereits
bestehende Getriebebaueinheiten integrierbar. Dabei beträgt der elektrische
Anteil der übertragbaren
Leistung beispielhaft im ersten Betriebsbereich im Anfangspunkt 100
% und am Ende 0 %, im zweiten Betriebsbereich zwischen 0 und 25
% und im dritten Betriebsbereich zwischen 0 und 27 %.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Weiterentwicklung sind zur Erzielung einer
für das
elektrische Getriebe größeren Gesamtübersetzung/Spreizung
Erweiterungen des Basisgetriebesystems möglich. Dazu wird eine Hohlwelle
mit Wechselschaltkupplung der ersten Vorgelegewelle zugeordnet.
Die erste Vorgelegewelle wird durch die Hohlwelle geführt. Die
Hohlwelle ist mit der vierten Welle des Planetendifferentialgetriebes
gekoppelt. Über
die Wechselschaltungskupplung kann wahlweise wie beim Basissystem
die Vorgelegewelle mit dem Hohlrad des Planetendifferentialgetriebes
verbunden werden. Zusätzlich
ist es jedoch möglich,
in einem sogenannten dritten Fahrbereich und im Rückwärtsgang
der Antriebsmotor direkt über
ein Zahnradpaar oder Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung mit
der ersten elektrischen Maschine zu verbinden. Damit wird ein Rückwärtsgang
und eine dritte Fahrstufe ohne Blindleistungsanteil möglich. Die
Zugkraft und mögliche
maximale Geschwindigkeit im Rückwärtsgang
wird damit größer und
der nutzbare Übersetzungsbereich
im dritten Fahrbereich ebenfalls.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung ist für rein elektrische Fahrzeuge
die mit dem Getriebeeingang koppelbare Antriebsmaschine nicht als
Verbrennungsmaschine sondern als elektrische Maschine ausgeführt. Damit
wird eine hohe Anfahrzugkraft bei einem gleichzeitig großen Geschwindigkeitsbereich
erzielt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird für Getriebe, die insbesondere
für den Einsatz
in Schienenfahrzeugen Verwendung finden, eine Möglichkeit der wahlweisen Unterbrechung
oder Gewährleistung
der Verbindung zur Antriebsmaschine bzw. einer Umkehrung der Drehzahl
der Verbindungswelle zwischen Antriebsmaschine und mechanischem
Getriebeteil vorgeschlagen. Dazu ist die Getriebeeingangswelle über eine
weitere Schaltkupplung wahlweise mit der ersten Welle sowie in Abhängigkeit
der Schaltstellung der Wechselschaltkupplungen mit der ersten elektrischen
Maschine oder über eine
Wendezahnradstufe mit der ersten Welle, insbesondere Eingangswelle
des Planetendifferentials verbindbar, wobei im letztgenannten Fall
die erste Welle in umgekehrter Drehrichtung angetrieben werden kann.
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Bei
Antrieben mit externer Energieversorgung, d. h. welche beispielsweise
von außen über eine
Oberleitung, insbesondere einen Fahrdraht oder eine Stromschiene
mit elektrischer Energie versorgt werden, ist ferner eine elektrische
Isolation zwischen dem Elektromaschinengehäuse und dem mechanischen Getriebegehäuse erforderlich.
Diese kann bei der erfindungsgemäß ausgeführten Bauweise über die
Kopplung der Getriebegehäuse
mit Distanzringen aus entsprechendem Isolationsmaterial erfolgen.
Zusätzlich
können
die Hohlwellen der Elektromaschine und damit die drehende Verbindung
zum mechanischen Getriebeteil aus entsprechendem hochfesten und
isolierenden Kunststoffverbundmaterial hergestellt werden.
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Bezüglich der
Anordnung zwischen Getriebeeingangswelle und Getriebeausgangswelle
besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten.
Gemäß einer besonders
vorteilhaften Ausführung
zur Realisierung einer kompakten Bauweise sind diese koaxial angeordnet,
so dass der elektrische Getriebeteil und der mechanische Getriebeteil
ebenfalls koaxial angeordnet sind, wobei die beiden elektrischen
Maschinen quasi beidseits des mechanischen Getriebeteils koaxial
zu diesem angeordnet sind und die Rotoren der elektrischen Maschinen
als Hohlwellen ausgeführt sind,
die über
entsprechende Kopplungen über
Vorgelegewellen mit dem Planetendifferential, insbesondere der zweiten
bis vierten Welle koppelbar sind und durch die die Getriebeeingangs-
und die Getriebeausgangswelle geführt sind. Bezüglich des
Erfordernisses unterschiedlicher Lagen zwischen Getriebeeingangswelle
und Getriebeausgangswelle sind Lösungen
in exzentrischer Bauweise oder in einem Winkel zueinander denkbar.
Bei winkliger Anordnung werden dabei Winkel zwischen 60° und 90° bevorzugt.
Dies wird entweder durch eine zusätzliche Stirnradstufe zum seitlichen
Versatz der Abtriebswelle oder eine Kegelradstufe für einen
Austrittswinkel zwischen 30° und
150° realisiert.
Auch die Integration eines Achsdifferentials in das mechanische
Getriebe ist möglich.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Weiterentwicklung ist ferner der Spannungszwischenkreis
mit einer Energiespeichereinheit koppelbar, die während des
Betriebes oder aber auch im Bremsbetrieb aufgeladen werden kann.
Da die elektrische Energie beim Bremsen bis zu einer bestimmten
Leistung abhängig
vom Speichermedium rückspeisbar
ist und diese beim Anfahren auch wieder abrufbar sein muss, ist
ein entsprechender Anschluss der Speichereinheit an den Spannungszwischenkreis,
insbesondere die Wechselrichter erforderlich.
