DE102007044107A1

DE102007044107A1 - Leistungsverzweigtes Getriebe

Info

Publication number: DE102007044107A1
Application number: DE102007044107A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Schröder; Lars Dr. Ing. Hofmann; Jacob Eelkema
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-09-15
Filing date: 2007-09-15
Publication date: 2009-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein einfach oder doppelt leistungsverzweigtes Getriebe, wobei zur Realisierung eines oder mehrerer mechanischer Gänge zwei Differentialwellen wenigstens eines Differentials mittels einer Koppelwelle, die eine schaltbare Kupplung aufweist, miteinander gekoppelt sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Ausgangswelle wenigstens eines ersten Differentials mit einer ihr Drehmoment abstützenden, schaltbaren Bremse versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein leistungsverzweigtes Getriebe, umfassend

– ein Differential mit drei Differentialwellen, nämlich einer Eingangswelle, die mit einer Verbrennungsmaschine koppelbar oder gekoppelt ist, einer ersten Ausgangswelle und einer zweiten Ausgangswelle,
– eine erste, vorwiegend generatorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit der ersten Ausgangswelle des Differentials gekoppelt ist, und eine zweite, vorwiegend motorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit einer Abtriebswelle des Getriebes gekoppelt ist und die mit der ersten elektrischen Maschine als ein Variator zusammenwirkt, sowie
– einen Knoten, der die zweite Ausgangswelle des Differentials und die Abtriebswelle koppelt.

Derartige Getriebestrukturen sind als einfach leistungsverzweigte Getriebe mit eingangsseitigem Differential, kurz ELVeD, bekannt.
Die Erfindung betrifft weiter ein leistungsverzweigtes Getriebe, umfassend

– ein erstes Differential mit drei Differentialwellen, nämlich einer Eingangswelle, einer ersten Ausgangswelle und einer zweiten Ausgangswelle,
– eine erste, vorwiegend generatorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit der ersten Ausgangswelle des ersten Differentials gekoppelt ist, und eine zweite, vorwiegend motorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit der ersten elektrischen Maschine als ein Variator zusammenwirkt,
– ein zweites Differential mit drei Differentialwellen, nämlich einer ersten Eingangswelle, die mit der zweiten Elektromaschine gekoppelt ist, einer zweiten Eingangswelle, die mit einer der Differentialwellen des ersten Differentials, nämlich dessen Eingangswelle oder dessen erster Ausgangswelle, gekoppelt ist, und einer Ausgangswelle, die mit einer Abtriebswelle des Getriebes gekoppelt ist, sowie
– wenigstens zwei Knoten zur Kopplung je zweier der vorgenannten, gekoppelten Wellen.

Derartige Getriebestrukturen sind als doppelt leistungsverzweigte Getriebe, kurz DLV, bekannt.
Fahrzeuggetriebe im Allgemeinen ermöglichen die Anpassung eines vom Verbrennungsmotor erzeugten Lieferkennfeldes an ein an der angetriebenen Achse bzw. den angetriebenen Achsen benötigtes Bedarfskennfeld durch Wandlung von Drehzahl und Drehmoment. Eine stufenlose Wandlung ist beispielsweise durch ein elektrisches Getriebe möglich, wobei ein am Verbrennungsmotor angeordneter Generator zur Stromerzeugung genutzt wird, welche eine oder mehrere am Abtrieb angeordnete elektrischen Maschinen antreibt, die im motorischen Betrieb das benötigte Drehmoment bei geeigneter Drehzahl erzeugen. In speziellen Fahrsituationen können jedoch auch die vorwiegend generatorisch arbeitende Maschine motorisch arbeiten bzw. die vorwiegend motorisch arbeitende Maschine oder Maschinen generatorisch arbeiten. Durch Hinzufügung einer elektrischen Energiespeicherung hoher Speicherkapazität samt einer geeigneten Leistungselektronik lässt sich ein hybrider Antriebsstrang mit bekannten Zusatzfunktionen eines Hybridfahrzeugs realisieren.
Insbesondere bei Hybridfahrzeugen muss in extremen Fahrsituationen die gesamte verbrennungsmotorische Leistung in elektrische Leistung und anschleißend wieder in mechanische Leistung umgewandelt werden. Hierzu ist in der Regel eine große Dimensionierung der elektrischen Maschinen erforderlich, was mit hohen Kosten und ungünstigen Getriebewirkungsgraden in vielen Betriebszuständen verbunden ist.
