DE102009059934A1 - Gear arrangement and motor vehicle - Google Patents

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DE102009059934A1
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Lars Dr.-Ing. 38448 Hofmann
Hendrik Dr. 38126 Schröder
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Volkswagen AG
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Abstract

Getriebeanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend – ein Differential (14), das drei Differentialwellen, nämlich eine Differential-Eingangswelle (14E) und eine erste und eine zweite Differential-Ausgangswelle (14A1, 14A2) aufweist, wobei die Differential-Eingangswelle mit einer mit einem Verbrennungsmotor koppelbaren Getriebeeingangswelle (10) und die erste Differential-Ausgangswelle (14A1) über einen Knoten (18) mit einer mit dem Abtrieb des Hybridfahrzeugs koppelbaren Getriebe-Ausgangswelle (12) gekoppelt ist und wobei zwei der Differentialwellen (14E, 14A1, 14A2) mittels einer ersten steuerbaren Kupplungsvorrichtung (k1) miteinander koppelbar sind, – einen Variator (16), dessen Variator-Eingangswelle mit der zweiten Differential-Ausgangswelle (14A2) gekoppelt ist und dessen Variator-Ausgangswelle (16A) über den Knoten (18) mit der ersten Differential-Ausgangswelle (14A1) sowie mit der Getriebe-Ausgangswelle (12) gekoppelt ist, wobei zwischen der ersten Differentialausgangswelle (14A1) und dem Knoten (18) eine zweite steuerbare Kupplungsvorrichtung (K2) angeordnet ist.A hybrid vehicle transmission assembly comprising - a differential (14) having three differential shafts, namely a differential input shaft (14E) and first and second differential output shafts (14A1, 14A2), the differential input shaft having one with one Internal combustion engine-coupled transmission input shaft (10) and the first differential output shaft (14A1) are coupled via a node (18) to a transmission output shaft (12) which can be coupled to the output of the hybrid vehicle, and two of the differential shafts (14E, 14A1, 14A2) by means of a first controllable coupling device (k1) can be coupled to one another, - a variator (16) whose variator input shaft is coupled to the second differential output shaft (14A2) and whose variator output shaft (16A) via the node (18) to the first Differential output shaft (14A1) and coupled to the transmission output shaft (12), wherein between the first differential output Elle (14A1) and the node (18) a second controllable coupling device (K2) is arranged.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend

  • – ein Differential, das drei Differentialwellen, nämlich eine Differential-Eingangswelle und eine erste und eine zweite Differential-Ausgangswelle aufweist, wobei die Differential-Eingangswelle mit einer mit einem Verbrennungsmotor koppelbaren Getriebeeingangswelle und die erste Differential-Ausgangswelle über einen Knoten mit einer mit dem Abtrieb des Hybridfahrzeugs koppelbaren Getriebe-Ausgangswelle gekoppelt ist und wobei zwei der Differentialwellen mittels einer ersten steuerbaren Kupplungsvorrichtung miteinander koppelbar sind,
  • – einen Variator, dessen Variator-Eingangswelle mit der zweiten Differential-Ausgangswelle gekoppelt ist und dessen Variator-Ausgangswelle über den Knoten mit der ersten Differential-Ausgangswelle sowie mit der Getriebe-Ausgangswelle gekoppelt ist.
The invention relates to a transmission arrangement for a hybrid vehicle, comprising
  • A differential having three differential shafts, namely a differential input shaft and first and second differential output shafts, the differential input shaft having a transmission input shaft coupleable to an engine and the first differential output shaft connected via a node to the output coupled to the hybrid vehicle coupled transmission output shaft and wherein two of the differential shafts are coupled to each other by means of a first controllable coupling device,
  • A variator whose variator input shaft is coupled to the second differential output shaft and whose variator output shaft is coupled via the node to the first differential output shaft and to the transmission output shaft.

Die Erfindung betrifft weiter ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine, eine Getriebeanordnung der oben genannten Art sowie einen Abtrieb, wobei die Verbrennungskraftmaschine mit der Getriebeeingangswelle und der Abtrieb mit der Getriebeausgangswelle gekoppelt sind.The invention further relates to a motor vehicle, comprising an internal combustion engine, a transmission assembly of the type mentioned above and an output, wherein the internal combustion engine with the transmission input shaft and the output are coupled to the transmission output shaft.

Stand der TechnikState of the art

Derartige Getriebestrukturen, die z. B. aus der DE 100 04 0812 A1 bekannt sind, werden auch als einfach leistungsverzweigte Getriebe mit eingangsseitigem Differential – kurz ELVeD – und zusätzlichem, rein mechanischem Gang bezeichnet.Such transmission structures, the z. B. from the DE 100 04 0812 A1 are also known as simple power-split transmission with input-side differential - short ELVeD - and additional, purely mechanical gear.

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 kann jedoch auch die vorwiegend generatorisch arbeitende Maschine motorisch arbeiten bzw. die vorwiegend motorisch arbeitende Maschine oder Maschinen generatorisch arbeiten. Solche elektrischen Getriebebaueinheiten aus zwei über eine geeignete Leistungselektronik miteinander verbundenen elektrischen Maschinen sind als elektrische Variatoren bekannt. Durch Hinzufügung einer elektrischen Energiespeicherung hoher Speicherkapazität lässt sich ein hybrider Antriebsstrang mit bekannten Zusatzfunktionen eines Hybridfahrzeugs realisieren.Vehicle transmissions in general make it possible to adapt a delivery map generated by the internal combustion engine to a demand map required on the driven axle or the driven axles by converting the rotational speed and torque. A stepless conversion is possible for example by an electric transmission, wherein an arranged on the internal combustion engine generator is used to generate electricity, which drives one or more arranged on the output electric machines that generate the required torque at a suitable speed during engine operation. In special driving situations, however, the machine operating predominantly as a generator can also operate as a motor, or the machine or machines operating predominantly as a motor can operate as a generator. Such electrical transmission units of two interconnected via a suitable power electronics electrical machines are known as electrical variators. By adding an electrical energy storage of high storage capacity, a hybrid powertrain with known additional functions of a hybrid vehicle can be realized.