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Bei
Kopplung der Getriebebaueinheit an eine Verbrennungskraftmaschine
ist ferner bei Dauerbremsungen die Bremsfähigkeit bis zur Nenndrehzahl
auszunutzen. Durch geeignete Regelung der Elektromaschinen, die
beide beim Bremsen als Generatoren benutzt werden, kann das Bremsmoment des
Antriebsmotors durch Ansteuerung auf Einstellung einer beliebigen
Drehzahl zwischen Null und Nenndrehzahl zur Regelung des Bremsmomentes am
Abtrieb genutzt werden. Die Bremsenergie wird dann über die
Kühleinrichtung
der Verbrennungskraftmaschine abgeführt.
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Die
Wechselschaltkupplungen und Schaltkupplungen können als Klauenkupplungen oder
synchron schaltbare Kupplungen oder Lamellenkupplungen ausgeführt sein.
Die konkrete Wahl liegt im Ermessen des zuständigen Fachmannes.
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Die
erfindungsgemäße Lösung wird
nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen
folgendes dargestellt:
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1 verdeutlicht
in schematisch vereinfachter Darstellung den Grundaufbau eines erfindungsgemäß gestalteten
Basissystems eines elektrisch mechanisch Leistungsverzweigungsgetriebes;
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2 verdeutlicht
eine Weiterentwicklung des Basissystems mit zusätzlicher Möglichkeit der Erhöhung der
Spreizung des elektrischen Getriebes;
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3 verdeutlicht
eine Weiterentwicklung gemäß 2 für den Einsatz
in Schienenfahrzeugen;
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Die 4a–4d verdeutlichen
in schematisch vereinfachter Darstellung anhand einer Ausführung gemäß 2 die
einzelnen Betriebsbereiche;
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5 verdeutlicht in schematisch vereinfachter
Darstellung anhand einer Ausführung
gemäß 3 den
Leistungsfluss in den einzelnen Betriebsbereichen;
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6a–6c verdeutlichen
mögliche
Ausführungen
der Anordnung von elektrischem und mechanischem Getriebeteil.
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Die 1 verdeutlicht
in schematisch vereinfachter Darstellung den Grundaufbau eines erfindungsgemäß gestalteten
elektrisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes 1.
Dieses umfasst einen ersten mechanischen Getriebeteil 2 und
einen zweiten elektrischen Getriebeteil 3 sowie einen Eingang
E und mindestens einen Ausgang A. Der mechanische Getriebeteil umfasst
ein Planetendifferentialgetriebe 4, welches als vierwelliges
Planetengetriebe vorliegt, das durch Zusammenschaltung zweier Planetenstufen 5 und 6 gebildet
wird. Das Planetendifferentialgetriebe 4 umfasst dazu zwei
Sonnenräder 7 und 8,
die durch einen unterschiedlichen Durchmesser charakterisiert sind.
Ferner ist ein Hohlrad 9 vorgesehen sowie eine Stegwelle 10,
auf welcher Doppelplanetenräder,
Planetenräder 11.1 und 11.2 angeordnet
sind. Die Planetenräder 11.1 und 11.2 sind
dazu jeweils einer der Planetenstufen 5 und 6 zugeordnet
und drehfest miteinander gekoppelt. Diese kämmen mit den Sonnenrädern 7 und 8 und mit
dem Hohlrad 9, wobei das Sonnenrad 7 mit dem größeren Durchmesser
mit einer Getriebeeingangswelle E und die Stegwelle 10 mit
einer Getriebeausgangswelle A wenigstens mittelbar drehfest verbunden
ist. Die Planetenstufe 5 umfasst hier im einzelnen das
Sonnenrad 7 sowie die Planetenräder 11.1 und die drehfest
mit diesen gekoppelte Stegwelle 10. Die Planetenstufe 6 umfasst
ein Sonnenrad 8, Planetenräder 11.2, das Hohlrad 9 und
die Stegwelle 10. Beide Planetenstufen 5, 6 sind
koaxial zueinander angeordnet und umfassen jeweils wenigstens zwei Wellen.
Die erste Planetenstufe 5 ist als zweiwelliges Planetengetriebe
ausgeführt,
die zweite Planetenstufe 6 als dreiwelliges Planetengetriebe,
durch die gemeinsame Nutzung der Stegwelle 10 wird ein
vierwelliges Getriebe erzeugt. Die einzelnen Wellen der Planetenstufen 5, 6 werden
daher von den einzelnen Elementen bzw. den drehfest mit diesen gekoppelten Wellen
gebildet. Die erste Welle 12 des Planetendifferentialgetriebes 4 wird
dabei vom Sonnenrad 7 der ersten Planetenstufe 5 gebildet
und ist mit dem Getriebeeingang E drehfest verbunden. Die zweite
Welle 13 wird von der Stegwelle 10 gebildet und
damit von der Stegwelle 10 beider Planetenstufen 5 und 6 und
ist mit dem Getriebeausgang A drehfest verbunden. Die dritte und
die vierte Welle 14 und 15 sind über entsprechende
Drehzahlübertragungseinrichtungen
mit dem elektrischen Getriebeteil 3 verbindbar. Der elektrische
Getriebeteil 3 umfasst dazu zwei jeweils sowohl als Motor
und als Generator betreibbare elektrische Maschinen 16 und 17,
die über
einen Spannungszwischenkreis 18 energetisch miteinander
gekoppelt sind und je nach Ansteuerung als Motor oder Generator
betreibbar sind, wobei in einem ersten und zweiten Betriebsbereich
des elektrisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes 1 das
Hohlrad 9 zur Steuerung der Drehrichtung und Drehzahl der
Getriebeausgangswelle A mit der ersten elektrischen Maschine 16 gekoppelt
ist. Im ersten Betriebsbereich steht die zweite elektrische Maschine 17 über eine
Wechselschaltkupplung 19 mit der Getriebeausgangswelle
A in Antriebsverbindung und die erste, mit dem Hohlrad 9 gekoppelte elektrische
Maschine 16 fungiert in diesem Betriebszustand als Generator,
während
die zweite elektrische Maschine 17 als Elektromotor fungiert.
