DE102012201374A1

DE102012201374A1 - Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012201374A1
Application number: DE102012201374A
Authority: DE
Inventors: Peter Ziemer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-01
Also published as: CN103223855B; US20130196808A1; CN103223855A; US8696507B2

Abstract

Ein Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle (4) und einer Getriebeausgangswelle (5) und zwei Leistungspfaden (L1, L2) zwischen der Getriebeeingangswelle (4) und einem Hauptradsatz (HRS) mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichneten Wellen (W1, W2, W3, W4), wobei zumindest eine Elektromaschine (EM1) mit einer der Wellen (W1, W2, W3, W4) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist, die erste Welle (W1) über ein erstes Schaltelement (C) mit einem ersten Leistungspfad (L1) und über ein zweites Schaltelement (B) mit einem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, die zweite Welle (W2) über ein drittes Schaltelement (D) mit dem ersten Leistungspfad (L1) und über ein viertes Schaltelement (E) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, die dritte Welle (W3) ständig mit der Getriebeausgangswelle (5) verbunden ist, die vierte Welle (W4) über ein sechstes Schaltelement (F) festsetzbar ist und über ein fünftes Schaltelement (A) mit dem ersten Leistungspfad (L1) verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle und zwei Leistungspfaden zwischen der Getriebeeingangswelle und einem aus zwei Einzelplanetenradsätzen bestehenden Hauptradsatz mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichneten Wellen, wobei ein erster der Leistungspfade ein erstes festes Übersetzungsverhältnis und ein zweiter der Leistungspfade ein zweites festes Übersetzungsverhältnis aufweist, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis.
Weiters betrifft die Erfindung einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug umfassend zumindest einen Verbrennungsmotor und zumindest eine Elektromaschine.
Ein Getriebe der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der EP 0 434 525 A1 bekannt geworden. Bei dem bekannten Getriebe, welches fünf Schaltelemente aufweist, deren selektives paarweises Eingreifen verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen der Getriebeeingangswelle und der Getriebeausgangswelle bewirkt, sind sechs Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang realisiert.
Aus der Patentanmeldung DE 10 2010 028 026 der Anmelderin ist ferner ein Hybridantriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor und mehreren Elektromotoren bekannt geworden. Bei diesem Hybridantriebsstrang kommt ein Zahnradgetriebe mit Teilgetrieben zum Einsatz, die jeweils eine schaltbare Gangstufe aufweisen. Die in den Teilgetrieben vorhandenen schaltbaren Gangstufen werden von einem Direktgang bei koaxialem An- und Antrieb abgesehen, jeweils durch genau ein Einzelgetriebe, wie einem Stirnradpaar oder ein Planetengetriebe erzeugt. Ein Neun-Gang Vorgelegegetriebe mit koaxialem Abtrieb würde danach für die neun Gänge mindestens neun Einzelgetriebe in Form von neun Stirnradpaaren benötigen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, den erforderlichen Bauaufwand für einen Hybridantriebstrang der oben genannten Art mit einem Mehrganggetriebe zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird mit einem mit einem Getriebe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eine Elektromaschine mit einer der Wellen des Hauptradsatzes verbunden ist, wobei die erste Welle über ein erstes Schaltelement mit einem ersten Leistungspfad und über ein zweites Schaltelement mit einem zweiten Leistungspfad verbindbar ist, wobei die zweite Welle über ein drittes Schaltelement mit dem ersten Leistungspfad und über ein viertes Schaltelement mit dem zweiten Leistungspfad verbindbar ist, wobei die dritte Welle ständig mit der Getriebeausgangswelle verbunden ist, wobei die vierte Welle über ein sechstes Schaltelement festsetzbar ist und über ein fünftes Schaltelement mit dem ersten Leistungspfad oder dem zweiten Leistungspfad verbindbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich vor allem durch einen wesentlich reduzierten und vereinfachten Aufbau aus, wodurch sich auch eine Optimierung hinsichtlich des Gesamtgewichts und des erforderlichen Einbauraums erzielen lässt. Je zwei Schaltelemente können mittels eines doppeltwirkenden Aktuators wechselweise betätigbar sein. Hierbei kann ein Schließen eines ersten Schaltelements ein Öffnen eines zweiten Schaltelementes zur Folge haben. Alle in diesem Dokument genannten Schaltelemente können bevorzugt als formschlüssige Schaltelemente, beispielsweise als Klauenschaltelemente, insbesondere Klauenkupplungen oder Klauenbremsen, ausgebildet sein. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Getriebes besteht darin, dass die verwendeten Schaltelemente keine Synchronisiereinrichtung benötigen, da eine Synchronisierung der Schaltelemente über die Elektromaschine und einen Verbrennungsmotor in einem lastlosen Zustand erfolgen kann. Darüber hinaus kann die Elektromaschine als Drehzahlgeber (Resolver) dienen. Hierbei können undefinierte Drehzahlzustände an den Planetenradsätzen innerhalb und außerhalb der Schaltung der Gänge durch stets definierte Drehzahlen an der Elektromaschine am Antrieb und am Abtrieb vermieden werden. Darüber hinaus kann auch eine Lastschaltung beim verbrennungsmotorischen Fahren über die Elektromaschine erfolgen.