Anstelle elektrischer Maschinen können auch hydraulische Maschinen, z. B. Axialkolben-, Radialkolben-, Zahnrad- und/oder Flügelzellenmaschinen eingesetzt werden. Man spricht dann von einem hydraulischen Variator.Instead of electrical machines and hydraulic machines, z. B. axial piston, radial piston, gear and / or vane machines are used. This is called a hydraulic variator.

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.Especially in hybrid vehicles, the entire combustion engine power has to be converted into electrical power and then again into mechanical power in extreme driving situations. For this purpose, a large dimensioning of the electrical machines is usually required, which is associated with high costs and unfavorable transmission efficiencies in many operating conditions.

Diesem Problem wird im Stand der Technik mit dem Prinzip der sogenannten Leistungsverzweigung begegnet. Dabei wird die vom Verbrennungsmotor abgegebene Leistung durch ein 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 sogenannten Knoten, der beispielsweise als Welle-Nabe-Verbindung oder Zahnradstufe ausgeführt sein kann, zusammengeführt. Als ein Grundtyp einer solchen Leistungsverzweigung ist die sogenannte einfache Leistungsverzweigung mit eingangsseitigem Differential, kurz ELVeD, bekannt. ELVeD-Getriebe haben den Nachteil, dass eine Auslegung des Variators so, dass das Fahrzeug im gesamten Übersetzungsbereich in der Nähe eines optimalen Arbeitspunktes betrieben werden kann, kaum möglich ist.This problem is encountered in the prior art with the principle of so-called power split. In this case, the output from the engine power by a differential that is often designed as a planetary gear, but for example, as a not supported on the housing electrical machine can be realized divided. Only part of the engine power is passed through a branch with the two electric machines with torque and speed conversion. The remaining power is fed via one or more mechanical power branches with constant translation to the output. On the output side, the powers of the branches are combined at a so-called node, which can be designed, for example, as a shaft-hub connection or gear stage. As a basic type of such a power split the so-called simple power split with input-side differential, in short ELVeD known. ELVeD transmissions have the disadvantage that a design of the variator so that the vehicle can be operated in the entire transmission range in the vicinity of an optimal operating point, is hardly possible.

Es ist deshalb bekannt, wenigstens Arbeitsbereiche hoher Dauerzugmomente durch einen zusätzlichen, rein mechanischen Gang abzudecken, der bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten zur rein mechanischen Übertragung des Momentes der Verbrennungskraftmaschine auf den Abtrieb dient. Dieser löst das Problem jedoch nur punktuell. Er wird typischerweise realisiert durch eine Kopplung zweier Differentialwellen, was die Leistungsverzweigung unterbindet und das Planetengetriebe des Differentials verlustarm als Block umlaufen lässt. In der oben genannten DE 100 04 0812 A1 ist die hierzu dienende ”erste” Kupplungsvorrichtung als komplexe 4-Zustandskupplung ausgebildet, wobei in der genannten Druckschrift als eigentlicher Zweck des mechanischen Gangs lediglich die Momentenkompensation bei Ausfall beider Elektromaschinen genannt ist. 1 zeigt ein vereinfachtes Wolf-Diagramm des bekannten Getriebes, wobei für die vorliegende Erfindung nicht relevante Kupplungselemente der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet sind.It is therefore known to cover at least work areas high Dauerzugmomente by an additional, purely mechanical gear, which serves at high vehicle speeds for purely mechanical transmission of the moment of the internal combustion engine to the output. However, this solves the problem only selectively. It is typically realized by a coupling of two differential shafts, which prevents the power split and the planetary gear differential of the differential with low loss circulates as a block. In the above DE 100 04 0812 A1 is the "first" coupling device used for this purpose as a complex State coupling formed, said in the cited document as the actual purpose of the mechanical gear is only called the moment compensation in case of failure of both electric machines. 1 shows a simplified Wolf diagram of the known transmission, which for the present invention not relevant coupling elements for clarity are not shown.

Nachteilig dabei ist, dass bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten im rein elektrischen Betrieb, d. h. bei stehendem Verbrennungsmotor, sehr hohe Drehzahlen der eingangsseitigen elektrischen Maschine auftreten. Damit wird die maximale Fahrzeuggeschwindigkeit beim elektrischen Fahren durch die Maximaldrehzahl der eingangsseitigen, d. h. der ersten elektrischen Maschine eingeschränkt. Dies wird auch durch eine – grundsätzlich bekannte – Abkoppelbarkeit der Verbrennungsmaschine mittels einer vor der Differentialeingangswelle angeordneten Kupplungsvorrichtung nicht vermieden, da beim Wiederstart des Verbrennungsmotors dieser wieder angekoppelt werden muss.The disadvantage here is that at high vehicle speeds in purely electrical operation, d. H. occur when the internal combustion engine, very high speeds of the input-side electric machine. Thus, the maximum vehicle speed in electric driving by the maximum speed of the input side, d. H. the first electric machine restricted. This is not avoided by a - basically known - Abkoppelbarkeit the internal combustion engine by means of a arranged in front of the differential input shaft coupling device, since the restart of the engine this must be re-coupled.