Erfindungsgemäß werden
ferner im ersten und im zweiten Betriebsbereich die beiden elektrischen
Maschinen 16 und 17 derart betrieben, dass diese
ihren Stellbereich jeweils zwischen minimal und maximal durchlaufen,
wobei diese beim Übergang
vom ersten in den zweiten Betriebsbereich und umgekehrt jeweils ihre
Funktionen als Generator oder Motor vertauschen. Zu diesem Zweck
sind im Spannungszwischenkreis 18 Mittel 20 zur
Steuerung, insbesondere der Leistungsaufnahme und Abgabe vorgesehen, welche
im einfachsten Fall in Form von Umrichtern 21 vorliegen.
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Die
vierte Welle 15 des Planetendifferentialgetriebes 4 ist über eine
Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 22 drehfest
mit der ersten elektrischen Maschine 16 verbunden. Die
Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 22 bildet dabei
quasi ein Vorgelege, welches eine im Getriebegehäuse 23 gelagerte Vorgelegewelle 24 antreibt, wobei
gemäß der Ausführung in 1 die Vorgelegewelle 24 über eine
weitere Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 25 mit
der elektrischen Maschine 16, insbesondere dem Rotor dieser
elektrischen Maschine, drehfest verbunden ist. Die Vorgelegewelle 24 ist
dabei parallel zu den einzelnen Wellen 12 bis 15 des
Planetendifferentialgetriebes 4 angeordnet. Die beiden
Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtungen 22 und 25 können dabei
durch eine Über-
oder Untersetzung charakterisiert sein. Denkbar ist auch eine 1:1-Übersetzung,
wobei die beiden Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtungen 22 und 25 vorzugsweise
durch das gleiche Übersetzungsverhältnis charakterisiert
sind. Die zweite elektrische Maschine 17 ist über eine
Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 26 mit einer weiteren
zweiten Vorgelegewelle 27 verbunden, welche über die
Wechselschaltkupplung 19 wahlweise über eine Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 50 an
die zweite Welle 13 in Form der Stegwelle 10 oder
aber die dritte Welle 14 in Form des zweiten Sonnenrades 8 über eine
Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 28 anbindbar
ist. Die einzelnen Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtungen 22, 25, 26 sowie 50 und
die zur Kopplung der Vorgelegewelle 27 mit der dritten
Welle 14 des Planetendifferentialgetriebes 4 vorgesehene
Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 28 sind dabei
im einfachsten Fall als Stirnradstufen ausgebildet, wobei zur Realisierung
einer koaxialen Anordnung der beiden elektrischen Maschinen 16 und 17 und
des Planetendifferentialgetriebes 4 zueinander jeweils
die mit den elektrischen Maschinen 16 und 17 gekoppelten
Stirnräder
der einzelnen Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtungen 26 und 25 als
Hohlwellen ausgeführt
sind. Durch diese werden dabei die Getriebeeingangswelle E und die
Getriebeausgangswelle A hindurchgeführt. Die einzelne Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung,
hier die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 22, umfasst
ein erstes Stirnrad 29, welches drehfest mit dem Hohlrad 9 und
damit der vierten Welle 15 verbunden ist und ein zweites
Stirnrad 30, welches drehfest mit der Vorgelegewelle 24 verbunden
ist. Die zweite Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 25 zur
Kopplung mit der ersten elektrischen Maschine 16 umfasst
ein Stirnrad 31, welches drehfest mit der Vorgelegewelle 24 verbunden
ist und das mit einem drehfest mit der elektrischen Maschine 16,
insbesondere dem Rotor, gekoppelten Stirnrad 32 kämmt. Dabei
sind die Stirnräder 29 sowie 32 als Hohlwellen
ausgeführt.
Die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtungen 26 und 28 sind
ebenfalls als Stirnradstufen ausgeführt, wobei die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 26 ein
Stirnrad 33 umfasst, welches drehfest mit der zweiten elektrischen Maschine 17 verbunden
ist und mit einem drehfest mit der Vorgelegewelle 27 verbundenen
Stirnrad 34 kämmt.
Die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 28 umfasst
ein Stirnrad 35, welches drehfest mit der dritten Welle 14 des
Planetendifferentialgetriebes 4 verbunden ist und mit einem
drehfest mit der Vorgelegewelle 27 über die Wechselschaltkupplung 19 verbindbaren
Stirnrad 36 kämmt.
Die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 50, welche der
wahlweisen Kopplung der Stegwelle 10 bzw. des Getriebeausgangs
A mit der zweiten elektrischen Maschine 17 dient, umfasst
ein erstes Stirnrad 38, das drehfest mit der Stegwelle 10 verbunden
ist und das mit einem über
die Wechselschaltkupplung 19 wahlweise mit der Vorgelegewelle 27 drehfest
koppelbaren Stirnrad 39 kämmt. Durch diese Konfiguration
wird es dabei möglich,
die Leistungsflussrichtung im Getriebe beliebig zu ändern.
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Die
Funktionsweise gestaltet sich wie folgt:
Im Leerlauf, d. h.
der Neutralstellung, erfolgt keine Leistungsaufnahme. Im ersten
Fahrbereich I fungiert die erste, elektrische Maschine 16 als
Generator, die zweite elektrische Maschine 17 als Motor.
Diese ist auf maximale Leistungsaufnahme eingestellt. Die erste
elektrische Maschine 16 wird dahingehend angesteuert, dass
der generatorisch in die energetische Kopplung eingespeiste Leistungsanteil
von null bis auf einen größeren Wert,
vorzugsweise maximal anwächst.