Die verwendeten Planetengetriebe sind vorzugsweise als Minus-Planetenradsätze ausgebildet. Ein einfacher Minus-Planetenradsatz umfasst ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, an dem Planetenräder drehbar gelagert sind, die jeweils mit Sonnenrad und Hohlrad kämmen. Hierdurch weist das Hohlrad bei festgehaltenem Steg eine zum Sonnenrad entgegengesetzte Drehrichtung auf. Demgegenüber umfasst ein einfacher Plus-Planetenradsatz ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, an dem innere und äußere Planetenräder drehbar gelagert sind, wobei alle inneren Planetenräder mit dem Sonnenrad und alle äußeren Planetenräder mit dem Hohlrad kämmen, wobei jedes innere Planetenrad mit jeweils einem äußeren Planetenrad kämmt. Hierdurch weist das Hohlrad bei festgehaltenem Steg die gleiche Drehrichtung auf wie das Sonnenrad. Gemäß der Erfindung kann ein Minus-Planetenradsatz jedoch auch durch einen Plus-Planetenradsatz ersetzt werden, wenn gleichzeitig die Steg- und Hohlradanbindung getauscht und der Betrag der Standübersetzung des Planetenradsatzes im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetenradsatz um 1 erhöht wird.
Eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung, bei welcher ein Starten, Anfahren, Reversieren, Boosten, Rekuperieren sowie Lastschalten über die Elektromaschine erfolgt, sieht vor, dass die Elektromaschine ständig oder zu- und wegschaltbar, direkt oder über ein Getriebe an die erste Welle des Hauptradsatzes angebunden ist. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass kein separater Rückwärtsgang erforderlich ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung, welche mit einer geringen Zahl an erforderlichen Schaltelementen auskommt und Doppelschaltungen bei sequentieller Schaltweise vermeidet, sieht vor, dass durch selektives paarweises Eingreifen der sechs Schaltelemente zehn Vorwärtsgänge realisiert sind, wobei neun der zehn Vorwärtsgänge lastschaltbar und gruppenschaltungsfrei schaltbar sind,
wobei sich der erste Vorwärtsgang durch Schließen des sechsten Schaltelements und des ersten Schaltelements, der zweite Vorwärtsgang durch Schließen des sechsten Schaltelements und des zweiten Schaltelements, der dritte Vorwärtsgang durch Schließen des sechsten Schaltelements und des dritten Schaltelements, der vierte Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements und des zweiten Schaltelements, der neunte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements und sich ein weiterer Gang durch Schließen des sechsten Schaltelements und des vierten Schaltelements ergibt,
wobei in dem Fall, dass die vierte Welle über das fünfte Schaltelement mit dem ersten Leistungspfad verbindbar ist, sich der fünfte Vorwärtsgang vorzugsweise durch Schließen des dritten Schaltelements und des fünften Schaltelements oder durch Schließen des fünften Schaltelements und des ersten Schaltelements oder durch Schließen des ersten Schaltelements und des dritten Schaltelements ergibt, der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements und des fünften Schaltelements, der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements und des fünften Schaltelements, der achte Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements und des vierten Schaltelements ergibt,
wobei in dem Fall, dass die vierte Welle über das fünfte Schaltelement mit dem zweiten Leistungspfad verbindbar ist, sich der fünfte Vorwärtsgang vorzugsweise durch Schließen des ersten Schaltelements und des dritten Schaltelements, der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des fünften Schaltelements und des dritten Schaltelements, der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des fünften Schaltelements und des ersten Schaltelements und der achte Vorwärtsgang durch Schließen des fünften Schaltelements und des vierten Schaltelements oder durch Schließen des zweiten Schaltelements und des vierten Schaltelements oder durch Schließen des zweiten Schaltelements und des fünften Schaltelements ergibt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Getriebeausgangswelle koaxial zu der Getriebeeingangswelle angeordnet ist, wobei der zweite Leistungspfad einen Overdrive-Planetenradsatz zum Abgeben einer größeren Drehzahl als die der Getriebeeingangswelle umfasst, wobei eine erste Welle des Overdrive-Planetenradsatzes festgesetzt ist und eine zweite Welle des Overdrive-Planetenradsatzes mit der Getriebeeingangswelle ständig oder über ein siebentes Schaltelement verbindbar ist, und an einer dritten Welle des Overdrive-Planetenradsatzes das zweite Schaltelement und das vierte Schaltelement angebunden sind, wobei der erste Leistungspfad ein direkter Antrieb ist.