Aufgabenstellungtask

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Getriebestruktur derart weiterzubilden, dass die maximale Fahrzeuggeschwindigkeit beim elektrischen Fahren nicht durch eine bauartbedingte Maximaldrehzahl der ersten elektrischen Maschine beschränkt wird.It is the object of the present invention to develop a generic transmission structure in such a way that the maximum vehicle speed during electric driving is not limited by a design-related maximum speed of the first electric machine.

Darlegung der ErfindungPresentation of the invention

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass zwischen der ersten Differentialausgangswelle (14A1) und dem Knoten (18) eine zweite steuerbare Kupplungsvorrichtung (K2) angeordnet ist.This object is achieved in conjunction with the features of the preamble of claim 1, characterized in that between the first differential output shaft ( 14A1 ) and the node ( 18 ) A second controllable coupling device (K2) is arranged.

Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, t die gleichzeitige Abkopplung von Differential und Verbrennungskraftmaschine vom Antrieb zu erlauben. Hierdurch werden im rein elektrischen Betrieb die Schleppverluste deutlich reduziert.The basic idea of the present invention is to allow simultaneous decoupling of the differential and internal combustion engine from the drive. As a result, the drag losses are significantly reduced in purely electrical operation.

Zudem ermöglicht erfindungsgemäße, zweite Kupplungsvorrichtung einen besonders vorteilhaften Start des Verbrennungsmotors aus dem rein elektrischen Betrieb. Im rein elektrischen Betrieb wird die ausgangsseitige Elektromaschine des Variators motorisch betrieben. Die zweite Kupplungsvorrichtung ist geöffnet. Verbrennungsmotor und eingangsseitige elektrische Maschine des Variators stehen still. Der Zustand der ersten Kupplungsvorrichtung, die das Differential verblockt, ist in dieser Fahrsituation irrelevant. Zum Start der Verbrennungsmaschine aus diesem rein elektrischen Betrieb muss jedoch die erste Kupplungsvorrichtung zur Verblockung des Differentials geschlossen werden. Anschließend wird der Verbrennungsmotor mit der eingangsseitigen Elektromaschine, die motorisch betrieben wird, auf Zünddrehzahl beschleunigt und gestartet. Dabei ist ein Verbrennungsmotorstart ohne Rückwirkung auf das Abtriebsmoment (Summenradmoment) möglich, da aufgrund der geöffneten zweiten Kupplungsvorrichtung keine mechanische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor, Differential und eingangsseitiger Elektromaschine einerseits und dem Abtrieb andererseits besteht. Damit wird der Nachteil anderer leistungsverzweigter Getriebestrukturen vermieden, bei denen über die erste Differentialausgangswelle das Drehmoment der eingangsseitigen Elektromaschine zum Start des Verbrennungsmotors als negatives Drehmoment an den Getriebeausgang übertragen wird, was durch die ausgangsseitige Elektromaschine kompensiert werden müsste und eine gute Kenntnis der vorliegenden Drehmomente erforderte. Dies würde einen Zusatzaufwand zur genauen Ermittlung des Verbrennungsmotor-Istmoment erforderlich machen. Zudem müsste die ausgangsseitige Elektromaschine beim Start des Verbrennungsmotors ein so hohes Kompensationsmoment aufbringen, dass dafür Ihre maximalen Drehmomente und Leistungen besonders hoch dimensioniert werden müssten, was zu Bauraum-, Gewichts- und Kostennachteilen führen würde. Nach dem Start des Verbrennungsmotors bei geöffneter erfindungsgemäßer, zweiter Kupplungsvorrichtung wird zunächst die erste Kupplungsvorrichtung geöffnet, d. h. das Differential freigegeben. Im Anschluss werden die Drehzahlen synchronisiert. Dies kann aufgrund der synchronisierten Drehzahlen „digital”, also ohne besonderes Steuerverfahren erfolgen.In addition, according to the invention, the second clutch device allows a particularly advantageous start of the internal combustion engine from purely electrical operation. In purely electrical operation, the output side electric machine of the variator is operated by a motor. The second coupling device is open. Internal combustion engine and input side electric machine of the variator stand still. The state of the first clutch device that locks the differential is irrelevant in this driving situation. To start the internal combustion engine from this purely electrical operation, however, the first coupling device for locking the differential must be closed. Subsequently, the internal combustion engine with the input side electric machine, which is operated by a motor, accelerated to ignition speed and started. In this case, an engine start without reacting to the output torque (Summenradmoment) is possible because due to the open second coupling device no mechanical connection between the engine, differential and input side electric machine on the one hand and the output on the other. This avoids the disadvantage of other power-split transmission structures in which the torque of the input-side electric machine via the first differential output shaft is transmitted to the start of the internal combustion engine as negative torque to the transmission output, which would have to be compensated by the output side electric machine and required a good knowledge of the present torques. This would require an additional effort to accurately determine the actual engine torque. In addition, the output side electric machine would have to apply such a high compensation torque at the start of the internal combustion engine, that for this your maximum torques and power would have to be dimensioned particularly high, which would lead to installation space, weight and cost disadvantages. After the start of the internal combustion engine with open, according to the invention, the second coupling device, the first coupling device is first opened, d. H. the differential is released. Afterwards the speeds are synchronized. This can be done "digital" due to the synchronized speeds, ie without special control method.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Variator-Ausgangswelle und dem Knoten eine dritte steuerbare Kupplungsvorrichtung angeordnet ist. Der hinter dieser Weiterbildung stehende Gedanke ist, die ausgangsseitige Maschine, insbesondere Elektromaschine des Variators vom Abtrieb abzukoppeln, wenn der rein mechanische, lange Gang, bei dem das Fahrzeug rein verbrennungsmotorisch angetrieben wird, eingelegt ist. Durch die diese Abkopplung kann die Übersetzung, mit der die ausgangsseitige Maschine an den Abtrieb angekoppelt ist, so hoch gewählt werden, dass die Maschine in mittleren und langsamen Fahrsituationen, selbst ein hohes Moment zum Abtrieb beiträgt. Insbesondere wird vermieden, dass sie bei hohen Fahrgeschwindigkeiten nutzlos vom Abtrieb mitgeschleppt wird, wobei bei einer hohen Übersetzung ihre Maximaldrehzahl leicht überschritten werden könnte. Ein weiterer Vorteil der genannten Weiterbildung liegt in der Vermeidung von Schleppverlusten der Ausgangsmaschine des Variators. Diese sind gerade bei den im Automobilbereich besonders verbreiteten permanentmagneterregten Synchronmaschinen besonders hoch.In a development of the invention, it is provided that a third controllable coupling device is arranged between the variator output shaft and the node. The idea behind this development is to decouple the output-side machine, in particular the electric machine of the variator from the output, when the purely mechanical, long gear, in which the vehicle is driven purely by internal combustion engine, is inserted. Due to this decoupling, the gear ratio with which the output-side machine is coupled to the output can be selected so high that the machine contributes to the output in medium and slow driving situations, even a high torque. In particular, it is avoided that it is carried along uselessly by the output at high speeds, with its maximum speed could easily be exceeded at a high gear ratio. Another advantage of said training is in the prevention of drag losses of the output engine of the variator. These are just at the im Automotive sector particularly widespread permanent magnet synchronous machines particularly high.