D. h. zu Beginn des ersten Fahrbereiches I wird keine Leistung elektrisch übertragen.
Der elektrisch übertragbare
Leistungsanteil wächst
jedoch durch Ansteuerung der elektrischen Maschinen 16, 17 von
null auf maximal. Das entstehende Reaktionsmoment wirkt direkt auf
den Getriebeausgang A. Der Wechsel in den zweiten Fahrbereich II
erfolgt bei Erreichen der maximal aufnehmbaren Leistung an der als
Generator im ersten Fahrbereich betreibbaren elektrischen Maschine 16.
Die zweite elektrische Maschine 17 wird dazu derart angesteuert,
dass die von dieser aufnehmbare Leistung, insbesondere das aufnehmbare
Moment, wieder verringert wird, indem der Stellbereich wieder zurück in Richtung „null" durchlaufen wird,
wodurch der Anteil elektrisch übertragener
Leistung reduziert wird und die erste elektrische Maschine 16 fast
gar keine Leistung mehr in den Spannungszwischenkreis 18 einspeist.
Die Wechselschaltkupplung 19 wird betätigt und in ihre zweite Schaltstellung 19 verbracht.
Dabei wird die zweite elektrische Maschine 17 an das kleine
Sonnenrad 8 des Planetenradgetriebes 4 gekoppelt,
wobei gleichzeitig durch Ansteuerung über die Mittel 20 im
Spannungszwischenkreis 18 die Funktion der beiden elektrischen
Maschinen 16, 17 vertauscht wird.
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Im
zweiten Fahrbereich II fungiert die erste elektrische Maschine 16 als
Elektromotor, während die
zweite elektrische Maschine 17 die Funktion eines Generator übernimmt.
Die zweite elektrische Maschine 17 wird derart angesteuert,
dass diese von minimal aufnehmbarer und in den Spannungskreis 18 einspeisbarer
Leistung bis auf maximal aufnehmbare und in den Spannungszwischenkreis 18 einspeisbare Leistung
eingestellt wird. Die zweite elektrische Maschine 17 treibt
somit die erste elektrische Maschine 16 an. Die Getriebeausgangswelle
A wird beschleunigt, die elektrisch übertragene Leistung nimmt zu.
Ist der Stellbereich der elektrischen Maschine 17 voll ausgenutzt,
wird die erste elektrische Maschine 16 hinsichtlich ihres
Stellbereiches derart angesteuert, dass dieser verringert wird,
d.h. auf eine Leistungsaufnahme aus dem Spannungszwischenkreis 18 auf null
zurückgefahren
wird. Die zweite elektrische Maschine 17 steht nahezu still.
Die Kraftübertragung
erfolgt nunmehr fast rein mechanisch.
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Beim Übergang
vom zweiten in den dritten Fahrbereich werden die Funktionen der
elektrischen Maschinen 16 und 17 wieder vertauscht,
die erste elektrische Maschine 16 fungiert wieder als Generator,
die zweite elektrische Maschine 17 als Elektromotor und ändert somit
auch die Drehrichtung durch Ansteuerung über den Spannungszwischenkreis. Der
elektrisch übertragene
Leistungsanteil beträgt
im dritten Fahrbereich zwischen 0 und 25 %.
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Verdeutlicht 1 die
Grundversion, sind in den 2 und 3 Modifikationen
dieser Grundversion wiedergegeben, mittels welcher besonders vorteilhafte
Eigenschaften erzielt werden können. Die 2 verdeutlicht
dabei in schematisch vereinfachter Darstellung anhand einer Ausführung gemäß 1 eine
besonders vorteilhafte Weiterentwicklung zur Erzielung einer größeren Gesamtübersetzung/Spreizung.
Der Grundaufbau entspricht dem in der 1 beschriebenen,
weshalb für
gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Die
in der 1 dargestellte Version wurde um eine weitere Wechselschaltkupplung 40 und
eine Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 41 ergänzt. Die
Anbindung des Stirnrades 30 der Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 22 erfolgt wahlweise über die
Wechselschaltkupplung 40 an die Vorgelegewelle 24.
Die Schaltstellung 40, ermöglicht dabei der Kopplung zwischen
Hohlrad 9 und elektrische Maschine 16. Ferner
ist die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 41 in
der zweiten Schaltstellung 40II mit
der elektrischen Maschine 16 über die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 25 gekoppelt,
d. h. insbesondere die erste Welle 12 mit der elektrischen
Maschine 16. Dazu ist das Stirnrad 30 drehfest
mit einer Hohlwelle verbunden oder als integrale Baueinheit mit
dieser ausgeführt,
durch welche die Vorgelegewelle 24 geführt ist. Damit wird es möglich, wahlweise
wie beim Basissystem die Vorgelegewelle 24 mit dem Hohlrad 9 des
Planetendifferentialgetriebes 4 zu verbinden. Zusätzlich ist
es möglich,
in einem sogenannten dritten Fahrbereich und dem Rückwärtsgang
die mit dem Getriebeeingang E wenigstens mittelbar gekoppelte Antriebsmaschine
direkt über
ein Zahnradpaar in Form der Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 41 mit
der ersten elektrischen Maschine 16 zu verbinden. Damit wird
es möglich,
einen Rückwärtsgang
und eine dritte Fahrstufe ohne Blindleistungsanteil zu realisieren.
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Demgegenüber verdeutlicht 3 eine
Weiterentwicklung, ausgehend von der Ausführung gemäß 2. Diese
ist in besonders vorteilhafter Weise für den Einsatz in Schienenfahrzeugen
geeignet. Der Grundaufbau entspricht im wesentlichen dem in der 2 beschriebenen,
weshalb auch hier für
gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Für den Einsatz
in Schienenfahrzeugen wird dabei davon ausgegangen, dass die Verbindung zum
Antriebsmotor, d. h. der mit der Getriebeeingangswelle E gekoppelten
Antriebsmaschine unterbrechbar sein muss bzw. die Drehzahl der Verbindungswelle
zwischen der Antriebsmaschine und damit dem der Getriebeeingangswelle
E und dem Planetendifferentialgetriebe 4 in der Richtung
umkehrbar sein muss. Dazu wird erfindungsgemäß der Getriebeeingangswelle
E und damit auch der ersten Welle 12 eine zentrale Schaltkupplung 42 zugeordnet.