Bevorzugt ist der Overdrive-Planetenradsatz als Minus-Radsatz mit einem Sonnenrad, einem Steg und einem Hohlrad ausgebildet, wobei das Sonnenrad festgesetzt ist, der Steg mit der Getriebeeingangswelle ständig oder über das siebente Schaltelement lösbar verbindbar ist und das zweite Schaltelement und das vierte Schaltelement an das Hohlrad angebunden sind.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung, welche sich durch geringe in den Schaltelementen und in den Planetenradsätzen vorliegende Momente auszeichnet, ist die erste Welle des Hauptradsatzes mit einem Sonnenrad des ersten Einzelplanetenradsatzes des Hauptradsatzes verbunden, wobei die zweite Welle des Hauptradsatzes mit einem Hohlrad des zweiten Einzelplanetenradsatzes des Hauptradsatzes verbunden ist, die dritte Welle des Hauptradsatzes mit einem Steg des ersten Einzelplanetenradsatzes und einem Steg des zweiten Einzelplanetenradsatzes des Hauptradsatzes verbunden ist und die vierte Welle des Hauptradsatzes mit einem Sonnenrad des zweiten Einzelplanetenradsatzes und einem Hohlrad des ersten Einzelplanetenradsatzes des Hauptradsatzes verbunden ist. Diese Variante der Erfindung ermöglicht aufgrund der geringen in den Schaltelementen und den Planetenradsätzen anliegenden Momente eine platzsparende Dimensionierung.
Um mit einem möglichst geringen axialen Bauraum auszukommen, kann es vorgesehen sein, dass die beiden Einzelradsätze des Hauptradsatzes radial übereinander geschachtelt angeordnet sind, wobei ein Sonnenrad des zweiten Einzelradsatzes und das Hohlrad des ersten Einzelradsatzes als ein einziges Element ausgebildet sind.
Die oben genannte Aufgabe lässt sich auch mit einem Hybridantriebsstrang der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch lösen, dass er ein Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zumindest eine zweite mit dem Verbrennungsmotor direkt oder über ein Getriebe verbundene oder über zumindest ein achtes Schaltelement lösbar verbindbare Elektromaschine vorzugsweise in Form eines Anlassers oder Starter-Generators vorgesehen sein. Bei dieser Variante der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass durch Öffnen des achten Schaltelements ein rein elektrischer, lastschaltbarer Fahrbetrieb in allen Gängen ermöglicht ist. Weitere mit dieser Ausführungsform verbundene Vorteile bestehen darin, dass sich ein batteriegrößenunabhängiges System ergibt, da ein verbrennungsmotorisch-elektrisches Fahren möglich wird. Auch ist ein generatorischer Betrieb zum Abbremsen des Verbrennungsmotors insbesondere während der Hochschaltung von dem ersten in den zweiten oder vom zweiten in den dritten Gang möglich.
Ein besonders einfacher und platzsparender Aufbau ergibt sich dadurch, dass das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement und/oder das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement und/ oder das fünfte Schaltelement und das sechste Schaltelement und/oder das siebente Schaltelement und das achte Schaltelement jeweils durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sind.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen wird im Folgenden anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele näher erläutert, welche in den Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen schematisch:
1 ein Getriebeschema einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Getriebe;
2 ein Drehzahldiagramm eines erfindungsgemäßen Getriebes;
3 ein Schaltschema für das in 1 und 2 dargestellte Getriebe;
4 ein Getriebeschema einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Getriebe und
5 ein Schaltschema für den in 4 dargestellten Hybridantriebsstrang.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können.
Gemäß 1 weist ein erfindungsgemäßer Hybridantriebstrang für ein Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor 1 und mindestens eine Elektromaschine EM1 auf. Darüber hinaus können eine Steuerung 2 für die Elektromaschine EM1 und ein elektrischer Energiespeicher 3 vorgesehen sein.
Der Hybridantriebstrang weist ein erfindungsgemäßes Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle 4 und einer Getriebeausgangswelle 5 auf. Zur Schwingungsdämpfung zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Getriebe kann ein Torsionsschwingungsdämpfer 6 vorgesehen sein. Darüber hinaus kann ein zweiter Elektromotor EM2 beispielsweise in Form eines Anlassers oder Startergenerators vorgesehen sein. Auf der Abtriebsseite können auch ein Achsdifferential und/ oder Verteilerdifferential angeordnet werden.
Zwischen der Getriebeeingangswelle 4 und einem aus zwei Einzelplanetenradsätzen P2, P3 bestehenden Hauptradsatz HRS sind, wie aus 1 und 2 ersichtlich, zwei Leistungspfade L1 und L2 realisiert. Die beiden Leistungspfade L1 und L2 stellen zwei unterschiedliche Übertragungswege für die von der Getriebeeingangswelle 4 abgegebenen Drehzahlen dar. Der erste Leistungspfad L1 weist ein erstes festes Übersetzungsverhältnis i1 und der zweite Leistungspfad L2 ein zweites festes Übersetzungsverhältnis i2 auf, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis i2 kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis i1.
Der Hauptradsatz HSR weist vier in Drehzahlordnung, d. h. nach ihrer Reihenfolge in einem Drehzahlplan, als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichnete drehbare Wellen W1, W2, W3, W4 auf. Die erste Welle W1 ist über ein erstes Schaltelement C mit dem ersten Leistungspfad L1 und über ein zweites Schaltelement B mit einem zweiten Leistungspfad L2 verbindbar. Die zweite Welle W2 kann über ein drittes Schaltelement D mit dem ersten Leistungspfad L1 und über ein viertes Schaltelement E mit dem zweiten Leistungspfad L2 verbunden werden. Die dritte Welle W3 ist ständig mit der Getriebeausgangswelle 5 verbunden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass in dem vorliegenden Text die Begriffe „ständig“ und „fest“ bzw. „drehfest“ synonym gebraucht werden. Die vierte Welle W4 kann über ein sechstes Schaltelement F festgesetzt werden und über ein fünftes Schaltelement A, wie in 1 dargestellt, mit dem ersten Leistungspfad L1 verbunden werden.
Die erste Welle W1 des Hauptradsatzes HRS kann mit einem Sonnenrad SO2 des ersten Einzelplanetenradsatzes P2 des Hauptradsatzes HRS verbunden sein, wobei die zweite Welle W2 des Hauptradsatzes HRS mit einem Hohlrad HO3 des zweiten Einzelplanetenradsatzes P3 des Hauptradsatzes HRS verbunden ist. Die dritte Welle W3 des Hauptradsatzes HRS kann mit einem Steg ST2 des ersten Einzelplanetenradsatzes P2 und einem Steg ST3 des zweiten Einzelplanetenradsatzes P3 des Hauptradsatzes HRS verbunden sein. Während die vierte Welle W4 des Hauptradsatzes HRS mit einem Sonnenrad SO3 des zweiten Einzelplanetenradsatzes P2 und einem Hohlrad HO2 des ersten Einzelplanetenradsatzes P2 des Hauptradsatzes HRS verbunden ist.
Die beiden Einzelradsätze P2, P3 des Hauptradsatzes HRS können radial übereinander geschachtelt angeordnet sein, wobei ein Sonnenrad SO3 des zweiten Einzelradsatzes P3 und das Hohlrad HO2 des ersten Einzelradsatzes P2 als ein einziges Element ausgebildet sind. Diese Bauweise eignet sich insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einem Front-Quer-Antrieb (Frontantrieb mit quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnetem Antriebsmotor).
Der aus den Planetengetrieben P2 und P3 gebildete Hauptradsatz HSR könnte auch in Ravigneaux-Bauweise ausgeführt sein. Hierbei würden die Schaltelemente B und C als Verbindung zu dem Sonnenrad SO2 des ersten Planetengetriebes P2 des Hauptradsatzes HRS sowie die Schaltelemente A und F als Verbindung zu dem Sonnenrad SO3 des zweiten Planetengetriebes P3 des Hauptradsatzes HSR sowie die Schaltelemente D und E als Verbindung zum gemeinsamen Steg ST2, ST3 sowie der Abtrieb als Verbindung zu den gemeinsamen Hohlrädern HO2, HO3 vorgesehen sein.
Der Hauptradsatz HSR könnte auch in Simpson-Bauweise realisiert werden. Hierbei wäre allerdings eine Bauform mit einem geteilten Sonnenrad und einem langen Planetenrad von Vorteil, um die Schaltelemente E und D an den keine weitere Kopplung enthaltenden Steg ST2 anbinden zu können. Die Schaltelemente B und C wären an dem (geteilten) Sonnenrad und die Schaltelemente A und F an dem keine weitere Kopplung enthaltenden Hohlrad HO3 anbindbar. Ein Abtrieb würde über den mit dem Hohlrad HO2 gekoppelten Steg ST3 erfolgen.
Die Elektromaschine EM1 kann ständig an die erste Welle W1 des Hauptradsatzes HRS angebunden sein. Alternativ zu einer ständigen Anbindung kann die Elektromaschine EM1 jedoch auch zu- und wegschaltbar, direkt oder über ein Getriebe, insbesondere ein Riemen-, Ketten-, Stirnrad- oder Planetengetriebe an die erste Welle W1 angebunden sein. Grundsätzlich könnte die Elektromaschine EM1 auch zwischen der zweiten Welle W2 und der vierten Welle W4 umschaltbar angebunden sein. Es wäre auch möglich, die Elektromaschine EM1 nur an der zweiten Welle W2 anzubinden und dafür zusätzlich eine weitere Elektromaschine an der vierten Welle W4 zur Gewährleistung der Lastschaltbarkeit anzubinden.
Die Getriebeausgangswelle 5 ist bevorzugt koaxial zu der Getriebeeingangswelle 4 angeordnet, wobei der zweite Leistungspfad L2 einen Vorschaltradsatz in Form eines Overdrive-Planetenradsatzes P1 zum Abgeben einer größeren Drehzahl als die der Getriebeeingangswelle 4 umfassen kann.
Eine erste Welle WVS1 des Overdrive-Planetenradsatzes P1 ist hierbei festgesetzt und eine zweite Welle WVS2 des Overdrive-Planetenradsatzes P1 kann, wie in 1 dargestellt, mit der Getriebeeingangswelle 4 ständig verbunden sein oder, wie in 4 gezeigt, über ein siebentes Schaltelement K1 mit der Getriebeeingangswelle 4 verbunden werden.
An einer dritten Welle WVS3 des Overdrive-Planetenradsatzes P1 sind das zweite Schaltelement B und das vierte Schaltelement E angebunden, wobei der erste Leistungspfad L1 ein direkter Antrieb ist.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform kann der Overdrive-Planetenradsatz P1 als Minus-Radsatz mit einem Sonnenrad SO1, einem Steg ST1 und einem Hohlrad HO1 ausgebildet sein. Das Sonnenrad SO1 ist festgesetzt, während der Steg ST1 mit der Getriebeeingangswelle 4 ständig oder über das siebente Schaltelement K1 lösbar verbunden werden kann. Das zweite Schaltelement B und das vierte Schaltelement E sind an das Hohlrad HO1 angebunden.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass der erste Leistungspfad L1 auch als Underdrive-Planetenradsatz P1 zum Abgeben einer Drehzahl kleiner als die Drehzahl der Getriebeeingangswelle 4 ausgebildet sein kann. In diesem Fall kann die erste Welle WVS1 festgesetzt sein. An der zweiten Welle WVS2 sind hierbei das erste Schaltelement C und das zweite Schaltelement D angebunden, während die dritte Welle mit der Getriebeeingangswelle 4 ständig oder über das Schaltelement K1 verbunden ist. Der zweite Leistungspfad L2 ist in diesem Fall als direkter Antrieb ausgebildet. Ist hierbei beispielsweise das fünfte Schaltelement A am zweiten Leistungspfad L2, also am Antrieb, angebunden, so wäre bei einem als Plus-Radsatz ausgebildetem Underdrive-Planetenradsatz P1 das Sonnenrad SO1 festgesetzt und am Hohlrad HO1 das erste Schaltelement C und das dritte Schaltelement D angebunden, wobei der Steg ST1 mit der Getriebeeingangswelle 4 ständig oder über ein Schaltelement K1 lösbar verbunden sein kann. Zwecks Herstellung der Anbindbarkeit kann es erforderlich sein, das Hohlrad HO1 geteilt auszuführen. Dies wäre beispielsweise dann erforderlich, wenn der erste Leistungspfad L1 als Underdrive-Planetenradsatz P1 ausgebildet und gleichzeitig das fünfte Schaltelement A am ersten Leistungspfad L1 angebunden ist.
Durch selektives paarweises Eingreifen der sechs Schaltelemente A, B, C, D, E, F des Getriebes sind zehn Vorwärtsgänge realisiert wobei neun der zehn Vorwärtsgänge lastschaltbar und gruppenschaltungsfrei schaltbar sind. Unter dem Begriff „gruppenschaltungsfrei schaltbar“ wird in dem vorliegenden Zusammenhang verstanden, dass bei einem Schalten in einen nächsthöheren oder nächstniederen Gang nur ein Schaltelement geöffnet und ein anderes Schaltelement geschlossen wird.
Aus dem in 2 dargestellten Drehzahldiagramm bzw. Drehzahlplan sind die Beziehungen zwischen den durch selektives Eingreifen von Schaltelementen A, B, C, D, E, F erzielten Gängen und dem Übersetzungsverhältnis jeder Welle W1, W2, W3, W4 ersichtlich. Auf den einzelnen Wellen W1, W2, W3, W4 sind in vertikaler Richtung die Drehzahlverhältnisse aufgetragen. Der horizontale Abstand zwischen den Wellen ergibt sich durch die Übersetzungen, sodass sich zu einem bestimmten Betriebspunkt gehörende Drehzahlverhältnisse durch eine Gerade verbinden lassen. Bei einer bestimmten Antriebsdrehzahl kennzeichnen die neun Betriebslinien des Hauptradsatzes HRS die Drehzahlverhältnisse in neun Vorwärtsgängen.
3 ist ein beispielhaftes Schaltschema für das in 1 dargestellte Mehrganggetriebe zu entnehmen. Für jeden Gang werden zwei Schaltelemente geschlossen. Dem Schaltschema können die jeweiligen Übersetzungen der einzelnen Gangstufen und die daraus zu bestimmenden Gangsprünge zum nächst höheren Gang beispielhaft entnommen werden, wobei das Getriebe eine Spreizung von 6,6 aufweist. Aus 3 wird ersichtlich, dass bei sequentieller Schaltweise Doppelschaltungen bzw. Gruppenschaltungen vermieden werden können, da zwei benachbarte Gangstufen ein Schaltelement gemeinsam benutzen. Typische Werte für die Standübersetzungen der in dem vorliegenden Fall als Minus-Planetenradsätze ausgeführten Planetengetriebe P1, P2 und P3 sind –1,8 für P1, –2,8 für P2, –1,5 für P3.
Ein erster Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des sechsten Schaltelements F und des ersten Schaltelements C, der zweite Vorwärtsgang durch Schließen des sechsten Schaltelements F und des zweiten Schaltelements B, der dritte Vorwärtsgang durch Schließen des sechsten Schaltelements F und des dritten Schaltelements D, der vierte Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements D und des zweiten Schaltelements B.
Für den Fall, dass die vierte Welle W4 über das fünfte Schaltelement A mit dem ersten Leistungspfad L1 verbunden werden kann, ergibt sich der fünfte Vorwärtsgang vorzugsweise durch Schließen des dritten Schaltelements D und des fünften Schaltelements A oder durch Schließen des fünften Schaltelements A und des ersten Schaltelements C oder durch Schließen des ersten Schaltelements C und des dritten Schaltelements D, der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements B und des fünften Schaltelements A, der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements E und des fünften Schaltelements A, der achte Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements B und des vierten Schaltelements E.
Für den Fall, dass die vierte Welle W4 über das fünfte Schaltelement A mit dem zweiten Leistungspfad L2 verbunden werden kann, ergibt sich der fünfte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements C und des dritten Schaltelements D, der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des fünften Schaltelements A und des dritten Schaltelements D, der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des fünften Schaltelements A und des ersten Schaltelements C und der achte Vorwärtsgang vorzugsweise durch Schließen des fünften Schaltelements A und des vierten Schaltelements E oder durch Schließen des zweiten Schaltelements B und des vierten Schaltelements E oder durch Schließen des zweiten Schaltelements B und des fünften Schaltelements A.
Der neunte Vorwärtsgang ergibt sich in allen oben genannten Fällen durch Schließen des ersten Schaltelements C und des vierten Schaltelements E und ein weiterer Gang durch Schließen des sechsten Schaltelements F und des vierten Schaltelements E.
Wie aus 4 zu entnehmen ist, kann die zweite Elektromaschine EM2 in Form eines Anlassers oder Starter-Generators mit dem Verbrennungsmotor 1 über ein achtes Schaltelement K0 verbunden werden. Alternativ hierzu kann die zweite Elektromaschine EM2 ständig mit dem Verbrennungsmotor 1 verbunden sein.
5 ist ein beispielhaftes Schaltschema für den in 4 dargestellten Hybridantriebsstrang zu entnehmen. Für jeden auch lastschaltbaren Gang im elektrischen Fahrbetrieb werden drei Schaltelemente geschlossen, während das Schaltelement K0 geöffnet ist. Bei geschlossenem Schaltelement K0 und offenem Schaltelement K1 ergibt sich ein verbrennungsmotorisch-elektrischer Fahrbetrieb. Dem Schaltschema können die jeweiligen Übersetzungen der einzelnen Gangstufen und die daraus zu bestimmenden Gangsprünge zum nächst höheren Gang beispielhaft entnommen werden, wobei das Getriebe eine Spreizung von 6,6 aufweist. Aus 5 wird ebenfalls ersichtlich, dass bei sequentieller Schaltweise Doppelschaltungen bzw. Gruppenschaltungen vermieden werden können, da zwei benachbarte Gangstufen ein Schaltelement gemeinsam benutzen.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass bei allen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung die Schaltelemente A, B, C, D, E sowie die Schaltelemente K0, K1 bevorzugt als Klauenkupplungen ausgeführt sind während das Schaltelement F als Klauenbremse ausgebildet ist. Auch können bei allen Ausführungsformen der Erfindung das erste Schaltelement C und das zweite Schaltelement B und/oder das dritte Schaltelement D und das vierte Schaltelement E und/ oder das fünfte Schaltelement A und das sechste Schaltelement F und/oder das siebente Schaltelement K1 und das achte Schaltelement K0 jeweils durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sein. Somit kann jeweils ein Paar von Schaltelementen durch einen einzigen Aktuator betätigt werden. Wodurch sich der Aufbau vereinfacht sowie der erforderliche Bauraum und die Herstellungskosten verringert werden können.
Ein rein elektrischer Fahrbetrieb ergibt sich durch Schließen des sechsten Schaltelements F und Öffnen des ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Schaltelements A, B, C, D, E.
Wie den in 3 und 5 dargestellten Schaltschemata zu entnehmen ist, erfolgt die Lastschaltung beim verbrennungsmotorischen Fahren über die Elektromaschine EM1. Im Fall eines geschlossenen Schaltelements F (Schaltvorgänge vom ersten in den zweiten und vom zweiten in den dritten Gang) bzw. eines geschlossenen Schaltelements A (beispielsweise beim Schalten vom sechsten in den siebenten Gang) im elektromotorischen Betrieb und im Fall eines geschlossenen Schaltelements D (Schaltvorgänge vom dritten in den vierten und vom vierten in den fünften Gang) bzw. E (beispielsweise beim Schalten vom achten in den neunten Gang) im generatorischen Betrieb, wobei der Verbrennungsmotor 1 bis auf den Fall des geschlossenen Schaltelements F weiterhin unter Last steht.
Ein Hinzuschalten des Verbrennungsmotors 1 ist auch während des rein elektrischen Fahrbetriebs – mit geschlossenem Schaltelement F, welches als Klauenbremse ausgeführt ist – ohne Zugkraftunterbrechung möglich. Der Verbrennungsmotor 1 kann, nach vorheriger Synchronisation in den Gängen eins bis drei sowie in dem Gang, der sich durch Schließen des sechsten Schaltelements F und des zweiten Schaltelements E ergibt, zugkraftunterbrechungsfrei hinzugeschaltet werden.
Zum Starten des Verbrennungsmotors 1 während des rein elektrischen Fahrbetriebs kann das Schaltelement F ausgelegt und vorzugsweise, um die Übersetzung des einen Vorschaltradsatz darstellenden ersten Planetengetriebes P1 auszunutzen, das Schaltelement B oder aber das Schaltelement C nach vorheriger Synchronisation geschlossen werden. Hierauf kann über die Elektromaschine der Verbrennungsmotor 1 gestartet werden. Anschließend kann nach vorheriger Synchronisation die Klauenbremse F wieder geschlossen werden und im ersten (C und F geschlossen) bzw. zweiten Gang (B und F geschlossen) verbrennungsmotorisch weiter gefahren werden. Selbstverständlich kann auch in allen anderen Gängen, darunter auch in dem nicht in der Schaltlogik aufgeführten Gang (E und F geschlossen) nach entsprechender Synchronisation mit dem Verbrennungsmotor verbrennungsmotorisch weitergefahren werden.
Wie aus den 3 und 5 ferner ersichtlich ist, ein rein elektrisches Fahren in einem Gang ebenfalls möglich (Vorwärts-/Rückwärtsanfahren). Je nach Gesamtübersetzung und Drehzahlgrenze der elektrischen Maschine können Geschwindigkeiten deutlich über 60 km/h erreicht werden.
Auch lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrang auf einfache Weise eine Parksperre integrieren. Hierzu könnte beispielsweise beim Abstellen der erste Gang eingelegt werden. Gelöst könnte die Parksperre dadurch, dass durch die Elektromaschine ein Moment entgegen einer Hangabtriebskraft erzeugt wird und das Schaltelement C lastlos ausgelegt werden kann, um dann elektrisch anfahren zu können.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Varianten des erfindungsgemäßen Getriebes bzw. Hybridantriebsstranges, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten eingeschränkt ist. Weiteres sind diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich, wobei diese Variationsmöglichkeiten aufgrund der Lehre zum technischen Handeln der gegenständlichen Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegen.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Steuerung
3: elektrischer Energiespeicher
4: Getriebeeingangswelle
5: Getriebeausgangswelle
6: Torsionselement
EM1: erste Elektromaschine
EM2: zweite Elektromaschine
P1: erstes Planetengetriebe
P2: zweites Planetengetriebe
P3: drittes Planetengetriebe
HRS: Hauptradsatz
W1: erste Welle Hauptradsatz
W2: zweite Welle Hauptradsatz
W3: dritte Welle Hauptradsatz
W4: vierte Welle Hauptradsatz
WVS1: erste Welle Vorschaltradsatz
WVS2: zweite Welle Vorschaltradsatz
WVS3: dritte Welle Vorschaltradsatz
C: erstes Schaltelement
B: zweites Schaltelement
D: drittes Schaltelement
E: viertes Schaltelement
A: fünftes Schaltelement
F: sechstes Schaltelement
K1: siebentes Schaltelement
K0: achtes Schaltelement
SO1: Sonnenrad des ersten Planetengetriebes
ST1: Steg des ersten Planetengetriebes
HO1: Hohlrad des ersten Planetengetriebes
SO2: Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes
ST2: Steg des zweiten Planetengetriebes
HO2: Hohlrad des zweiten Planetengetriebes
SO3: Sonnenrad des dritten Planetengetriebes
ST3: Steg des dritten Planetengetriebes
HO3: Hohlrad des dritten Planetengetriebes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0434525 A1 [0003]
DE 102010028026 [0004]

Claims

Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle (4) und einer Getriebeausgangswelle (5) und zwei Leistungspfaden (L1, L2) zwischen der Getriebeeingangswelle (4) und einem aus zwei Einzelplanetenradsätzen (P2, P3) bestehenden Hauptradsatz (HRS) mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichneten Wellen (W1, W2, W3, W4), wobei ein erster der Leistungspfade (L1) ein erstes festen Übersetzungsverhältnis (i1) und ein zweiter der Leistungspfade (L2) ein zweites festes Übersetzungsverhältnis (i2) aufweist, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis (i2) kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis (i1), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektromaschine (EM1) mit einer der Wellen (W1, W2, W3, W4) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist, wobei die erste Welle (W1) über ein erstes Schaltelement (C) mit einem ersten Leistungspfad (L1) und über ein zweites Schaltelement (B) mit einem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, wobei die zweite Welle (W2) über ein drittes Schaltelement (D) mit dem ersten Leistungspfad (L1) und über ein viertes Schaltelement (E) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, wobei die dritte Welle (W3) ständig mit der Getriebeausgangswelle (5) verbunden ist, wobei die vierte Welle (W4) über ein sechstes Schaltelement (F) festsetzbar ist und über ein fünftes Schaltelement (A) mit dem ersten Leistungspfad (L1) oder dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (EM1) ständig oder zu- und wegschaltbar, direkt oder über ein Getriebe an die erste Welle (W1) des Hauptradsatzes (HRS) angebunden ist.
Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch selektives paarweises Eingreifen der sechs Schaltelemente (A, B, C, D, E, F) zehn Vorwärtsgänge realisierbar sind, wobei neun der zehn Vorwärtsgänge lastschaltbar und gruppenschaltungsfrei schaltbar sind, wobei sich der erste Vorwärtsgang durch Schließen des sechsten Schaltelements (F) und des ersten Schaltelements (C), der zweite Vorwärtsgang durch Schließen des sechsten Schaltelements (F) und des zweiten Schaltelements (B), der dritte Vorwärtsgang durch Schließen des sechsten Schaltelements (F) und des dritten Schaltelements (D), der vierte Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements (D) und des zweiten Schaltelements (B), der neunte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements (C) und des vierten Schaltelements (E) und sich ein weiterer Gang durch Schließen des sechsten Schaltelements (F) und des vierten Schaltelements (E) ergibt, wobei in dem Fall, dass die vierte Welle (W4) über das fünfte Schaltelement (A) mit dem ersten Leistungspfad (L1) verbindbar ist, sich der fünfte Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements (D) und des fünften Schaltelements (A) oder durch Schließen des fünften Schaltelements (A) und des ersten Schaltelements (C) oder durch Schließen des ersten Schaltelements (C) und des dritten Schaltelements (D) ergibt, der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (B) und des fünften Schaltelements (A), der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements (E) und des fünften Schaltelements (A), der achte Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (B) und des vierten Schaltelements (E) ergibt, wobei in dem Fall, dass die vierte Welle (W4) über das fünfte Schaltelement (A) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, sich der fünfte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements (C) und des dritten Schaltelements (D), der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des fünften Schaltelements (A) und des dritten Schaltelements (D), der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des fünften Schaltelements (A) und des ersten Schaltelements (C) und der achte Vorwärtsgang durch Schließen des fünften Schaltelements (A) und des vierten Schaltelements (E) oder durch Schließen des zweiten Schaltelements (B) und des vierten Schaltelements (E) oder durch Schließen des zweiten Schaltelements (B) und des fünften Schaltelements (A) ergibt.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeausgangswelle (5) koaxial zu der Getriebeeingangswelle (4) angeordnet ist, wobei der zweite Leistungspfad (L2) einen Overdrive-Planetenradsatz (P1) zum Abgeben einer größeren Drehzahl als die der Getriebeeingangswelle umfasst, wobei eine erste Welle (WVS1) des Overdrive-Planetenradsatzes (P1) festgesetzt ist und eine zweite Welle (WVS2) des Overdrive-Planetenradsatzes (P1) mit der Getriebeeingangswelle (4) ständig oder über ein siebentes Schaltelement (K1) verbindbar ist, und an einer dritten Welle (WVS3) des Overdrive-Planetenradsatzes (P1) das zweite Schaltelement (B) und das vierte Schaltelement (E) angebunden sind, wobei der erste Leistungspfad (L1) ein direkter Antrieb ist.
Getriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Overdrive-Planetenradsatz (P1) als Minus-Radsatz mit einem Sonnenrad (SO1), einem Steg (ST1) und einem Hohlrad (HO1) ausgebildet ist, wobei das Sonnenrad (SO1) festgesetzt ist, der Steg (ST1) mit der Getriebeeingangswelle (4) ständig oder über das siebente Schaltelement (K1) lösbar verbindbar ist und das zweite Schaltelement (B) und das vierte Schaltelement (E) an das Hohlrad (HO1) angebunden sind.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (W1) des Hauptradsatzes (HRS) mit einem Sonnenrad (SO2) des ersten Einzelplanetenradsatzes (P2) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist, wobei die zweite Welle (W2) des Hauptradsatzes (HRS) mit einem Hohlrad (HO3) des zweiten Einzelplanetenradsatzes (P3) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist, die dritte Welle (W3) des Hauptradsatzes (HRS) mit einem Steg (ST2) des ersten Einzelplanetenradsatzes (P2) und einem Steg (ST3) des zweiten Einzelplanetenradsatzes (P3) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist und die vierte Welle (W4) des Hauptradsatzes (HRS) mit einem Sonnenrad (SO3) des zweiten Einzelplanetenradsatzes (P2) und einem Hohlrad (HO2) des ersten Einzelplanetenradsatzes (P2) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist.
Getriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einzelradsätze (P1, P2) des Hauptradsatzes (HRS) radial übereinander geschachtelt angeordnet sind, wobei ein Sonnenrad (SO3) des zweiten Einzelradsatzes (P3) und das Hohlrad (HO2) des ersten Einzelradsatzes (P2) als ein einziges Element ausgebildet sind.
Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug umfassend zumindest einen Verbrennungsmotor (1) und zumindest eine Elektromaschine (EM1), dadurch gekennzeichnet, dass er ein Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Hybridantriebstrang nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite mit dem Verbrennungsmotor direkt oder über ein Getriebe verbundene oder über zumindest ein achtes Schaltelement (K0) lösbar verbindbare Elektromaschine (EM2) vorzugsweise in Form eines Anlassers oder Starter-Generators vorgesehen ist.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (C) und das zweite Schaltelement (B) und/oder das dritte Schaltelement (D) und das vierte Schaltelement (E) und/ oder das fünfte Schaltelement (A) und das sechste Schaltelement (F) und/oder das siebente Schaltelement (K1) und das achte Schaltelement (K0) jeweils durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sind.