Diesem Problem wird im Stand der Technik mit dem Prinzip der so genannten Leistungsverzweigung begegnet. Dabei wird die vom Verbrennungsmotor abgegebene Leistung durch ein so genanntes Differential, das häufig als Planetengetriebe ausgeführt ist, beispielsweise aber auch als eine nicht am Gehäuse abgestützte elektrische Maschine realisiert sein kann, aufgeteilt. Nur ein Teil der Verbrennungsmotorleistung wird durch einen Zweig mit den zwei elektrischen Maschinen unter Wandlung von Drehmoment und Drehzahl geleitet. Die restliche Leistung wird über ein oder mehrere mechanische Leistungszweige mit konstanter Übersetzung zum Abtrieb geführt. Abtriebseitig werden die Leistungen der Zweige an einem so genannten Knoten, der beispielsweise als Welle-Nabe-Verbindung oder Zahnradstufe ausgeführt sein kann, zusammengeführt. Als ein Grundtyp einer solchen Leistungsverzweigung ist die so genannte einfache Leistungsverzweigung mit eingangsseitigem Differential, kurz ELVeD, bekannt. Ein weiterer, komplexerer Grundtyp leistungsverzweigter Getriebestrukturen ist die so genannte doppelte Leistungsverzweigung, kurz DLV, die ebenfalls im Stand der Technik bekannt ist. Hierbei stehen neben dem elektrischen Zweig zwei mechanische Zweige zur Verfügung, so dass die Leistung von der Verbrennungsmaschine zum Abtrieb über drei Teilzweige verteilt wird.
Die ELVeD erfordert im Vergleich zu anderen leistungsverzweigten Getriebestrukturen prinzipbedingt eine leistungs- und drehmomentstarke abtriebseitige zweite elektrische Maschine. Der mechanische Aufwand einer ELVeD ist jedoch vergleichsweise gering. Diese Kombination ist für Fahrzeuge günstig, an die die Forderung nach einer großen elektrischen Leistung gestellt wird, um längere Strecken mit angemessener Fahrleistung rein elektrisch fahren zu können. Da hierfür eine große elektrische Leistung installiert werden muss, sollte der zusätzliche mechanische Aufwand so gering wie möglich sein. Für diese Fälle ist die ELVeD besonders geeignet, zumal die leistungsstarke elektrische Maschine durch ihre antriebsnahe Anordnung und die damit verbundene kurze Verlustkette einen vergleichsweise guten Wirkungsgrad beim elektrischen Fahren und beim Rekuperieren von Bremsenergie mit sich bringt.
Bekannte ELVeD-Getriebe haben den Nachteil, dass keine rein mechanische Leistungsübertragung möglich ist, da die erste elektrische Maschine stets ein Abstützmoment der mit ihr gekoppelten Welle des Differentials, insbesondere eines Sonnenrades eines Planetengetriebes aufbringen muss, was sich negativ auf den Getriebewirkungsgrad auswirkt. Ein weiterer Nachteil ist, dass beim Anfahren aus dem Stillstand zunächst die erste elektrische Maschine mit der vollen Verbrennungsmotorleistung belastet wird, da über den stehenden Abtrieb keine Leistung abgeführt werden kann und somit keine Leistung über den mechanischen Teilzweig abgezweigt wird. Um die erste elektrische Maschine nicht zu überlasten, ist es daher bei bekannten Strukturen erforderlich, den Verbrennungsmotor beim Anfahren zu drosseln. Dies wirkt sich negativ auf die dargestellten Zugkräfte aus. Alternativ könnte eine leistungsstärkere erste elektrische Maschine eingesetzt werden, was jedoch mit höheren Kosten verbunden ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfach leistungsverzweigtes Getriebe mit eingangsseitigem Differential zur Verfügung zu stellen, welches einen rein mechanischen Gang vorsieht.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass zwei der Differentialwellen mittels einer Koppelwelle, die eine schaltbare Kupplung aufweist, miteinander gekoppelt sind.
Diese Aufgabe wird alternativ in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 16 dadurch gelöst, dass die erste Ausgangswelle mit einer ihr Drehmoment abstützenden, schaltbaren Bremse versehen ist.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein mechanischer Gang geschaffen wird, bei dem keine Leistung über die elektrischen Maschinen übertragen wird, sondern der Leistungsfluss über nur wenige Zahnradstufen mit größtmöglichem Wirkungsgrad erfolgt. Bei geeigneter Auslegung kann dieser mechanische Gang einen Geschwindigkeitsbereich von unter 50 km/h bis zur Fahrzeughöchstgeschwindigkeit abdecken, so dass der Hauptteil des Energieumsatzes Wirkungsgrad optimal erfolgen kann. Dabei ist die Realisierung des mechanischen Ganges durch ein einfaches Schaltelement, nämlich eine oder mehrere Kupplungen oder eine Bremse, mechanisch besonders wenig aufwendig.