Ferner ist ein weiteres Vorgelege 43 vorgesehen, welches
mit einer Vorgelegewelle 52 verbunden ist, die vorzugsweise
koaxial zur zweiten Vorgelegewelle 27 angeordnet ist, jedoch
auch exzentrisch gegenüber dieser
versetzt angeordnet sein kann. Das ein weiteres Zahnrad 44,
welches mit einem drehfest mit der Getriebeeingangswelle E gekoppelten
Stirnrad, hier dem Stirnrad der Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 41,
kämmt und über dieses
mit der ersten Vorgelegewelle 24 gekoppelt. Das Vorgelege,
insbesondere die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtungen 43 und 41 bilden
ein Hochgangstrio 51 unter Ausnutzung des gemeinsam genutzten,
mit der ersten Welle 12 verbundenen Stirnrades, wobei der Hochgangstrio 51 die
Leistung von der Getriebeeingangswelle E je nach Schaltstellung
der Wechselschaltkupplung 19 auf das Planetendifferentialgetriebe 4 und
den elektrischen Getriebeteil 3 verteilt. Die zentrale
Schaltkupplung 42 dient dabei der Kopplung des Getriebeeingangs
E mit der ersten Welle 12 des Planetendifferentialgetriebes 4.
Ferner ist eine Wendeschaltstufe 45 vorgesehen, die zwischen
der Vorgelegewelle 43 und der ersten Welle 12 des
Planetendifferentialgetriebes 4 angeordnet ist. Die Wendeschaltstufe 45 wird
dabei über
eine weitere Schaltkupplung 46 an die Vorgelegewelle 43 gekoppelt.
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Verdeutlichen
die 1 bis 3 neben der Grundversion Modifikationen
dieser, verdeutlichen die 4 und 5 jeweils die Betriebsweisen der in den 2 und 3 beschriebenen
Konfigurationen.
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Die 4a bis 4c verdeutlichen die einzelnen Fahrbereiche.
In den 4a und 4b sind dabei
der erste und der zweite Fahrbereich wiedergegeben, wobei die zur
Realisierung dieser Fahrbereiche getätigten Ausführungen auch für die in
der 1 dargestellte Basisversion gelten. Die Leistungsübertragung,
insbesondere die Momentenübertragung,
wird dabei anhand von Pfeilen verdeutlicht. Im ersten Fahrbereich
fungiert die erste elektrische Maschine 16 als Generator
und die zweite elektrische Maschine 17 als Elektromotor.
Dies bedeutet, dass die erste elektrische Maschine 16 wenigstens
mittelbar mit dem Getriebeeingang E verbunden ist. Die Kopplung
erfolgt hier über
das Planetendifferentialgetriebe 4, insbesondere die vierte
Welle 15. In diesem Funktionszustand ist das Stirnrad 30 der
Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 22 drehfest mit
der Vorgelegewelle 24 verbunden. Bei der Basisversion besteht
diese drehfeste Verbindung grundsätzlich, während gemäß der Ausführung 2 diese
Kopplung über
die Wechselschaltkupplung 40 realisiert wird. Diese dient
im dargestellten Fall der drehfesten Anbindung des Stirnrades 30 an
die Vorgelegewelle 24. Das Moment wird somit vom Getriebeeingang
E zur ersten Welle 12 des Planetendifferentialgetriebes 4 übertragen
und von diesem über
die Welle 15, die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 22 zur
Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 25,
deren Ausgang drehfest mit der elektrischen Maschine 16,
insbesondere dem Rotor der elektrischen Maschine 16, verbunden
ist. Die elektrische Maschine 16 wird in diesem Fahrbereich
als Generator betrieben und ist elektrisch über einen Spannungszwischenkreis 18 mit
der zweiten elektrischen Maschine 17 verbunden. Dadurch
wird der über
das Getriebe zur elektrischen Maschine 16 übertragene
mechanische Leistungsanteil in elektrische Leistung umgewandelt
und an die als Elektromotor fungierende elektrische Maschine 17 übertragen.
Diese bewirkt aufgrund ihrer drehfesten Kopplung mit der Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 26 einen
Antrieb der zweiten Vorgelegewelle 27 und über die
Anbindung der Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 50 durch
die Wechselschaltkupplung 19 an die Vorgelegewelle 27 die
Leistungsübertragung
zum Getriebeausgang A. Der Leistungsfluss ist durch Pfeile verdeutlicht.
An der Getriebeausgangswelle A liegt dabei die Gesamtleistung entweder
als rein mechanisch übertragene
Leistung oder kombinierte mechanisch-elektrisch übertragene Leistung vor. Über die
Stelleinrichtungen im Spannungszwischenkreis 18 kann dabei
die Drehzahl bzw. das Moment an den elektrischen Maschinen 16, 17 gesteuert
werden. Dabei handelt es sich bei der in diesem Fahrbereich als
Generator betreibbaren elektrischen Maschine 16 um die
mechanisch aufnehmbare Leistung, d.h. die Drehzahl und/oder das
aufnehmbare Moment. Dieser Leistungsanteil wird in elektrische Leistung
umgewandelt und der zweiten elektrischen Maschine 17, die
in diesem Fahrbereich als Elektromotor fungiert, zugeführt. Über die
Mittel 20 im Spannungszwischenkreis 18 wird die
von der als Elektromotor betriebenen elektrischen Maschine 17 aufgenommene
und mechanisch abgebbare Leistung, insbesondere die diese bestimmenden
Parameter, aufnehmbares Moment und Drehzahl gesteuert. Dabei wird
der Stellbereich der zweiten elektrischen Maschine 17 voll
ausgenutzt. Diese wird vorzugsweise auf maximal aufnehmbare und
damit maximal abgebbare mechanische elektrische Leistung eingestellt.