Die durch die zusätzliche Abkoppelbarkeit gewonnene Freiheit bei der Übersetzung, mit der die ausgangsseitige Maschine des Variators an den Abtrieb angekoppelt ist, kann, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, genutzt werden, indem die Variator-Ausgangswelle über eine Übersetzungsstufe mit einem Eingangselement der dritten Kupplungsvorrichtung verbunden ist. Eine solche zusätzliche Übersetzungsstufe kann beispielsweise als ein zusätzliches Planetengetriebe, z. B. eines, bei dem eine seiner Wellen mittels einer steuerbaren Bremse gegenüber einem Getriebegehäuse bremsbar oder fest an das Getriebegehäuse angebunden ist, ausgebildet sein.The freedom obtained by the additional decoupling freedom in the translation, with which the output side engine of the variator is coupled to the output can, as provided in a preferred embodiment, be used by the variator output shaft via a gear ratio with an input element of the third coupling device connected is. Such an additional translation stage can, for example, as an additional planetary gear, z. As one in which one of its waves is connected by means of a controllable brake against a transmission housing braked or fixed to the transmission housing, be formed.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die nicht mit der ersten Kupplungsvorrichtung verbundene Differentialwelle mittels einer vierten Kupplungsvorrichtung mit einer der anderen Differentialwellen koppelbar ist. Dies entspricht der Realisierung eines zweiten rein mechanischen Ganges. Dieser zweite rein mechanische Gang ist vorzugsweise für einen anderen Fahrgeschwindigkeitsbereich ausgelegt als der erste rein mechanische Gang. Letzterer ist, wie oben beschrieben, vorzugsweise mit einer langen Übersetzung versehen und für hohe Fahrgeschwindigkeiten gedacht. Der zweite mechanische Gang hingegen kann die Verbrennungsmaschine vorzugsweise mit einer sehr kurzen Übersetzung an den Abtrieb koppeln, sodass mit ihm Fahrsituationen niedriger Fahrgeschwindigkeit und hoher Dauerzugmomente, zum Beispiel Bergfahrt mit Anhänger, abgedeckt werden können. Zur Realisierung der gewünschten Übersetzung kann der vierten Kupplungsvorrichtung eine entsprechende Übersetzungsstufe vor- oder nachgeschaltet sein.In a development of the invention, it is provided that the differential shaft not connected to the first coupling device can be coupled to one of the other differential shafts by means of a fourth coupling device. This corresponds to the realization of a second purely mechanical gear. This second purely mechanical gear is preferably designed for a different driving speed range than the first purely mechanical gear. The latter is, as described above, preferably provided with a long translation and intended for high speeds. The second mechanical gear, however, can preferably couple the internal combustion engine with a very short translation to the output, so that with him driving situations low driving speed and high Dauerzugmomente, for example ascent with trailer, can be covered. To realize the desired translation, the fourth coupling device may be preceded or followed by a corresponding translation stage.