Ein weiterer Vorteil des den mechanischen Gang ermöglichenden Schaltelementes ist die Entlastung der verbrennungsmotorseitigen ersten elektrischen Maschine beim Anfahren. Das Schaltelement, d. h. Kupplung oder Bremse, kann schlupfend einen Teil des Abstützmoments an der Eingangswelle der ersten Elektromaschine aufbringen, so dass die erste Elektromaschine nicht die volle Verbrennungsleistung aufnehmen muss. Damit kann auch bei einer klein dimensionierten elektrischen Maschine auf eine Drosselung des Verbrennungsmotors beim Anfahren mit hoher Last verzichtet werden, wodurch höhere Zugkräfte ermöglicht werden.
Bei Ausführungsformen, bei denen das Schaltelement als ein oder mehrere Kupplungen ausgebildet ist, sind unterschiedliche Varianten denkbar. Bei einer günstigen Variante verbindet die Koppelwelle die Eingangswelle und die zweite Ausgangswelle miteinander. Bei einer ersten Alternative verbindet die Koppelwelle die Eingangswelle und die Abtriebswelle miteinander. Bei einer zweiten Alternative verbindet die Koppelwelle die erste Ausgangswelle und die Abtriebswelle miteinander.
Je nach den Übersetzungserfordernissen des Einzelfalls kann vorgesehen sein, dass der Kupplung eine feste Übersetzungsstufe vor oder nachgeschaltet ist. Die Übersetzungsstufe kann dabei als Stirnradstufe, Vorlegewelle, Planetengetriebe mit einer gehäusefesten Welle oder, besonders bevorzugt, als exzentrisch gelagertes Hohlrad mit Außenverzahnung ausgestaltet sein.
Alternativ zu der festen Übersetzungsstufe können der Kupplung schaltbare Übersetzungsstufen vor- oder nachgeschaltet sein.
Wie eingangs bereits erwähnt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf eine doppelt leistungsverzweigte Getriebestruktur. Getriebe mit doppelter Leistungsverzweigung stellen stufenlose Getriebe dar, bei denen bei geeigneter Auslegung insbesondere bei mittleren und langen Getriebeübersetzungen nur ein geringer Teil der übertragenen Leistung durch den elektrischen Zweig fließt, da der größere Leistungsanteil über die mechanischen Pfade übertragen wird. Dies bietet die Vorteile einer geringeren Leistungsanforderung an die elektrischen Maschinen sowie die Vorteil eines guten Getriebewirkungsgrades in den relevanten Betriebspunkten mit größtem Energieumsatz.
Auch bei doppelt leistungsverzweigten Getriebestrukturen, kurz DLV-Strukturen, besteht der Wunsch nach der Realisierung eines oder mehrerer rein mechanischer Gänge.
Es ist daher eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, doppelt leistungsverzweigte Getriebestrukturen mit wenigstens einem mechanischen Gang zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 5 dadurch gelöst, dass zwei der Differentialwellen wenigstens eines Differentials mittels einer Koppelwelle, die eine schaltbare Kupplung aufweist, miteinander gekoppelt sind. Diese Aufgabe wird alternativ in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 17 dadurch gelöst, dass die erste Ausgangswelle des ersten Differentials mit einer ihr Drehmoment abstützenden, schaltbaren Bremse versehen ist.
Werden die Differentialwellen nur eines Differentials mit der Koppelwelle mit schaltbarer Kupplung gekoppelt, entspricht dies der Realisierung eines mechanischen Ganges. Bei Verwirklichung einer Kopplungsmöglichkeit von je zwei Differentialwellen jedes Differentials können zwei mechanische Gänge dargestellt werden.