Der Stellbereich der ersten elektrischen Maschine 16 wird
im ersten Fahrbereich von null bis auf einen vordefinierten Wert,
vorzugsweise maximal aufnehmbare mechanische Leistung eingestellt.
Dies bedeutet, dass im ersten Fahrbereich der Anteil der elektrisch übertragenen
Leistung wächst.
Bei Erreichen der maximal aufnehmbaren mechanischen Leistung an
der ersten elektrischen Maschine wird die zweite elektrische Maschine 17 derart
angesteuert, dass diese in Richtung minimal oder keine aufnehmbare
elektrische Leistung und damit abgebbare mechanische Leistung eingestellt
wird, so dass zwangsläufig
der vom Generator 16 in den Spannungszwischenkreis 18 eingespeiste
Leistungsanteil zurückgeht
bis nahezu null, d.h. Stillstand der Rotorwelle der als Generator
betriebenen elektrischen Maschine 16. Bei Synchronität zwischen
der Vorgelegewelle 27 und dem Ausgangsstirnrad 36 des
Vorgeleges 28 wird die Wechselschaltkupplung 19 betätigt und
in den zweiten Fahrbereich umgeschalten. Die Wechselschaltkupplung
ist dann in der Schaltstellung 19II .
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Die 4b verdeutlicht
in schematisiert vereinfachter Darstellung den Leistungsfluss sowie
die Drehrichtungen einzelner Elemente im zweiten Fahrbereich anhand
einer Ausführung
des erfindungsgemäß gestalteten elektrisch-mechanischen
Leistungsverzweigungsgetriebes 1 gemäß 2. Dieser
Fahrbereich wird auch mit der Basisversion in dieser Form realisiert.
Dabei erfolgt die Leistungsübertragung
in einem ersten Leistungszweig über
das Planetendifferentialgetriebe 4 und in einem zweiten
Leistungszweig über
den elektrischen Getriebeteil 3. Im zweiten Fahrbereich
werden die Funktionsweisen der elektrischen Maschinen 16 und 17 vertauscht.
Die elektrische Maschine 16 fungiert hier als Elektromotor,
und die zweite elektrische Maschine 17 als Generator. Die
Wechselschaltkupplung 19 befindet sich in der zweiten Schaltposition 19II . Dies bedeutet, dass die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 28 drehfest
mit der Vorgelegewelle 27 verbunden ist. Die Leistungsübertragung
erfolgt dann vom Getriebeeingang E auf das Planetendifferentialgetriebe 4,
hier über
das erste Sonnenrad 7 auf die Stegwelle 10, von dieser
aufgrund der Rückkopplung
der in diesem Fahrbereich zu Beginn noch keine Leistung übertragende
elektrische Maschine 17 auf das Hohlrad 9, auf
das zweite Sonnenrad 8, die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 28 auf
die Vorgelegewelle 27, die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 26 zu
der als Generator betreibbaren elektrischen Maschine 17,
insbesondere den Rotor dieser elektrischen Maschine. Die über diesen
Leistungszweig in den elektrischen Getriebeteil 3 eingespeiste mechanische
Leistung wird in elektrische Leistung umgewandelt und über den
Gleichspannungszwischenkreis 18 der als Elektromotor betreibbaren elektrischen
Maschine 16 zugeführt.
Diese bewirkt einen Antrieb der Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 25 und über diese
durch die drehfeste Kopplung über
die Wechselschaltkupplung 40 auf die Vorgelegewelle 24 eine
Leistungsübertragung
zum Planetendifferentialgetriebe 4, insbesondere zum Hohlrad 9.
Im Planetendifferentialgetriebe 4 werden damit die einzelnen
Leistungsanteile quasi wieder zusammengeführt und an der Stegwelle 10 der
Getriebeausgangswelle A zugesammengeführt. Mittels Pfeilen werden
die Drehrichtungen der einzelnen Wellen angedeutet. Der Übergang
zwischen dem ersten und dem zweiten Fahrbereich erfolgt dabei quasi
automatisch, indem im ersten Fahrbereich der Stellbereich der elektrischen
Maschinen jeweils von maximal aufnehmbaren Moment an der elektrischen Maschine 16 bis
minimales aufnehmbares Moment und minimal abgebbares Moment an der
elektrischen Maschine 17 bis maximal abgebbares Moment durchlaufen
werden. Bei Drehzahlgleichheit zwischen der Vorgelegewelle 27 und
der mit dem Sonnenrad 8 gekoppelten Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 28,
insbesondere dem Ausgangsstirnrad, erfolgt die Umschaltung vom ersten
Fahrbereich in den zweiten, indem die Wechselschaltkupplung 19 in
die Schaltposition 19II verbracht
wird und damit die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 28 bzw.
die mit dieser gekoppelten dritten Welle des Planetendifferentialgetriebes 4 mit
der Vorgelegewelle 27 und damit der Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 26 sowie
der als Generator betreibbaren elektrischen Maschine 17 verbindet. Die
als Generator betreibbare elektrische Maschine 17 wird
dabei von maximal aufnehmbarem Moment bis minimal aufnehmbarem Moment
betrieben. Dies bedeutet, dass der im zweiten Fahrbereich übertragene
elektrische Leistungsanteil über
den zweiten Fahrbereich abnimmt und am Ende des zweiten Fahrbereiches
die Leistung rein mechanisch über das
Planetendifferentialgetriebe 4 übertragen wird, indem die vierte
Welle 15 sowie die dritte Welle 14 sich an den
elektrischen Maschinen 17 und 16 abstützen, d.h.
das Hohlrad am Ende des zweiten Fahrbereiches quasi stillsteht.