Günstigerweise ist wenigstens eine der Kupplungsvorrichtungen als eine formschlüssige Kupplung ausgebildet. Beispielsweise kann es sich hier um eine vorzugsweise synchronisierte Klauenkupplung handeln. Formschlüssige Kupplungen unterliegen im Gegensatz zu üblichen reibschlüssigen Kupplungen einem geringeren Verschleiß und benötigen weniger Bauraum.Conveniently, at least one of the coupling devices is designed as a positive coupling. For example, this may be a preferably synchronized jaw clutch. Positive-fit couplings, in contrast to conventional friction clutches wear less and require less space.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung sowie den Zeichnungen.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following, specific description and the drawings.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1: Wolf-Diagramm einer Getriebestruktur nach dem Stand der Technik, 1 : Wolf diagram of a transmission structure according to the prior art,

2: Wolf-Diagramm einer erfindungsgemäßen Getriebestruktur nach einer ersten Ausführungsform, 2 : Wolf diagram of a transmission structure according to the invention according to a first embodiment,

3: Wolf-Diagramm einer bevorzugten Weiterbildung der Getriebestruktur von 2, 3 : Wolf diagram of a preferred development of the transmission structure of 2 .

4: Wolf-Diagramm einer alternativen Weiterbildung der Getriebestruktur von 2, 4 : Wolf diagram of an alternative development of the transmission structure of 2 .

7: schematische Darstellung der Getriebestruktur von 3, 7 : schematic representation of the transmission structure of 3 .

8: schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Getriebestruktur von 3. 8th : schematic representation of another embodiment of the transmission structure of 3 ,

Ausführliche Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „gekoppelt”, dass allgemein ein Wirkverbindungspfad zwischen zwei als „gekoppelt” beschriebenen Elementen vorgesehen ist. Dieser Wirkverbindungspfad kann sowohl drehfeste Verbindungen als auch Verbindungen, die Relativdrehungen zulassen, z. B. Übersetzungsstufen, umfassen. Weiter ist es nicht erforderlich, dass der Wirkverbindungspfad dauerhaft besteht. Insbesondere können zwischen zwei als „gekoppelt” beschriebenen Elementen Kupplungsvorrichtungen vorgesehen sein, die den Wirkverbindungspfad wenigstens temporär unterbrechen können.In the context of the present invention, the term "coupled" means that an active connection path is generally provided between two elements described as "coupled". This Wirkverbindungspfad can both rotationally fixed connections and connections that allow relative rotation, z. B. translation stages include. Furthermore, it is not necessary for the active connection path to exist permanently. In particular, coupling devices can be provided between two elements described as "coupled", which can interrupt the operative connection path at least temporarily.

Der Begriff „koppelbar” bedeutet im Rahmen der vorliegenden Beschreibung, das die Wirkverbindung zwischen zwei als „koppelbar” beschriebenen Elementen zwingend eine Nahtstelle aufweist, die durch eine Kupplungsvorrichtung temporär oder durch bauliche Maßnahmen dauerhaft geschlossen werden kann.The term "coupled" means in the context of the present description that the operative connection between two elements described as "couplable" necessarily has an interface that can be permanently closed by a coupling device temporarily or by structural measures.

1 zeigt ein Wolf-Diagramm einer Getriebestruktur gemäß dem Stand der Technik. Die Getriebeeingangswelle 10 ist, insbesondere im Rahmen des Einbaus der Getriebestruktur in ein Kraftfahrzeug, mit dessen Verbrennungsmotor, insbesondere dessen Kurbelwelle, koppelbar. Analoges gilt für die Getriebeausgangswelle 12, die mit dem Abtrieb des Kraftfahrzeugs, insbesondere mit dem Achsdifferential einer angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs koppelbar ist. Die Getriebestruktur umfasst ein Differential 14, das insbesondere als Planetengetriebe ausgebildet sein kann und wenigstens drei Wellen umfasst, nämlich eine Differentialeingangswelle 14E, eine erste Differentialausgangswelle 14A1 und eine zweite Differentialausgangswelle 14A2. An das Planetengetriebe 14 schließt sich ein Variator 16 an, der bei der bevorzugten Ausführungsform eine erste elektrische Maschine 161 und eine zweite elektrische Maschine 162 umfasst, zwischen denen eine steuerbare Leistungselektronik vorgesehen ist. Typischerweise ist außerdem ein elektrischer Energiespeicher mit dem Variator verbunden. Der Variator 16 ist über seine Variatoreingangswelle 16E mit der zweiten Differentialausgangswelle 14A2 gekoppelt. Die Variatorausgangswelle 16A ist über einen Knoten 18 mit der Getriebeausgangswelle 12 gekoppelt. Der Knoten 18 kann auf unterschiedliche Weise, z. B. als Welle-Nabe-Verbindung, Zahnradstufe, Übersetzungsgetriebe, Vorgelegewelle etc. ausgebildet sein. Ebenfalls mit dem Knoten 18 gekoppelt ist die erste Differentialausgangswelle 14A1 des Differentials 14. Um einen rein mechanischen Gang zu realisieren, können die Differentialeingangswelle 14E und die erste Differentialausgangswelle 14A1 über eine erste Kupplungsvorrichtung K1 miteinander verbunden werden, sodass das Differential 14 verblockt ist und verlustarm ohne innere Relativbewegungen als Block umläuft. 1 shows a Wolf diagram of a transmission structure according to the prior art. The transmission input shaft 10 is, in particular in the context of the installation of the transmission structure in a motor vehicle, with the internal combustion engine, in particular the crankshaft, coupled. The same applies to the transmission output shaft 12 , which is coupled to the output of the motor vehicle, in particular to the axle differential of a driven axle of the motor vehicle. The transmission structure includes a differential 14 , which may be formed in particular as a planetary gear and comprises at least three shafts, namely a differential input shaft 14E , a first differential output shaft 14A1 and a second differential output shaft 14A2 , To the planetary gear 14 closes a variator 16 in the preferred embodiment, a first electric machine 161 and a second electric machine 162 includes, between which one controllable power electronics is provided. Typically, an electrical energy store is also connected to the variator. The variator 16 is via its variator input shaft 16E with the second differential output shaft 14A2 coupled. The variator output shaft 16A is over a node 18 with the transmission output shaft 12 coupled. The knot 18 can in different ways, eg. B. as a shaft-hub connection, gear stage, transmission gear, countershaft, etc. may be formed. Also with the node 18 coupled is the first differential output shaft 14A1 of the differential 14 , To realize a purely mechanical gear, the differential input shaft 14E and the first differential output shaft 14A1 be connected to each other via a first coupling device K1, so that the differential 14 is locked and loosely without internal relative movements as a block rotates.

Die im Zusammenhang mit 1 eingeführten Bezugszeichen bezeichnen im weiteren Verlauf korrespondierende Elemente in den übrigen Figuren.The related to 1 introduced reference numerals designate in the course of corresponding elements in the remaining figures.

2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebestruktur. Diese unterscheidet sich von der bekannten Getriebestruktur gemäß 1 durch eine zweite Kupplungsvorrichtung K2 aus, die den Knoten 18 mit der freien, d. h. der nicht von der ersten Kupplungsvorrichtung mit einer anderen Differentialwelle gekoppelten Differentialwelle, koppelt. Bei der Ausführungsform von 2 ist dies die erste Differentialausgangswelle 14A1. Mittels der zweiten Kupplungsvorrichtung K2 können im Fall des rein elektrischen Betriebs des Fahrzeugs die Verbrennungsmaschine, das Differential 14 und die erste elektrische Maschine 161 vollständig vom Abtrieb abgekoppelt werden. Dies ermöglicht insbesondere einen Start bzw. Wiederstart der Verbrennungsmaschine unter optimierten Bedingungen unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit. 2 shows a first embodiment of a transmission structure according to the invention. This differs from the known transmission structure according to 1 by a second coupling device K2, which is the node 18 with the free, ie the not coupled by the first coupling device with another differential shaft differential shaft coupled. In the embodiment of 2 this is the first differential output shaft 14A1 , By means of the second coupling device K2, in the case of purely electrical operation of the vehicle, the internal combustion engine, the differential 14 and the first electric machine 161 be completely decoupled from the output. This allows, in particular, a start or restart of the internal combustion engine under optimized conditions, regardless of the vehicle speed.

Weiter weist die Ausführungsform von 2 eine optionale (gestrichelte Darstellung), dritte Kupplungsvorrichtung K3 zwischen der Variatorausgangswelle 16A und dem Knoten 18. Hierdurch wird eine Abkoppelbarkeit der ausgangsseitigen elektrischen Maschine 162 im Fall des Fahrzeugbetriebs im rein mechanischen Gang, der durch ein Schließen der ersten Kupplungsvorrichtung K1 realisiert wird, ermöglicht. Hierdurch werden die Schleppverluste der zweiten elektrischen Maschine 162 vermieden. Zudem ist es möglich, über eine in 2 nicht dargestellte, zusätzliche Übersetzungsstufe die ausgangsseitige elektrische Maschine 162 mit hoher Übersetzung an die Getriebeausgangswelle 12 anzukoppeln, was ohne die dritte Kupplungsvorrichtung K3 aufgrund der beschränkten Maximaldrehzahl der elektrischen Maschine 162 bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten nicht möglich wäre.Next, the embodiment of 2 an optional (dashed line), third coupling device K3 between the Variatorausgangswelle 16A and the node 18 , This results in a decoupling of the output-side electrical machine 162 in the case of vehicle operation in the purely mechanical gear, which is realized by closing the first clutch device K1 allows. As a result, the drag losses of the second electric machine 162 avoided. Moreover, it is possible to have an in 2 not shown, additional translation stage the output side electric machine 162 with high gear ratio to the transmission output shaft 12 coupled, without the third coupling device K3 due to the limited maximum speed of the electric machine 162 would not be possible at high vehicle speeds.

Die Ausführungsformen der 3 und 4 erweitern die bisher beschriebenen Getriebestrukturen um einen weiteren rein mechanischen Gang, der durch die vierte Kupplungsvorrichtung K4 realisiert wird. Diese koppelt zwei andere Differentialwellen als die erste Kupplungsvorrichtung K1. Alternativ könnten auch dieselben Wellen wie mittels der ersten Kupplungsvorrichtung K1 gekoppelt werden, jedoch mit einer anderen zwischengeschalteten Übersetzung. Grundsätzlich hat die Kopplung zweier Differentialwellen unabhängig davon, welche speziellen Wellen gekoppelt werden, die gleiche Wirkung, nämlich die Verblockung des Differentials. Dadurch, dass durch die Kupplungsvorrichtungen K1 und K4 jedoch Differentialwellen auf unterschiedlichen Wirkverbindungspfaden gekoppelt werden können, könne diese Pfade unterschiedlich gestaltet sein, insbesondere unterschiedliche Übersetzungen zum Abtrieb realisieren. Insbesondere ist es möglich, beispielsweise über die erste Kupplungsvorrichtung K1 einen „langen” Gang zu realisieren, der bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten eine rein mechanische Kraftübertragung von der Verbrennungsmaschine zum Abtrieb ermöglicht. Demgegenüber kann der zweite rein mechanische Gang, realisiert durch die vierte Kupplungsvorrichtung K4, eine kurze Übersetzung haben und insbesondere eingesetzt werden, wenn hohe Dauerzugleistungen bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten, die die elektrischen Maschinen überlasten würden, gefordert sind. Entsprechende Übersetzungsstufen, die z. B. als Stirnradstufen oder Planetengetriebe ausgebildet sein können, sind in den 2–4 nicht dargestellt, können jedoch leicht an beliebiger Stelle eingefügt werden.The embodiments of the 3 and 4 expand the previously described transmission structures by a further purely mechanical gear, which is realized by the fourth clutch device K4. This couples two different differential shafts as the first coupling device K1. Alternatively, the same waves could be coupled as by means of the first coupling device K1, but with a different intermediate gear ratio. Basically, the coupling of two differential shafts, regardless of which particular waves are coupled, the same effect, namely the locking of the differential. Due to the fact that differential shafts can be coupled to different active connection paths by the coupling devices K1 and K4, however, these paths can be designed differently, in particular to realize different ratios for the output. In particular, it is possible, for example via the first clutch device K1, to realize a "long" gear which, at high vehicle speeds, enables a purely mechanical transmission of power from the internal combustion engine to the output. In contrast, the second purely mechanical gear, realized by the fourth clutch device K4, have a short gear ratio and can be used in particular when high continuous train powers are required at low vehicle speeds which would overload the electric machines. Corresponding translation stages, the z. B. may be formed as a spur gear or planetary gear, are in the 2 - 4 not shown, but can be easily inserted anywhere.

Die Unterschiede zwischen den Strukturen der 3 und 4 bestehen lediglich im Ort der Ankopplung an den Abtrieb. Bevorzugt ist die Ankopplung im Bereich des Knotens 18 (3). Grundsätzlich möglich wäre jedoch auch die Ankopplung vor der dritten Kupplungsvorrichtung K3, d. h. zwischen dieser und der Variatorausgangswelle 16A. Bei dieser Variante wäre. allerdings in dem zweiten mechanischen Gang, keine Abkoppelbarkeit der ausgangsseitigen elektrischen Maschine 162 gegeben. Ist der zweite mechanische Gang jedoch, wie oben beschrieben, für niedrige Fahrzeuggeschwindigkeiten ausgelegt, wäre dies kein Hindernis. Im Gegenteil könnte bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten je nach Momentenanforderung die Überblendung zwischen rein mechanischem und geboostetem, d. h. mit elektrischem Antrieb kombiniertem verbrennungsmotorischem Antrieb, erleichtert werden.The differences between the structures of 3 and 4 exist only in the place of coupling to the output. Preferably, the coupling is in the region of the node 18 ( 3 ). In principle, however, would also be the coupling in front of the third coupling device K3, ie between this and the Variatorausgangswelle 16A , In this variant would be. however, in the second mechanical gear, no decoupling of the output-side electric machine 162 given. However, if the second mechanical gear, as described above, designed for low vehicle speeds, this would not be an obstacle. On the contrary, the transition between purely mechanical and boosted, ie combined with electric drive internal combustion engine drive could be facilitated at low vehicle speeds depending on the torque requirement.

5 zeigt eine schematische Darstellung der Getriebestruktur von 3. Der Knoten 18 ist hier als eine Triebwelle mit drei Eingangs- und einem Ausgangsritzel realisiert. Im Übrigen sind die einzelnen Elemente durch Verwendung der bereits eingeführten Bezugszeichen ohne weiteres identifizierbar. 5 shows a schematic representation of the transmission structure of 3 , The knot 18 is realized here as a drive shaft with three input and one output pinion. Incidentally, the individual elements are readily identifiable by using the already introduced reference numerals.

Die Struktur von 6 unterscheidet sich von derjenigen von 5 dadurch, dass zwischen der ausgangsseitigen elektrischen Maschine 162 und der dritten Kupplungsvorrichtung K3 ein zusätzliches Planetengetriebe 20 als Übersetzungsstufe für die elektrische Maschine 162 vorgesehen ist. Die Sonne des Planetengetriebes 20 ist über das Getriebegehäuse dauerhaft festgesetzt. The structure of 6 is different from that of 5 in that between the output side electrical machine 162 and the third clutch device K3 an additional planetary gear 20 as a translation stage for the electric machine 162 is provided. The sun of the planetary gear 20 is permanently fixed via the gearbox housing.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten anhand gegeben. Insbesondere können die erläuterten Merkmale einzeln oder gruppenweise miteinander zur Schaffung neuer Getriebestrukturen kombiniert werden. Auch ist es grundsätzlich möglich, an jeder beliebigen Stelle insbesondere jeweils einer Kupplungsvorrichtung zugeordnet, Übersetzungsstufen zur Anpassung der Relativdrehzahlen an den jeweiligen Einsatzbereich anzuordnen. Auch die spezielle Ausgestaltung der Kupplungsvorrichtungen muss vom Fachmann im Lichte der speziellen Aufgabenstellung im Hinblick auf Verschleiß, Bauraum, Momentenübertragung etc. gewählt werden. Als besonders vorteilhaft wird die Verwendung von formschlüssigen anstelle von kraftschlüssigen Kupplungen angesehen.Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative embodiments of the present invention. A broad range of possible variations will be apparent to those skilled in the art in light of the disclosure herein. In particular, the explained features can be combined individually or in groups with each other to create new transmission structures. It is also possible in principle, in each case in each case assigned to a respective coupling device, to arrange transmission stages for adapting the relative speeds to the respective application area. The special design of the coupling devices must be selected by the expert in the light of the specific task with regard to wear, space, torque transmission, etc. Particularly advantageous is the use of positive instead of frictional clutches considered.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
GetriebeeingangswelleTransmission input shaft
1212
GetriebeausgangswelleTransmission output shaft
1414
Differentialdifferential
14E14E
DifferentialeingangswelleDifferential input shaft
14A114A1
erste Differentialausgangswellefirst differential output shaft
14A214A2
zweite Differentialausgangswellesecond differential output shaft
1616
Variatorvariator
161161
erste elektrische Maschine von 16 first electric machine of 16
162162
zweite elektrische Maschine von 16 second electric machine of 16
16E16E
VariatoreingangswelleVariatoreingangswelle
16A16A
Variatorausgangswellevariator
1818
Knotennode
2020
zusätzliches Planetengetriebeadditional planetary gear
K1K1
erste Kupplungsvorrichtungfirst coupling device
K2K2
zweite Kupplungsvorrichtungsecond coupling device
K3K3
dritte Kupplungsvorrichtungthird coupling device

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 100040812 A1 [0003, 0008] DE 100040812 A1 [0003, 0008]

Claims (7)

Getriebeanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend – ein Differential (14), das drei Differentialwellen, nämlich eine Differential-Eingangswelle (14E) und eine erste und eine zweite Differential-Ausgangswelle (14A1, 14A2) aufweist, wobei die Differential-Eingangswelle mit einer mit einem Verbrennungsmotor koppelbaren Getriebeeingangswelle (10) und die erste Differential-Ausgangswelle (14A1) über einen Knoten (18) mit einer mit dem Abtrieb des Hybridfahrzeugs koppelbaren Getriebe-Ausgangswelle (12) gekoppelt ist und wobei zwei der Differentialwellen (14E, 14A1, 14A2) mittels einer ersten steuerbaren Kupplungsvorrichtung (K1) miteinander koppelbar sind, – einen Variator (16), dessen Variator-Eingangswelle mit der zweiten Differential-Ausgangswelle (14A2) gekoppelt ist und dessen Variator-Ausgangswelle (16A) über den Knoten (18) mit der ersten Differential-Ausgangswelle (14A1) sowie mit der Getriebe-Ausgangswelle (12) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Differentialausgangswelle (14A1) und dem Knoten (18) eine zweite steuerbare Kupplungsvorrichtung (K2) angeordnet ist.Transmission arrangement for a hybrid vehicle, comprising - a differential ( 14 ), the three differential shafts, namely a differential input shaft ( 14E ) and a first and a second differential output shaft ( 14A1 . 14A2 ), wherein the differential input shaft with a coupled with an internal combustion engine transmission input shaft ( 10 ) and the first differential output shaft ( 14A1 ) via a node ( 18 ) can be coupled to the output of the hybrid vehicle transmission output shaft ( 12 ) and wherein two of the differential waves ( 14E . 14A1 . 14A2 ) can be coupled to one another by means of a first controllable coupling device (K1), - a variator ( 16 ) whose variator input shaft to the second differential output shaft ( 14A2 ) and its variator output shaft ( 16A ) over the node ( 18 ) with the first differential output shaft ( 14A1 ) as well as with the transmission output shaft ( 12 ), characterized in that between the first differential output shaft ( 14A1 ) and the node ( 18 ) A second controllable coupling device (K2) is arranged. Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Variator-Ausgangswelle (16A) und dem Knoten (18) eine dritte steuerbare Kupplungsvorrichtung (K3) angeordnet ist.Transmission arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that between the variator output shaft ( 16A ) and the node ( 18 ) A third controllable coupling device (K3) is arranged. Getriebeanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Variator-Ausgangswelle (16A) über eine Übersetzungsstufe mit einem Eingangselement der dritten Kupplungsvorrichtung (K3) verbunden ist.Gear arrangement according to claim 2, characterized in that the variator output shaft ( 16A ) is connected via a translation stage with an input element of the third coupling device (K3). Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht mit der ersten Kupplungsvorrichtung (K1) verbundene Differentialwelle (14A2) mittels einer vierten Kupplungsvorrichtung (K4) mit einer der anderen Differentialwellen (14E) koppelbar ist.Gear arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the differential shaft not connected to the first coupling device (K1) ( 14A2 ) by means of a fourth coupling device (K4) with one of the other differential shafts ( 14E ) can be coupled. Getriebeanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vierten Kupplungsvorrichtung (K4) eine Übersetzungsstufe vor- oder nachgeschaltet ist.Gear arrangement according to claim 4, characterized in that the fourth coupling device (K4) is a translation stage upstream or downstream. Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Kupplungsvorrichtungen (K1, K2, K3, K4) als eine formschlüssige Kupplung ausgebildet ist.Gear arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the coupling devices (K1, K2, K3, K4) is designed as a positive coupling. Kraftfahrzeug, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine, eine Getriebeanordnung mit einer Getriebeeingangswelle (10) und einer Getriebeausgangswelle (12) und einem Abtrieb, wobei die Verbrennungskraftmaschine mit der Getriebeeingangswelle (10) und der Abtrieb mit der Getriebeausgangswelle (12) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeanordnung eine Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche ist.Motor vehicle comprising an internal combustion engine, a transmission arrangement with a transmission input shaft ( 10 ) and a transmission output shaft ( 12 ) and an output, wherein the internal combustion engine with the transmission input shaft ( 10 ) and the output with the transmission output shaft ( 12 ), characterized in that the gear arrangement is a gear arrangement according to one of the preceding claims.
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