Insbesondere bei besonders leistungs- und drehmomentstarken Verbrennungsmotoren mit geringer Drehzahlspreizung besitzen DLV-Strukturen prinzipbedingte Einschränkungen, bei denen die Erfindung Maßnahmen vorsieht, um diese bei entsprechenden Anforderungen zu vermeiden:
Bei relativ geringer Leistung der elektrischen Maschinen, bezogen auf die Verbrennungsmotorleistung, ist bei der Auslegung von DLV-Strukturen ein Kompromiss aus hohen Anfahrzugkräften auf der einen und einer langen Getriebespreizung mit verbrauchsgünstigem Overdrive auf der anderen Seite erforderlich. Durch einen über eine Kupplung zuschaltbaren zusätzlichen mechanischen Leistungspfad mit vorzugsweise je einer schaltbaren großen und kleinen Übersetzung wird einerseits Anfahren und Fahren bei geringen Geschwindigkeiten mit dauerhaft sehr hohen Zugkräften und andererseits ein verbrauchsoptimaler langer Overdrivegang bei sehr großer Getriebespreizung ermöglicht. Die Übersetzungen im zusätzlichen mechanischen Leistungspfad können über einfache Klauenkupplungen gewählt werden, da die beiden mechanischen Gänge die Getriebeextremübersetzungen darstellen und damit im stufenlosen, leistungsverzweigten Übersetzungsbereich dazwischen ein geeigneter Gang vorgewählt werden kann.
Bei einfachen DLV-Strukturen müssen beim elektrischen Fahren die elektrischen Maschinen so geregelt werden, dass der Verbrennungsmotor steht. Dabei muss eine elektrische Maschine generatorisch arbeiten, wofür ein Teil der motorischen Leistung der zweiten elektrischen Maschine durch das Getriebe zurückfließen muss und nicht zum Fahrzeugantrieb zur Verfügung steht (Blindleistung). Somit kann nur ein Teil der Leistung einer elektrischen Maschine zum Fahrzeugantrieb genutzt werden. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Eingangswelle des ersten Differentials eine schaltbare Kupplung aufweist, über die das erste Differential mit einer Verbrennungsmaschine koppelbar ist. Eine derartige Kupplung erlaubt die Trennung des Getriebes von der Verbrennungsmaschine im elektrischen Fahrbetrieb. Dadurch kann die Leistung beider elektrischen Maschinen für das elektrische Fahren genutzt werden. Die Kupplung kann auch beim Anfahren zur Entlastung der elektrischen Maschinen genutzt werden, wodurch höhere Zugkräfte realisierbar sind.
Alternativ kann über eine Bremse oder einen Freilauf an der Eingangswelle des ersten Differentials verhindert werden, dass eine vorgeschaltete Verbrennungsmaschine beim elektrischen Fahren entgegen ihrer sonstigen Drehrichtung beschleunigt wird, so dass auch hierdurch beide elektrischen Maschinen zum Antrieb des Fahrzeugs beim elektrischen Fahren genutzt werden können.
Die verbrennungsmotorseitige Kupplung ermöglicht auch einen Impulsstart des Verbrennungsmotors aus dem elektrischen Fahren, wobei durch gezielte Drehzahlerhöhung der getriebeseitigen Welle und schnelles Schließen der Kupplung der Verbrennungsmotor in kurzer Zeit auf die zum Starten nötige Drehzahl hochbeschleunigt werden kann.
Günstigerweise sind die schaltbare Kupplung der Eingangswelle und die schaltbare Kupplung der Koppelwelle zu einer Doppelkupplungsstruktur kombiniert.
Unabhängig von der zugrunde liegenden Getriebestruktur ELVeD oder DLV kann ein bzw. das Differential als ein Planetengetriebe ausgebildet sein. Alternativ bzw. zusätzlich kann ein bzw. das Differential als eine nicht am Gehäuse abgestützte Elektromaschine ausgebildet sein.
Im Fall mehrerer Differentiale können wenigstens zwei Differentiale gemeinsam als ein reduziertes Koppelgetriebe ausgebildet sein.
Günstigerweise ist ein bzw. der Knoten als eine Welle-Nabe-Verbindung ausgebildet. Alternativ bzw. zusätzlich kann wenigstens ein bzw. der Knoten als eine Zahnradstufe ausgebildet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:
1 ein Wolf-Diagramm einer ELVeD
2 ein Wolf-Diagramm einer ELVeD mit drei Varianten eines kupplungsbasierten mechanischen Gangs
3 Schema eines Drehzahlverlaufs der ersten Elektromaschine von 2
4 Wolf-Diagramm einer ELVeD mit bremsbasiertem mechanischen Gang
5 Schema eines Drehzahlverlaufs der ersten elektrischen Maschine von 4
6 Schema einer ersten Ausführungsform des Prinzips von 2
7 Schema einer zweiten Ausführungsform des Prinzips von 2
8 Schema einer dritten Ausführungsform des Prinzips von 2
9 Schema einer vierten Ausführungsform des Prinzips von 2
10 Schema einer fünften Ausführungsform des Prinzips von 2
11 Schema einer sechsten Ausführungsform des Prinzips von 2
12 Schema einer siebenten Ausführungsform des Prinzips von 2
13 Schema einer achten Ausführungsform des Prinzips von 2
14 Schema einer neunten Ausführungsform des Prinzips von 2
15 Schema einer zehnten Ausführungsform des Prinzips von 2
16 Schema einer elften Ausführungsform des Prinzips von 2
17 Schema einer zwölften Ausführungsform des Prinzips von 2
18 Schema einer ersten Ausführungsform des Prinzips von 4
19 Schema einer zweiten Ausführungsform des Prinzips von 4
20 Schema einer dritten Ausführungsform des Prinzips von 4
21 Schema einer vierten Ausführungsform des Prinzips von 4
22 Schema einer fünften Ausführungsform des Prinzips von 4
23 Schema einer sechsten Ausführungsform des Prinzips von 4
24 Schema einer siebenten Ausführungsform des Prinzips von 4
25 Schema einer achten Ausführungsform des Prinzips von 4
26 Schema einer neunten Ausführungsform des Prinzips von 4
27 Schema einer zehnten Ausführungsform des Prinzips von 4
28 Schema einer elften Ausführungsform des Prinzips von 4
29 Schema einer zwölften Ausführungsform des Prinzips von 4
30 Schema einer dreizehnten Ausführungsform des Prinzips von 4
31 Schema einer vierzehnten Ausführungsform des Prinzips von 4
32 Schema einer fünfzehnten Ausführungsform des Prinzips von 4
33 Schema einer sechzehnten Ausführungsform des Prinzips von 4
34 Schema einer siebzehnten Ausführungsform des Prinzips von 4
35 Schema einer achtzehnten Ausführungsform des Prinzips von 4
36 Wolf-Diagramm einer ersten Grundform einer DLV
37 Wolf-Diagramm einer zweiten Grundform einer DLV
38 Wolf-Diagramm einer dritten Grundform einer DLV
39 Wolf-Diagramm einer vierten Grundform einer DLV
40 Schema einer Realisierungsmöglichkeiten einer DLV mit Koppelelement zum Verbrennungsmotor
41 Wolf-Diagramm einer DLV mit kupplungsbasierten mechanischen Gängen
42 Wolf-Diagramm einer DLV mit zwei mechanischen Gängen und Koppelelement zum Verbrennungsmotor
43 schematische Darstellung einer Realisierungsmöglichkeit der Getriebestruktur gemäß 42
44 schematische Darstellung einer DLV gemäß 40 mit bremsbasiertem mechanischem Gang
45 schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform zweier getrennter, einfacher Planetengetriebe
46 schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform zweier getrennter, einfacher Planetengetriebe
47 schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform zweier getrennter, einfacher Planetengetriebe
48 schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines reduzierten Koppelgetriebes
49 schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines reduzierten Koppelgetriebes
50 schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines reduzierten Koppelgetriebes
51 schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines reduzierten Koppelgetriebes
52 schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines reduzierten Koppelgetriebes
53 schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines reduzierten Koppelgetriebes
54 schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines reduzierten Koppelgetriebes
1 zeigt ein so genanntes Wolf-Diagramm, in dem ein Differential PG1 durch einen Kreis mit drei Ein- bzw. Ausgangswellen und ein aus zwei elektrischen Maschinen E1 und E2 aufgebauter Variator durch einen Kreis mit Pfeil und den Wellen der elektrischen Maschine dargestellt ist. Die dargestellte Struktur zeigt ein einfach leistungsverzweigtes Getriebe mit eingangsseitigem Differential. Das bedeutet, dass das Drehmoment des Verbrennungsmotors VM über die Eingangswelle des Differentials PG1 eingekoppelt und über dessen zwei Ausgangwellen auf einen elektrischen Zweig über den Variator und einen mechanischen Zweig, der über einen Knoten mit der Abtriebswelle des Getriebes verbunden ist, zum Abtrieb hin aufgespalten wird.
2 zeigt drei Varianten einer kupplungsbasierten Realisierung eines rein mechanischen Ganges. Die Varianten sind in unterschiedlichen Grautönen dargestellt. Im geschlossenen Zustand der Kupplung werden jeweils zwei Wellen des Differentials mit festen Übersetzungen gekoppelt, wodurch kein Drehmoment mehr von der ersten Elektromaschine E1 abgestützt werden muss, so dass keine Leistung den elektrischen Zweig passiert. Wie in 2 dargestellt, gibt es verschiedene Anordnungsmöglichkeiten der Kupplung für den mechanischen Gang und der hierfür benötigten Welle. Bei direkter Kopplung zweier Differentialwellen ergibt sich eine synchrone Umschaltung bei einer Getriebeübersetzung 1; bei Verwendung einer zusätzlichen Übersetzung (als i in 2 optional angedeutet) kann die Übersetzung beliebig ausgelegt werden.
3 zeigt den Drehzahlverlauf an der ersten Elektromaschine E1 über dem Kehrwert der Getriebeübersetzung mit einer beispielhaften Auslegung für einen synchrone Umschaltung in den mechanischen Gang ohne zusätzliche Übersetzung bei einer Getriebeübersetzung von 1 bzw. mit zusätzlicher Übersetzung in der Koppelwelle (Getriebeübersetzung < 1; nach Drehzahlumkehr der ersten Elektromaschine E1).
Die 6 bis 9 zeigen einige Ausführungsformen für eine koaxiale Getriebeausgangswelle (6 bis 8) sowie für eine Front-Quer-Anordnung von Verbrennungsmotor und Getriebe mit seitlicher Getriebeausgangswelle (9). Man beachte, dass die Ausführungsform von 7, obgleich als Schaltelement eine Bremse dargestellt ist, tatsächlich eine kupplungsbasierte Variante ist, wobei die Kupplung gemeinsam mit einer Übersetzung als ein Planetengetriebe mit einer am Gehäuse zu bremsenden Welle ausgebildet ist.
Die Ausführungsformen der 10 bis 13 entsprechen im Wesentlichen den Ausführungsformen der 6 bis 9, wobei die elektrischen Maschinen E1 und E2 nach dem so genannten MEGA-Prinzip angeordnet sind, das bedeutet, dass die Rotoren der elektrischen Maschinen E1 und E2 relativ zu einem gemeinsamen, axial verschiebbaren Stator rotieren.
Die 14 bis 17 zeigen weitere Ausführungsformen einer kupplungsbasierten Realisierung eines mechanischen Gangs.
4 zeigt die Getriebestruktur von 1, bei der ein mechanischer Gang durch eine Bremse realisiert ist, die die elektrische Maschine E1 und die ihr zugeordnete Ausgangswelle des Differentials PG1 am Gehäuse bremst. Auf diese Weise wird ein rein mechanischer Gang über die zweite Ausgangswelle des Differentials PG1 zum Abtrieb hin realisiert. Die Bremse wird vorzugsweise nahe einer Übersetzung geschlossen, bei der die angeschlossene Welle im leistungsverzweigten Betrieb prinzipbedingt zum Stillstand kommt, so dass keine oder nur relativ geringe Drehzahlen im Schaltelement auftreten (synchrone Schaltung).
5 zeigt den Drehzahlverlauf der ersten elektrischen Maschine E1 über dem Kehrwert der Getriebeübersetzung, welcher sich aus dem Prinzip der ELVeD ergibt.
Die 18 bis 21 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des Prinzips von 4, wobei sowohl Beispiele eines koaxialen Getriebeausgangsgetriebes (18 und 19) als auch Beispiele einer Front-Quer-Anordnung (20 und 21) realisiert sind.
Die 22 und 23 zeigen Ausführungsbeispiele mit konzentrisch angeordneten elektrischen Maschinen.
Die 24 bis 27 zeigen Ausführungsformen mit einer MEGA-Struktur der elektrischen Maschinen.
Die 28 bis 35 zeigen weitere Ausführungsformen einer bremsbasierten Realisierung eines mechanischen Ganges.
Bei beiden grundsätzlichen Varianten, d. h. brems- und kupplungsbasierter Realisierung mechanischer Gänge sind zusätzliche Übersetzungen zur Drehzahl-/Drehmomentanpassung in der Struktur denkbar, wobei insbesondere eine Übersetzung an der zweiten elektrischen Maschine E2 zur Drehzahlerhöhung bei geringerem Drehmoment eine bevorzugte Ausführungsform ist. Diese Übersetzung kann als einfache Stirnradstufe, als Vorlegewelle, als Planetengetriebe mit einer gehäusefesten Welle oder besonders vorteilhaft als exzentrisch gelagertes Hohlrad mit Außenverzahnung („Gerotor"-Prinzip) ausgeführt sein.
Die Schaltelemente können als nass- oder trockenlaufende Lamellenbremse/-Kupplung mit hydraulischer oder elektromechanischer Betätigung ausgeführt sein, wobei auch andere kraft- oder formschlüssige Schaltelemente denkbar sind. Die Aufgabe der Bremse bei den bremsbasierten Varianten kann prinzipiell auch von einem Freilauf übernommen werden.
So können die elektrischen Maschinen in anderer Form ausgeführt sein als die hier dargestellten.
36 bis 39 zeigen die vier denkbaren Grundvarianten einer doppelt leistungsverzweigten Getriebestruktur (DLV) als Wolf-Diagramm.
40 zeigt eine spezielle Ausführungsform einer doppelt leistungsverzweigten Getriebestruktur, wobei das Getriebe über eine Kupplung, eine Bremse oder einen Freilauf in seiner Eingangswelle an einen Verbrennungsmotor VM angekoppelt ist.
41 zeigt in einem kombinierten Diagramm verschiedene Ausführungsformen einer DLV-Struktur mit ein oder zwei mechanischen Gängen, wobei die zusätzlichen mechanischen Gänge durch Kopplung zweier Differentialwellen über eine Kupplung (ggf. mit Übersetzungsstufe) realisiert werden. Dabei kann die Kupplung/Übersetzung K1/i1 alternativ oder zusätzlich zu der Kupplung/Übersetzung K2/i2 realisiert sein. Optional hierzu können auch die Kupplungen K3 realisiert sein, um Schleppverluste der elektrischen Maschinen zu vermeiden. Diese Option gilt auch für die übrigen, hier offenbarten Strukturen.
42 zeigt eine Kombination einer kupplungsbasierten Realisierung mechanischer Gänge und einer trennbaren Kopplung des Getriebes zum Verbrennungsmotor VM. Dabei ist die abtriebseitige Kupplung (siehe 41) mit der verbrennungsmotorseitigen Kupplung (siehe 40) zur Nutzung beider elektrischen Maschinen beim elektrischen Fahren zu einer Doppelkupplung kombiniert.
43 zeigt eine mögliche Realisierung des Schemas von 42.
44 zeigt die Anordnung von 40 mit einer bremsbasierten Realisierung eines mechanischen Ganges.
Bei der Realisierung der Differentiale sind alle dem Fachmann bekannten und noch zu entwickelnden Differentialanordnungen möglich. Insbesondere können die Differentiale als Planetengetriebe ausgebildet sein, wobei sowohl die Anordnung zweier getrennte Differentiale als auch eines reduzierten Koppelgetriebes denkbar sind. Die 45 bis 47 zeigen Ausführungsbeispiele von Kopplungen getrennter Planetengetriebe, die 48 bis 54 mögliche Ausführungsformen reduzierter Koppelgetriebe jeweils zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung.

Claims

Leistungsverzweigtes Getriebe, umfassend – ein Differential mit drei Differentialwellen, nämlich einer Eingangswelle, die mit einer Verbrennungsmaschine koppelbar oder gekoppelt ist, einer ersten Ausgangswelle und einer zweiten Ausgangswelle, – eine erste, vorwiegend generatorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit der ersten Ausgangswelle des Differentials gekoppelt ist, und eine zweite, vorwiegend motorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit einer Abtriebswelle des Getriebes gekoppelt ist und die mit der ersten elektrischen Maschine als ein Variator zusammenwirkt, sowie – einen Knoten, der die zweite Ausgangswelle des Differentials und die Abtriebswelle koppelt, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Differentialwellen mittels einer Koppelwelle, die eine schaltbare Kupplung aufweist, miteinander gekoppelt sind.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelwelle die Eingangswelle und die zweite Ausgangswelle miteinander verbindet.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelwelle die Eingangswelle und die Abtriebswelle miteinander verbindet.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelwelle die erste Ausgangswelle und die Abtriebswelle miteinander verbindet.
Leistungsverzweigtes Getriebe, umfassend – ein erstes Differential mit drei Differentialwellen, nämlich einer Eingangswelle, einer ersten Ausgangswelle und einer zweiten Ausgangswelle, – eine erste, vorwiegend generatorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit der ersten Ausgangswelle des ersten Differentials gekoppelt ist, und eine zweite, vorwiegend motorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit der ersten elektrischen Maschine als ein Variator zusammenwirkt, – ein zweites Differential mit drei Differentialwellen, nämlich einer ersten Eingangswelle, die mit der zweiten Elektromaschine gekoppelt ist, einer zweiten Eingangswelle, die mit einer der Differentialwellen des ersten Differentials, nämlich dessen Eingangswelle oder dessen erster Ausgangswelle, gekoppelt ist, und einer Ausgangswelle, die mit einer Abtriebswelle des Getriebes gekoppelt ist, sowie – zwei Knoten zur Kopplung von je zwei der vorgenannten, gekoppelten Wellen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Differentialwellen wenigstens eines Differentials mittels einer Koppelwelle, die eine schaltbare Kupplung aufweist, miteinander gekoppelt sind.
Getriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle des ersten Differentials eine schaltbare Kupplung aufweist, über die das erste Differential mit einer Verbrennungsmaschine koppelbar ist.
Getriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle des ersten Differentials einen Freilauf aufweist, über den das erste Differential mit einer Verbrennungsmaschine gekoppelt ist.
Getriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle des ersten Differentials, über die dieses mit einer Verbrennungsmaschine koppelbar ist, eine schaltbare Bremse aufweist.
Getriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Kupplung der Eingangswelle und die schaltbare Kupplung der Koppelwelle zu einer Doppelkupplungsstruktur kombiniert sind.
Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder wenigstens einer Kupplung eine feste Übersetzungsstufe vor- oder nachgeschaltet ist.
Getriebe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsstufe als Stirnradstufe ausgebildet ist.
Getriebe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsstufe als Vorlegewelle ausgebildet ist.
Getriebe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsstufe als ein Planetengetriebe mit einer gehäusefesten Welle ausgebildet ist.
Getriebe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsstufe als exzentrisch gelagertes Hohlrad mit Außenverzahnung ausgebildet ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder wenigstens einer Kupplung schaltbare Übersetuzungsstufen vor- oder nachgeschaltet sind.
Leistungsverzweigtes Getriebe, umfassend – ein Differential mit drei Differentialwellen, nämlich einer Eingangswelle, die mit einer Verbrennungsmaschine koppelbar oder gekoppelt ist, einer ersten Ausgangswelle und einer zweiten Ausgangswelle, – eine erste, vorwiegend generatorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit der ersten Ausgangswelle des Differentials gekoppelt ist, und eine zweite, vorwiegend motorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit einer Abtriebswelle des Getriebes gekoppelt ist und die mit der ersten elektrischen Maschine als ein Variator zusammenwirkt, sowie – einen Knoten, der die zweite Ausgangswelle des Differentials und die Abtriebswelle koppelt; dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausgangswelle mit einer ihr Drehmoment abstützenden, schaltbaren Bremse versehen ist.
Leistungsverzweigtes Getriebe, umfassend – ein erstes Differential mit drei Differentialwellen, nämlich einer Eingangswelle, einer ersten Ausgangswelle und einer zweiten Ausgangswelle, – eine erste, vorwiegend generatorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit der ersten Ausgangswelle des ersten Differentials gekoppelt ist, und eine zweite, vorwiegend motorisch arbeitende elektrische Maschine, die mit der ersten elektrischen Maschine als ein Variator zusammenwirkt, – ein zweites Differential mit drei Differentialwellen, nämlich einer ersten Eingangswelle, die mit der zweiten Elektromaschine gekoppelt ist, einer zweiten Eingangswelle, die mit einer der Differentialwellen des ersten Differentials, nämlich dessen Eingangswelle oder dessen erster Ausgangswelle, gekoppelt ist, und einer Ausgangswelle, die mit einer Abtriebswelle des Getriebes gekoppelt ist, sowie – zwei Knoten zur Kopplung von je zwei der vorgenannten, gekoppelten Wellen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausgangswelle des ersten Differentials mit einer ihr Drehmoment abstützenden, schaltbaren Bremse versehen ist.
Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein bzw. das Differential als ein Planetengetriebe ausgebildet ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein bzw. das Differential als eine nicht am Gehäuse abgestützte Elektromaschine ausgebildet ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall mehrerer Differentiale wenigstens zwei Differentiale gemeinsam als ein reduziertes Koppelgetriebe ausgebildet sind.
Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein bzw. der Knoten als eine Welle-Nabe-Verbindung ausgebildet ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein bzw. der Knoten als eine Zahnradstufe ausgebildet ist.
Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kupplung als ein Planetengetriebe mit einer an einem Getriebegehäuse bremsbaren Welle ausgestaltet ist.
Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite elektrische Maschine axial benachbart zueinander angeordnet sind.
Getriebe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite elektrische Maschine einen gemeinsamen, axial verschiebbaren Stator aufweisen.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite elektrische Maschine koaxial zueinander angeordnet sind.