Dies gilt in Analogie für
die dritte Welle 14. Die Leistung wird dann direkt vom Getriebeeingang
E über
das Sonnenrad 7 auf die Stegwelle 10 und damit
zum Getriebeausgang A übertragen.
-
Das
maximale übertragbare
Moment im ersten Fahrbereich ist abhängig von der Auslegung der Planetengetriebe
der Vorgelegeübersetzung
und den Elektromaschinen.
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An
die rein mechanische Leistungsübertragung
im zweiten Fahrbereich schließt
sich ein weiterer dritter Fahrbereich an, für welchen in 4c der Leistungsfluss
in schematisch vereinfachter Darstellung wiedergegeben ist. Der
dritte Fahrbereich wird dabei mit einer Ausführung gemäß 2 realisiert. Die
Wechselschaltkupplung 40 befindet sich dabei in ihrer zweiten
Schaltposition 40 II, in welcher diese die Vorgelegewelle 24 mit
der weiteren Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 41 verbindet.
Die erste elektrische Maschine 16 wird hier wieder als
Generator betrieben. In diesem Fahrbereich wird die mit dem Getriebeeingang
E gekoppelte Antriebsmaschine über
die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 41 mit
der elektrischen Maschine 16 direkt gekoppelt, wobei hier
ein erster Leistungsanteil vom Getriebeeingang direkt zur als Generator
betreibbaren elektrischen Maschine 16 über die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtungen 41 und 25 übertragen
wird. Dieser Leistungsanteil wird in elektrische Leistung umgewandelt
und über
den Spannungszwischenkreis 18 der als Motor betreibbaren
elektrischen Maschine 17 zugeführt und über diese in das Planetendifferentialgetriebe 4 quasi
wieder eingespeist, indem die Wechselschaltkupplung 19 sich
in ihrer zweiten Schaltstellung 19 II befindet und damit
die Vorgelegewelle 27 mit der dritten Welle 14 des
Planetendifferentialgetriebes 4 verbindet. Ferner wird
auch ein Anteil an Leistung rein mechanisch zum Planetendifferentialgetriebe 4 übertragen,
d.h. zur ersten Welle 12. Je nach Ansteuerung der elektrischen
Maschinen 16 und 17 werden die einzelnen Leistungsanteile
im Planetendifferentialgetriebe 4 wieder zusammengeführt und
an die Stegwelle 10 übertragen.
Die als Generator betreibbare elektrische Maschine 16 und
die als Motor in diesem Fahrbereich betreibbare elektrische Maschine 17 durchlaufen
vorzugsweise wieder den gesamten Stellbereich.
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Demgegenüber verdeutlicht 4d in
schematisch vereinfachter Darstellung den Leistungsfluss und die
Drehrichtungen für
Rückwärtsfahrt.
Bei Rückwärtsfahrt
wird dabei wie im ersten Fahrbereich die als Generator betreibbare
elektrische Maschine von der elektrischen Maschine 16 gebildet,
während die
Funktion des Elektromotors von der elektrischen Maschine 17 übernommen
wird. Die Wechselschaltkupplung 19 befindet sich in diesem
Funktionszustand in ihrer ersten Schaltstellung, d.h. diese verbindet
die Stegwelle 10 mit der Vorgelegewelle 27. Der Leistungsfluss
erfolgt auch hier wieder vom Getriebeeingang E zum Planetendifferential 4 über die
als Generator betreibbare elektrische Maschine 16 zur als Motor
fungierenden elektrischen Maschine 17 und von dieser über die
drehfeste Kopplung mit der Vorgelegewelle 27 über die
Wechselschaltkupplung 19 zur Stegwelle 10, wobei
hier aufgrund der Führung des Leistungsflusses
eine Drehrichtungsumkehr erzielt wird. Die Drehrichtungen der Rotoren
von elektrischen Maschinen 16 und 17 sind analog
zu den im zweiten Fahrbereich.
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Die 5a bis 5d verdeutlichen
in schematisch vereinfachter Darstellung den Leistungsfluss und
die Drehrichtungen mittels Pfeilen für eine Ausführung des elektrisch-mechanischen
Leistungsverzweigungsgetriebes 1 gemäß 3. Auch
hier werden im ersten Fahrbereich die elektrische Maschine 16 als
Generator betrieben und die elektrische Maschine 17 als
Motor. Die Leistungsübertragung
erfolgt dabei in zwei Leistungszweigen, dem mechanischen Leistungszweig über das
Planetendifferentialgetriebe 4 und einem elektrischen Leistungszweig über die
als Generator betreibbare elektrische Maschine 16 zur elektrischen
Maschine 17. Die als Generator betreibbare elektrische
Maschine 16 durchläuft
dabei einen Stellbereich von minimal aufnehmbarem Moment bis maximal
aufnehmbarem Moment, so dass zu Beginn eine Abstützung des Hohlrades an der
als Generator betreibbaren elektrischen Maschine 16 erfolgt.
Dies gilt in Analogie für
die als Elektromotor fungierende elektrische Maschine 17,
welche zu Beginn aufgrund der maximal erfolgenden Leistungsübertragung
bzw. Leistungsabgabe von dieser die Stegwelle 10 abstützt. Der
von der als Generator betreibbaren elektrischen Maschine 16 aufgenommene
Leistungsanteil, welcher über
das Hohlrad 9 des Planetendifferentialgetriebes 4 auf
die mit diesem gekoppelten Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 25 übertragen
wird, vergrößert sich über den
ersten Fahrbereich. Dies bedeutet, dass der elektrische Leistungsanteil
zunehmend größer wird und
der rein mechanisch übertragene
Leistungsanteil zunehmend abnimmt, wobei der elektrische Leistungsanteil über die
als Motor fungierende elektrische Maschine 17, die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 26 und
die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 50 der
Stegwelle 10 und damit der Getriebeausgangswelle A zugeführt wird.
Zur Kopplung des Einganges E mit der ersten Welle 12 ist die
Zentralkupplung 42 aktiviert und verbindet den Getriebeeingang
E über
den Wendeschaltsatz 45, wobei hier je nach Betätigung der
Schaltkupplung 42 die Drehrichtungen variieren können.
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Die 5b verdeutlicht
demgegenüber
die Verhältnisse
im zweiten Fahrbereich. Hier erfolgt quasi eine Umschaltung zwischen
dem ersten und dem zweiten Fahrbereich bei Drehzahlgleichheit an der
Vorgelegewelle 27 und dem Ausgang der mit der dritten Welle 14 des
Planetendifferentialgetriebes 4 gekoppelten Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung 28.
Die Funktion der elektrischen Maschinen werden vertauscht. Die elektrische
Maschine 17 fungiert als Generator und die elektrische
Maschine 16 als Elektromotor, wobei der elektrische übertragene Leistungsanteil über den
zweiten Fahrbereich abnimmt und die Leistung am Ende rein mechanisch übertragen
wird.
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Die 5c verdeutlicht
demgegenüber
die Verhältnisse
im dritten Fahrbereich, in welchem wiederum die Funktionen zwischen
der elektrischen Maschinen 16 und 17 vertauscht
werden. Die 5d verdeutlicht die Verhältnisse
bei Rückwärtsfahrt,
wobei in diesem Fall die elektrischen Maschinen 16 und 17 jeweils
sowohl als Generator als auch als Elektromotor betreibbar sind.
Im Rückwärtsgang
ist dabei die Zentralkupplung 42 nicht betätigt und
ferner auch nicht die mit der Wendeschaltung 45 zugeordnete Schaltkupplung 46.
Die Leistungsübertragung
erfolgt somit quasi unabhängig
von der Wendeschaltstufe 45.
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Die 1 bis 3 verdeutlichen
Ausführungen
jeweils mit koaxialer Anordnung von mechanischem und elektrischem
Getriebeteil 2, 3. Die 6a verdeutlicht
dabei beispielhaft eine Ausführung
eines erfindungsgemäß gestalteten
elektrisch-mechanischen
Leistungsverzweigungsgetriebes 1 in einer Ansicht von vorn
gemäß der 1 bis 3.
-
Erkennbar
ist dabei der mechanische Getriebeteil 2, der von einem
Gehäuse
umschlossen ist, wobei die beiden elektrischen Maschinen 16 und 17 jeweils
beidseits des mechanischen Getriebeteils 3 angeordnet sind
und ebenfalls von einem Gehäuse umschlossen
werden. Die einzelnen Gehäuse
sind aneinander angeflanscht. Getriebeeingang E und Getriebeausgang
A sind koaxial zueinander angeordnet.
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Gegenüber der 6a verdeutlichen
die 6b und 6c beispielhaft
weitere Anordnungsmöglichkeiten
von Getriebeeingang E und Getriebeausgang A zueinander, wobei 6b eine
Ausführung
mit rechtwinkliger Anordnung wiedergibt. Der Getriebeausgang wird
dabei im mechanischen Getriebeteil 2 angeordnet. Der Getriebeausgang
A ist dabei 90° gegenüber dem
Getriebeeingang E versetzt.
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Die 6c verdeutlicht
beispielhaft eine weitere Anordnungsmöglichkeit des Getriebeausgangs A
in exzentrischer Anordnung. Dabei sind Getriebeeingang E und Getriebeausgang
A vorzugsweise parallel zueinander ausgeführt, jedoch um einen Abstand
a zueinander versetzt.
-
Die
in den 6a bis 6c dargestellten Anordnungsmöglichkeiten
von Getriebeeingang E und Getriebeausgang A zueinander sind beispielhaft. Denkbar
ist unter Berücksichtigung
des Vorsehens entsprechender Übertragungselemente
jede Position. Eine besonders bevorzugte Variante ist jedoch in 6a für die koaxiale
Anordnung wiedergegeben.
-
- 1
- elektrisch-mechanisches
Leistungsverzweigungsgetriebe
- 2
- mechanischer
Getriebeteil
- 3
- elektrischer
Getriebeteil
- 4
- Planetendifferentialgetriebe
- 5
- Planetenstufe
- 6
- Planetenstufe
- 7
- Sonnenrad
- 8
- Sonnenrad
- 9
- Hohlrad
- 10
- Stegwelle
- 11.1
- Planetenräder
- 11.2
- Planetenräder
- 12
- erste
Welle
- 13
- zweite
Welle
- 14
- dritte
Welle
- 15
- vierte
Welle
- 16
- elektrische
Maschine
- 17
- zweite
elektrische Maschine
- 18
- Spannungszwischenkreis
- 19
- Wechselschaltkupplung
- 20
- Mittel
zur Steuerung
- 21
- Umrichter
- 22
- erste
Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung
- 23
- Getriebegehäuse
- 24
- Vorgelegewelle
- 25
- Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung
- 26
- Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung
- 27
- Vorgelegewelle
- 28
- Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung
- 29
- Stirnrad
- 30
- Stirnrad
- 31
- Stirnrad
- 32
- Stirnrad
- 33
- Stirnrad
- 34
- Stirnrad
- 35
- Stirnrad
- 36
- Stirnrad
- 37
- Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung
- 38
- Stirnrad
- 39
- Stirnrad
- 40
- Wechselschaltkupplung
- 41
- Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung
- 42
- zentrale
Schaltkupplung
- 43
- Vorgelegewelle
- 44
- Zahnrad
- 45
- Wendeschaltstufe
- 46
- Schaltkupplung
- 50
- Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung