DE102014213908A1

DE102014213908A1 - Getriebesystem für einen Hybridantrieb und Verfahren zum Betreiben eines Getriebesystems

Info

Publication number: DE102014213908A1
Application number: DE102014213908.2A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kaltenbach; Uwe Griesmeier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebesystem (2) für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem Überlagerungsgetriebe (3), das eine erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle zum Ankoppeln eines Verbrennungsmotors und eine zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle zum Ankoppeln einer elektrischen Maschine aufweist. Das Getriebesystem (2) zeichnet sich dadurch aus, dass dem Überlagerungsgetriebe (3) ein Schaltgetriebe, das eine Getriebeabtriebswelle zur direkten oder indirekten Ankopplung an wenigstens ein Antriebsrad des Kraftfahrzeugs aufweist, triebtechnisch nachgeschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebesystem für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem Überlagerungsgetriebe, das eine erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle zum Ankoppeln eines Verbrennungsmotors und eine zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle zum Ankoppeln einer elektrischen Maschine aufweist.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Hybridantrieb und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Getriebesystem.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Verfahren zum Betreiben eines Getriebesystems, das über eine erste Getriebesystemeingangswelle an einen Verbrennungsmotor und über eine zweite Getriebesystemeingangswelle an eine elektrische Maschine angekoppelt ist und das ein erstes Getriebe, das, insbesondere ausschließlich, lastfrei schaltbare Schaltelemente beinhaltet, und ein zweites, dem ersten Getriebe triebtechnisch nachgeschaltetes Getriebe, das Lastschaltelemente beinhaltet, aufweist.
Bei vielen Fahrzeuggetrieben werden die verschiedenen Gangstufen unter Last und unter Verwendung von reibschlüssigen Schaltelementen, wie beispielsweise Lamellenkupplungen oder Lamellenbremsen, eingestellt. Bei Getrieben für einen Hybridantrieb, an die zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor ein elektrischer Motor angekoppelt wird, kann auf reibschlüssig ausgeführte Lastschaltelemente weitgehend verzichtet werden, weil der elektrische Motor bei geeigneter Ankopplung und Steuerung die an einem Schaltvorgang beteiligten Getriebeelemente relativ zueinander vorübergehend entlasten kann. Derartige Getriebe sind zumeist kostengünstiger herstellbar und haben darüber hinaus den besonderen Vorteil geringerer Schleppverluste an den Schaltelementen und benötigen weniger Energie zum Betätigen der Schaltelemente.
Beispielsweise ist aus DE 10 2010 030 576 A1 ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem einen Verbrennungsmotor und eine elektrischen Maschine aufweisenden Hybridantrieb und einem automatisierten Gruppengetriebe bekannt. Das automatisierte Gruppengetriebe weist ein Hauptgetriebe und eine dem Hauptgetriebe antriebstechnisch nachgeschaltete Nachschaltgruppe auf, wobei eine Eingangswelle des automatisierten Gruppengetriebes über eine steuerbare Anfahrkupplung mit dem Verbrennungsmotor des Hybridantriebs und eine Ausgangswelle des automatisierten Gruppengetriebes mit einem Achsantrieb des Kraftfahrzeuges in Verbindung steht. Die elektrische Maschine des Hybridantriebs ist zwischen dem Hauptgetriebe und der Nachschaltgruppe oder zwischen der Nachschaltgruppe und dem Achsantrieb an den Kraftfluss beziehungsweise Momentenfluss des Antriebsstrangs ankoppelbar.
Aus DE 10 2012 212 257 A1 ist ein Planetengetriebe für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges bekannt. Das Planetengetriebe weist drei gekoppelte Planetenradsätze mit mehreren Schaltelementen und mit wenigstens einer Elektromaschine auf, die einer Welle innerhalb des Getriebes zugeordnet ist. In einem Parallelhybridantriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor und der Elektromaschine ist es durch Kopplung der Elektromaschine mit dem Getriebeabtrieb bei einer entsprechenden Ansteuerung der Elektromaschine möglich, während alle im verbrennungsmotorischen Betrieb durchgeführten Schaltungen die Zugkraft des Antriebsstrangs aufrecht zu erhalten und die Schaltelemente zu synchronisieren. Außerdem kann die Elektromaschine für andere Funktionen, wie beispielsweise ein elektrisches Anfahren ohne zusätzliches Anfahrelement, ein rein elektrisches Fahren ohne zusätzliches Entkopplungselement für den Verbrennungsmotor, oder für das Starten des Verbrennungsmotors ausgehend von einem rein elektrischen Fahrbetrieb, genutzt werden. Insbesondere ist für das elektrische Anfahren und das elektromotorische Starten des Verbrennungsmotors kein zusätzliches Anfahr- beziehungsweise Trennelement erforderlich.
Bei dem aus DE 10 2012 212 257 A1 bekannten Planetengetriebe stehen zum rein elektrischen Fahren zwei Übersetzungen, nämlich ein kürzerer Gang und ein längerer Gang, zur Verfügung. Nachteiligerweise ist ein Zustart der Verbrennungsmaschine nur mit einer Zugkraftunterbrechung möglich, da die Getriebeeingangswelle des Planetengetriebes im kürzeren Gang festgebremst ist. Darüber hinaus besteht ein Nachteil darin, dass beide für den elektrischen Betrieb vorgesehenen Gänge für den elektrischen Betrieb nicht lastschaltbar sind.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Getriebe weisen den Nachteil auf, dass für den rein elektrischen Fahrbetrieb nur sehr wenige Gänge zur Verfügung stehen, die in besonders nachteiliger Weise aufgrund der fehlenden konventionellen, reibschlüssigen Lastschaltelemente nicht lastschaltbar sind. Oftmals ist ein rein elektrischer Fahrbetrieb sogar nur in einem einzigen Gang möglich, sodass es zumindest schwierig oder sogar ausgeschlossen ist, einen größeren Geschwindigkeitsbereich abzudecken.
Es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Getriebesystem für ein Kraftfahrzeug anzugeben, dass einen rein elektrischen Fahrbetrieb in einem großen Geschwindigkeitsbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Getriebesystem der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass dem Überlagerungsgetriebe ein Schaltgetriebe, das eine Getriebeabtriebswelle zur direkten oder indirekten Ankopplung an wenigstens ein Antriebsrad des Kraftfahrzeugs aufweist, triebtechnisch nachgeschaltet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines an eine Verbrennungsmaschine und an einen elektrischen Motor angekoppelten Getriebesystems anzugeben, das einen möglichst breiten Anwendungsbereich für verschiedene Fahrsituationen bietet, und ein rein elektrisches Fahren in einem großen Geschwindigkeitsbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

a. das Getriebesystem für einen Schaltvorgang des ersten Getriebes in einen Drehzahlüberlagerungsmodus überführt wird, in dem die Getriebesystemeingangswellen und eine Abtriebswelle des ersten Getriebes drehmomentübertragend verbunden sind, und dass
b. die elektrische Maschine und gleichzeitig ein Lastschaltelement des zweiten Getriebes derart gesteuert werden, dass ein zur Ausführung des Schaltvorganges zu betätigendes Schaltelement des ersten Getriebes lastfrei wird oder dass eine festgelegte oder festlegbare Drehzahl der ersten Getriebesystemeingangswelle erreicht wird.

Das erfindungsgemäße Getriebesystem hat den Vorteil, dass für einen rein elektrischen Fahrbetrieb mehrere lastschaltbare Schaltstufen zur Verfügung stehen. Insoweit ist es ermöglicht, auch in einem rein elektrischen Fahrbetrieb zwischen verschiedenen Schaltstufen zu schalten und auf diese Weise einen großen Geschwindigkeitsbereich für einen rein elektrischen Fahrbetrieb für ein Kraftfahrzeug zu erreichen, das mit dem erfindungsgemäßen Getriebesystem ausgerüstet ist.
Darüber hinaus hat das erfindungsgemäße Getriebesystem den ganz besonderen zusätzlichen Vorteil, dass durch das dem Überlagerungsgetriebe triebtechnisch nachgeschaltete Schaltgetriebe die Anzahl der möglichen Schaltstufen für einen Betrieb mit einer Verbrennungsmaschine erhöht ist. Dies insbesondere dadurch, dass unterschiedliche Kombinationen von Schaltstufen des vorzugsweise lastschaltbaren Schaltgetriebes und des Überlagerungsgetriebes einstellbar sind. Wie weiter unten noch im Detail erläutert ist, können die unterschiedlichen Kombinationen von Schaltstufen des Überlagerungsgetriebes und des Schaltgetriebes sogar große Gangsprünge überbrückend dadurch eingestellt werden, dass gleichzeitig mehrere Komponenten, wie beispielsweise das wenigstens eine Lastschaltelement des Schaltgetriebes und die elektrische Maschine, gleichzeitig gesteuert agieren.
Das erfindungsgemäße Getriebesystem hat darüber hinaus den Vorteil, dass ein elektrodynamisches Anfahren mit Hilfe der an das Überlagerungsgetriebe angekoppelten elektrischen Maschine ermöglicht ist, so dass das wenigstens eine Lastschaltelement des Schaltgetriebes nicht anfahrtauglich ausgelegt werden muss, sondern material-, kosten- und bauraumsparend dimensioniert sein kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben insbesondere des erfindungsgemäßen Getriebesystems hat den ganz besonderen Vorteil, dass durch gleichzeitiges Ansteuern sowohl der elektrischen Maschine, als auch des wenigstens einen Lastschaltelements des zweiten, dem ersten Getriebe nachgeschalteten Getriebe auch ein eigentlich zu hoher Gangsprung in dem zweiten Getriebe ausgeglichen werden kann. Dies kann, wie weiter unten noch ausführlich erläutert ist, beispielsweise dadurch erreicht werden, dass im ersten Getriebe gleichzeitig zum Hochschalten in dem zweiten Getriebe eine elektrodynamische Rückschaltung durchgeführt wird. Auf diese Weise ist es ermöglicht, ausgehend von einer Kombination von Schaltstufen des ersten und zweiten Getriebes direkt in eine andere Kombination von Schaltstufen zu gelangen, die bislang nur über die Einschaltung einer Zwischenkombination erreichbar war.
Bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen Getriebesystems weist das Überlagerungsgetriebe keine, insbesondere reibschlüssig arbeitenden, Lastschaltelemente auf, sondern beinhaltet vorzugsweise ausschließlich lastfrei zu schaltende Schaltelemente. Lastschaltelemente sind in dem Überlagerungsgetriebe überflüssig, weil sämtliche gewünschten Einstellungen durch Steuerung des wenigstens einen in dem Schaltgetriebe vorhandenen Lastschaltelements und/oder der elektrischen Maschine und/oder der Verbrennungsmaschine unter Verwendung von lastfrei zu schaltenden Schaltelementen in dem Übertragungsgetriebe eingestellt werden können. Insoweit kann das Überlagerungsgetriebe des Getriebesystems kostengünstig hergestellt werden und hat darüber hinaus den Vorteil geringer Schleppverluste und eines geringen Bedarfs an Energie für das Betätigen seiner Schaltelemente.
Bei einer Ausführung ist das Überlagerungsgetriebe in wenigstens eine Überlagerungsgetriebeschaltstufe schaltbar, in der die erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle, die zum Ankoppeln eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, von einem Überlagerungsgetriebeabtrieb entkoppelt ist. Eine derartige Überlagerungsgetriebeschaltstufe kann insbesondere für einen rein elektrischen Fahrbetrieb verwendet werden. Eine solche Überlagerungsgetriebeschaltstufe für einen rein elektrischen Fahrbetrieb kann insbesondere auch für ein elektrisches Anfahren dienen, um eine elektrodynamische Anfahrfunktion bereitzustellen.
Analog kann, alternativ oder zusätzlich, auch vorgesehen sein, dass das Überlagerungsgetriebe in wenigstens eine Überlagerungsgetriebeschaltstufe schaltbar ist, in der die zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle, die zum Ankoppeln einer elektrischen Maschine vorgesehen ist, von einem Überlagerungsgetriebeabtrieb entkoppelt ist. Eine solche Überlagerungsgetriebeschaltstufe kann insbesondere für einen Fahrbetrieb unter ausschließlicher Verwendung des Verbrennungsmotors dienen.
Darüber hinaus kann vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass das Überlagerungsgetriebe in wenigstens eine Überlagerungsgetriebeschaltstufe schaltbar ist, in der die an der ersten Überlagerungsgetriebeeingangswelle und an der zweiten Überlagerungsgetriebeeingangswelle anliegenden Drehmomente addiert an eine Überlagerungsgetriebeabtriebswelle übertragen werden. Eine solche Überlagerungsgetriebeschaltstufe dient insbesondere für einen Hybridfahrbetrieb unter gleichzeitiger Verwendung des Verbrennungsmotors und der elektrischen Maschine.
Wenn der Verbrennungsmotor über eine Trennkupplung an die erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle angekoppelt ist, ist in einer derartigen Überlagerungsgetriebeschaltstufe auch ein Schleppstart mit Schlupfentkopplung aus rein elektrischem Fahrbetrieb heraus ermöglicht. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass eines der, insbesondere reibschlüssig arbeitenden, Lastschaltelemente des Schaltgetriebes in Schlupf gebracht wird und dann der Verbrennungsmotor über die Trennkupplung gestartet wird. Der Vorteil eines solchen Systems ist, dass der Start des Verbrennungsmotors auch bei geringer Fahrgeschwindigkeit oder sogar bei Stillstand möglich ist und dass zusätzlich etwaige Drehmomentstörungen während des Starts durch das Lastschaltelement des Schaltgetriebes von der Getriebeabtriebswelle des Getriebesystems zumindest teilweise entkoppelt werden.
Umgekehrt ist auch ein Rekuperationsbetrieb über die elektrische Maschine ermöglicht, wenn das Überlagerungsgetriebe in eine Überlagerungsgetriebeschaltstufe geschaltet ist, in der bei einem Fahrbetrieb ausschließlich mit dem Verbrennungsmotor und/oder in einem Schubbetrieb, beispielsweise bei Bergabfahrt, ein Drehmoment von der ersten Überlagerungsgetriebeeingangswelle und/oder der Getriebeabtriebswelle des Getriebesystems auf die zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle, an die die elektrische Maschine angekoppelt ist, erfolgt.
Bei einer vorteilhaften Ausführung des Getriebesystems weist das Überlagerungsgetriebe zumindest ein Planetengetriebe auf. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Überlagerungsgetriebe mehrere mittels wenigstens eines Schaltelements miteinander koppelbare Planetengetriebe aufweist. Das Überlagerungsgetriebe kann zur Bereitstellung mehrerer Überlagerungsgetriebeschaltstufen mehrere Planetengetriebe aufweisen, deren Einzelkomponenten mit wenigstens mit einem Schaltelement in unterschiedlichen Wirkkombinationen miteinander koppelbar oder voneinander entkoppelbar sind.
Wie bereits erwähnt, kann vorgesehen sein, dass das Schaltgetriebe wenigstens zwei Schaltstufen für einen rein elektrischen Fahrbetrieb mit einer angekoppelten elektrischen Maschine bereitstellt. Vorzugsweise stellt das Schaltgetriebe wenigstens zwei Schaltstufen für einen rein elektrischen Vorwärts-Fahrbetrieb mit einer elektrisch angekoppelten Maschine bereit.
Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass das Schaltgetriebe wenigstens eine Schaltstufe für einen, rein elektrischen, Rückwärts-Fahrbetrieb bereitstellt. Die Schaltstufe für den Rückwärts-Fahrbetrieb kann beispielsweise unter Verwendung eines Lastschaltelements des Schaltgetriebes konventionell im Wechsel zu einer ersten Vorwärts-Schaltstufe lastschaltbar sein, wodurch ein Reversierbetrieb ermöglicht ist. Der Reversierbetrieb kann auch in einem Anfahrbetrieb, wie er weiter unten beschrieben ist, stattfinden. Auf diese Weise ist auch ein Anfahren in Rückwärtsrichtung in vorteilhafter Weise ermöglicht, ohne dass das wenigstens eine Lastschaltelement des Schaltgetriebes als Anfahrkupplung ausgelegt werden muss.
Wie bereits erwähnt, ist es von Vorteil, wenn das Schaltgetriebe kein Lastschaltelement aufweist, das als Anfahrkupplung verwendbar ist. Vielmehr kann vorgesehen sei, dass sämtliche Lastschaltelemente des Schaltgetriebes für eine Verwendung als Anfahrkupplung unterdimensioniert sind. Eine solche Ausführung, bei der das wenigstens eine Lastschaltelement lediglich zur Ausführung einer Lastschaltfunktion, jedoch nicht zur Ausführung einer Anfahrfunktion ausgelegt ist, ist bauraumsparend und kostengünstig herstellbar. Wie bereits erwähnt, kann auf die Verwendung von anfahrtauglichen Lastschaltelementen in dem Schaltgetriebe verzichtet werden, weil bereits über das dem Schaltgetriebe vorgeschalteten Überlagerungsgetriebe, an das die elektrische Maschine angekoppelt ist, ein elektrodynamisches Anfahren ermöglicht ist.
Bei einer Ausführung weist das Getriebesystem eine Steuerungsvorrichtung auf, die wenigstens ein Schaltelement des Schaltgetriebes und/oder wenigstens ein Schaltelement des Überlagerungsgetriebes und/oder eine angekoppelte elektrische Maschine und/oder eine angekoppelte Verbrennungsmaschine, zumindest für einen Schaltvorgang vorrübergehend, steuert oder regelt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuerungsvorrichtung beispielsweise gleichzeitig einen Schaltvorgang im Überlagerungsgetriebe und eine Lastschaltung im Schaltgetriebe steuert. Dabei wird für eine lastfreie Schaltung im Überlagerungsgetriebe die Drehzahl und/oder das Drehmoment der elektrischen Maschine derart geregelt, dass ein zur Ausführung des Schaltvorganges zu betätigendes Schaltelement des Überlagerungsgetriebes lastfrei wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuerungsvorrichtung zur Einstellung einer vorgewählten oder vorwählbaren Gesamtübersetzung des Getriebesystems einen Schaltvorgang des Überlagerungsgetriebes oder einen Schaltvorgang des Schaltgetriebes oder aufeinander abgestimmt, sowohl einen Schaltvorgang des Überlagerungsgetriebes, als auch einen, insbesondere gleichzeitigen, Schaltvorgang des Schaltgetriebes steuert oder regelt.
Bei einer Ausführung des Getriebesystem ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet und bestimmt, eine angekoppelte elektrische Maschine und/oder, insbesondere gleichzeitig, einen angekoppelten Verbrennungsmotor und/oder, insbesondere gleichzeitig, ein Lastschaltelement des Schaltgetriebes für einen Schaltvorgang des Übersetzungsgetriebes, zumindest vorrübergehend, derart zu steuern, dass ein zur Ausführung des Schaltvorganges zu betätigendes Schaltelement des Überlagerungsgetriebes lastfrei wird.
Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die Steuerungsvorrichtung ein Lastschaltelement des Schaltgetriebes derart steuert, dass ein anderes Lastschaltelement des Schaltgetriebes für einen Schaltvorgang des anderen Lastschaltelements lastfrei wird.
Das Getriebesystem kann beispielsweise in der Weise ausgeführt sein, dass sie einen koaxialen Abtrieb aufweist. Es ist jedoch auch möglich, dass das Getriebesystem einen achsversetzten Abtrieb aufweist.
Erfindungsgemäß kann ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein, der das erfindungsgemäße Getriebesystem aufweisen kann, wobei an die erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle ein Verbrennungsmotor und an die zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle eine elektrische Maschine angekoppelt ist. Wie bereits erwähnt, kann der Verbrennungsmotor insbesondere über eine Trennkupplung an die erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle angekoppelt sein, um beispielsweise einen Schleppstart des Verbrennungsmotors mit Schlupfentkopplung zu ermöglichen.
Vorteilhaft ist außerdem ein Kraftfahrzeug, das mit einem erfindungsgemäßen Getriebesystem oder mit einem Hybridantrieb, der ein solches Getriebesystem aufweist, ausgerüstet ist.
Wie bereits erwähnt, hat das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Getriebesystems den Vorteil, dass auch große Schaltsprünge im ersten Getriebe, das insbesondere das Überlagerungsgetriebe des erfindungsgemäßen Getriebesystems sein kann, und/oder im zweiten Getriebe, das insbesondere das Schaltgetriebe des erfindungsgemäßen Getriebesystems sein kann, ermöglicht sind. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sei, dass zur Drehzahlanpassung der ersten Getriebesystemeingangswelle gleichzeitig zu einem Umschalten in eine höhere Schaltstufe des zweiten Getriebes ein elektrodynamisches Zurückschalten in eine niedrigere Schaltstufe des ersten Getriebes erfolgt. Das elektrodynamische Zurückschalten in dem ersten Getriebe erfolgt vorzugsweise derart, dass die Drehzahl und/oder das Drehmoment und/oder die Drehrichtung der an das Getriebesystem angekoppelten elektrischen Maschine so gesteuert wird, dass ein für den Schaltvorgang in die niedrigere Schaltstufe zu betätigendes Schaltelement lastfrei wird.
Bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gleichzeitig zu einem Umschalten in eine höhere Schaltstufe des zweiten Getriebes, die Drehzahl und/oder das Drehmoment und/oder die Drehrichtung der elektronischen Maschine derart verändert, dass eine festgelegte oder festlegbare Drehzahl der ersten Gesamtgetriebeeingangswelle erreicht wird.
Eine elektrodynamische Schaltfunktion des Überlagerungsgetriebes kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass mindestens ein Planetensatz sowohl zur Darstellung einer festen Getriebeübersetzung für den Verbrennungsmotorbetrieb dient und zusätzlich die additive Einkopplung des Drehmoments einer elektrischen Maschine, insbesondere auch für eine Anfahrfunktion, darstellt.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleiche oder gleichwirkende Elemente zumeist mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hybridantriebes mit einem erfindungsgemäßen Getriebesystem für ein Kraftfahrzeug,
2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hybridantriebes mit einem erfindungsgemäßen Getriebesystem für ein Kraftfahrzeug,
3 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hybridantriebes mit einem erfindungsgemäßen Getriebesystem für ein Kraftfahrzeug, und
4 schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hybridantriebes mit einem erfindungsgemäßen Getriebesystem für ein Kraftfahrzeug.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hybridantriebs 1 für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Getriebesystem 2. Das Getriebesystem 2 beinhaltet ein Überlagerungsgetriebe 3, das eine erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle 4 zum Ankoppeln eines Verbrennungsmotors 5 aufweist. Darüber hinaus weist das Überlagerungsgetriebe 3 eine zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle 6 zum Ankoppeln einer elektrischen Maschine 7 auf. Das Überlagerungsgetriebe 3 weist eine Überlagerungsgetriebeabtriebswelle auf.
Dem Überlagerungsgetriebe 3 ist ein Schaltgetriebe 8, das eine Getriebeabtriebswelle 9 zur direkten oder indirekten Ankopplung an wenigstens ein (nicht dargestelltes) Antriebsrad eines (nicht dargestellten) Kraftfahrzeuges aufweist, nachgeschaltet. Das Überlagerungsgetriebe 3 beinhaltet ein elektrodynamisches Anfahrelement 10, das beispielsweise durch einen Planetensatz realisiert sein kann, der sowohl eine feste Getriebeübersetzung für einen Verbrennungsmotorbetrieb und zusätzlich eine elektrodynamische Anfahrfunktion bereitstellt. Vorzugsweise beinhaltet das Überlagerungsgetriebe 3 ausschließlich lastfrei zu schaltendende Schaltelement, während das Schaltgetriebe wenigstens ein, insbesondere reibschlüssig arbeitendes, (in dieser Figur nicht dargestelltes) Lastschaltelement aufweist.
2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines anderen erfindungsgemäßen Hybridantriebs mit einem erfindungsgemäßen Getriebesystem 2, wobei im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführung der Verbrennungsmotor über eine Trennkupplung 11 an das Überlagerungsgetriebe 3 angekoppelt ist.
Eine solche Ausführung erlaubt in vorteilhafter Weise einen Schleppstart des Verbrennungsmotors 5 mit Schlupfentkopplung aus rein elektrischem Fahrbetrieb, was beispielsweise derart realisiert sein kann, dass ein reibschlüssig arbeitendes Lastschaltelement des Schaltgetriebes 8 in Schlupf gebracht und dann der Verbrennungsmotor 5 über die Trennkupplung 11 angekoppelt und gestartet wird.
3 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hybridantriebes 1 mit einem erfindungsgemäßen Getriebesystem 2 für ein Kraftfahrzeug. Das Getriebesystem 2 weist ein Überlagerungsgetriebe 3 mit insgesamt vier lastfrei zu schaltenden Schaltelementen A, B, C, D auf. An das Überlagerungsgetriebe 3 ist über eine erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle 4 ein Verbrennungsmotor 5 angekoppelt, während über eine zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle 6 eine elektrische Maschine 7 angekoppelt ist. Dem Überlagerungsgetriebe 3 ist ein Schaltgetriebe 8 triebtechnisch nachgeschaltet, das insgesamt zwei, insbesondere reibschlüssig arbeitende, Lastschaltelemente E, F, beinhaltet.
Die Schaltmatrix für das Überlagerungsgetriebe 3, das neben einer Schaltstufe für einen elektrodynamischen Anfahrbetrieb (EDA) vier weitere Schaltstufen bereitstellt, stellt sich wie folgt dar:

Gang A B C D

EDA x

1 x x

2 x x

3 x x

4 x x
Die Schaltmatrix des Schaltgetriebes, das insgesamt zwei Schaltstufen bereitstellt, stellt sich wie folgt dar:

Bereich E F

Low x

High x
Insgesamt stellt das Getriebesystem neben zwei Gangstufen für einen rein elektrischen Fahrbetrieb, die sich aus folgender Schaltmatrix ergeben:

Gang A B C D E F

E1 x x

E2 x x

und neben einer Gangstufe für einen elektrodynamischen Anfahrbetrieb sechs weitere Gangstufen zur Verfügung, was sich aus der nachfolgenden Schaltmatrix ersehen lässt:

Gang A B C D E F

EDA x x

1(1L) x x x

2(2L) x x x

3(1H) x x x

4(2H) x x x

5(3H) x x x

6(4H) x x x
Nachfolgend wird anhand des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels eine mögliche Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines solchen Getriebesystems 2 erläutert. Insbesondere wird ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebesystems 2 für den Schaltvorgang von der zweiten Gangstufe in die dritte Gangstufe, bei der das Überlagerungsgetriebe 3 von der zweiten Schaltstufe in die erste Schaltstufe zurückschaltet und das Schaltgetriebe 8 von Low nach High umschaltet, erläutert.
In einem ersten Schritt erfolgt eine Lastübernahme und ein Öffnen des auszulegenden Schaltelements D, was konkret dadurch geschieht, dass die Drehmomente des Verbrennungsmotors 5 und der elektrischen Maschine 7 so eingestellt werden, dass das auszulegende Schaltelement D lastfrei wird. Anschließend wird das Schaltelement D geöffnet.
Gleichzeitig zur entsprechenden Phase im Überlagerungsgetriebe erfolgt eine Lastübernahme und ein Öffnen des auszulegenden Schaltelements F des Schaltgetriebes 8, was dadurch erfolgt, dass das übertragbare Moment an dem anderen Lastschaltelement E, das beispielsweise als Reibkupplung ausgeführt sein kann, solange erhöht wird, bis das als Bremse ausgeführte Lastschaltelement F lastfrei wird. Anschließend erfolgt das Öffnen des als Bremse ausgeführten Lastschaltelements F.
Zur Drehzahlanpassung in dem Schaltgetriebe 8 wird nach dem Öffnen des Lastschaltelements F die Differenzdrehzahl an dem Lastschaltelement E durch Absenkung der Drehzahl eine Eingangswelle 12 des Schaltgetriebes 8 abgebaut. Die Eingangswelle 12 entspricht der Überlagerungsgetriebeabtriebswelle oder ist mit dieser verbunden. Zur Drehzahlanpassung im Überlagerungsgetriebe wird gleichzeitig mit der Absenkung der Eingangsdrehzahl der Eingangswelle 12 des Schaltgetriebes 8 die Drehzahl der elektrischen Maschine 7 so geregelt, dass sich durch die Drehzahlüberlagerung am zweiten Planetensatz 13 des Überlagerungsgetriebes am Verbrennungsmotor 5 der gewünschte Drehzahlverlauf ergibt. Der gewünschte Drehzahlverlauf entspricht der Absenkung der Drehzahl des Verbrennungsmotors 5 um den Gangsprung von der zweiten zur dritten Gangstufe, bei der, wie beschrieben, im Überlagerungsgetriebe 3 eine Rückschaltung stattfindet.
Nach der Drehzahlanpassung wird sowohl das Lastschaltelement E des Schaltgetriebes 8, als auch das Schaltelement C des Überlagerungsgetriebes 3 geschlossen, womit der Schaltvorgang insgesamt abgeschlossen ist.
4 zeigt schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hybridantriebs 1 mit einem erfindungsgemäßen Getriebesystem 2 für ein Kraftfahrzeug.
Auch dieses Getriebesystem 2 weist ein Überlagerungsgetriebe 3 mit insgesamt vier lastfrei zu schaltenden Schaltelementen A, B, C, D auf. An das Überlagerungsgetriebe 3 ist über eine erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle 4 ein Verbrennungsmotor 5 angekoppelt, während über eine zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle 6 eine elektrische Maschine 7 angekoppelt ist. Dem Überlagerungsgetriebe 3 ist ein Schaltgetriebe 8 triebtechnisch nachgeschaltet, das insgesamt zwei, insbesondere reibschlüssig arbeitende, Lastschaltelemente E, F, beinhaltet.
Die Schaltmatrix für das Überlagerungsgetriebe 3, das neben einer Schaltstufe für einen elektrodynamischen Anfahrbetrieb (EDA) vier weitere Schaltstufen bereitstellt, stellt sich wie folgt dar:

Gang A B C D

EDA x

1 x x

2 x x

3 x x

4 x x
Die Schaltmatrix des Schaltgetriebes, das insgesamt zwei Schaltstufen bereitstellt, stellt sich wie folgt dar:

Bereich E F

Low x

High x
Insgesamt stellt das Getriebesystem neben zwei Gangstufen für einen rein elektrischen Fahrbetrieb, die sich aus folgender Schaltmatrix ergeben:

Gang A B C D E F

E1 x x

E2 x x

und neben einer Gangstufe für einen elektrodynamischen Anfahrbetrieb (EDA) fünf weitere Gangstufen zur Verfügung, was sich aus der nachfolgenden Schaltmatrix ersehen lässt:

Gang A B C D E F

EDA x x

1 x x x

2 x x x

3 x x x

4 x x x

5 x x x
Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das Schaltgetriebe 8 eine sehr geringe Spreizung, weshalb sich lediglich eine einzige zusätzliche Gangstufe (5. Gang) ergibt. Da sich die Gesamtübersetzungen des Überlagerungsgetriebes 3 in Verbindung mit dem Schaltgetriebe 8 überschneiden, gibt es mehrere Möglichkeiten, bei welchem Gangwechsel des Überlagerungsgetriebes 3 die Umschaltung des Schaltgetriebes 8 von Low nach High erfolgen kann. Insoweit ist die oben dargestellte Schaltmatrix nur ein mögliches Beispiel. Das Verfahren zum Betreiben des Getriebesystems erfolgt im Übrigen analog wie das Verfahren bezüglich des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels.
Bezugszeichenliste

1: Hybridantrieb
2: Getriebesystem
3: Überlagerungsgetriebe
4: Erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle
5: Verbrennungsmotor
6: Zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle
7: Elektrische Maschine
8: Schaltgetriebe
9: Getriebeabtriebswelle
10: Elektrodynamisches Anfahrelement
11: Trennkupplung
12: Eingangswelle
13: Zweiter Planetensatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010030576 A1 [0005]
DE 102012212257 A1 [0006, 0007]

Claims

Getriebesystem (2) für einen Hybridantrieb (1) eines Kraftfahrzeugs mit einem Überlagerungsgetriebe (3), das eine erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle (4) zum Ankoppeln eines Verbrennungsmotors (5) und eine zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle (6) zum Ankoppeln einer elektrischen Maschine (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Überlagerungsgetriebe (3) ein Schaltgetriebe (8), das eine Getriebeabtriebswelle (9) zur direkten oder indirekten Ankopplung an wenigstens ein Antriebsrad des Kraftfahrzeugs aufweist und das wenigstens ein, insbesondere reibschlüssig arbeitendes, Lastschalelement (E, F) aufweist, triebtechnisch nachgeschaltet ist.
Getriebesystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Überlagerungsgetriebe (3) keine, reibschlüssig arbeitenden, Lastschaltelemente beinhaltet und/oder dass b. das Überlagerungsgetriebe (3) ausschließlich lastfrei zu schaltende Schaltelemente (A, B, C, D) aufweist.
Getriebesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Überlagerungsgetriebe (3) in unterschiedliche Schaltstufen umschaltbar ist, und/oder dass b. das Überlagerungsgetriebe (3) in wenigstens eine Überlagerungsgetriebeschaltstufe schaltbar ist, in der die erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle (4) von einem Überlagerungsgetriebeabtrieb entkoppelt ist, und/oder dass c. das Überlagerungsgetriebe (3) in wenigstens eine Überlagerungsgetriebeschaltstufe schaltbar ist, in der die zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle (6) von einem Überlagerungsgetriebeabtrieb entkoppelt ist, und/oder dass d. das Überlagerungsgetriebe (3) in wenigstens eine Überlagerungsgetriebeschaltstufe schaltbar ist, in der die an der ersten Überlagerungsgetriebeeingangswelle (4) und an der zweiten Überlagerungsgetriebeeingangswelle (6) anliegenden Drehmomente addiert an einen Überlagerungsgetriebeabtrieb übertragen werden, und/oder dass e. das Überlagerungsgetriebe (3) in wenigstens eine Überlagerungsgetriebeschaltstufe schaltbar ist, in der ein zumindest teilweise elektrisches, insbesondere ausschließlich elektrisches, Anfahren möglich ist.
Getriebesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Überlagerungsgetriebe (3) zumindest ein Planetengetriebe aufweist, und/oder dass b. das Überlagerungsgetriebe (3) mehrere miteinander gekoppelte Planetengetriebe aufweist, und/oder dass c. das Überlagerungsgetriebe (3) mehrere mittels wenigstens eines Schaltelementes miteinander koppelbare Planetengetriebe aufweist, und/oder dass d. das Überlagerungsgetriebe (3) zur Bereitstellung mehrerer Überlagerungsgetriebeschaltstufen mehrere Planetengetriebe aufweist, deren Einzelkomponenten mit wenigstens einem Schaltelement in unterschiedlichen Wirkkombinationen miteinander koppelbar oder voneinander entkoppelbar sind.
Getriebesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Schaltgetriebe (8) wenigstens zwei Schaltstufen für einen rein elektrischen Fahrbetrieb mit einer angekoppelten elektrischen Maschine (7) bereitstellt, und/oder dass b. das Schaltgetriebe (8) wenigstens zwei Schaltstufen für einen rein elektrischen Vorwärts-Fahrbetrieb mit einer angekoppelten elektrischen Maschine (7) bereitstellt, und/oder dass c. das Schaltgetriebe (8) wenigstens eine Schaltstufe für einen Rückwärts-Fahrbetrieb bereitstellt, und/oder dass d. das Schaltgetriebe (8) wenigstens eine Schaltstufe für einen rein elektrischen Rückwärts-Fahrbetrieb mit einer angekoppelten elektrischen Maschine (7) bereitstellt.
Getriebesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe (8) kein Lastschaltelement aufweist, das als Anfahrkupplung verwendbar ist und/oder dass sämtliche Lastschaltelemente (E, F) des Schaltgetriebes (8) für eine Verwendung als Anfahrkupplung unterdimensioniert sind.
Getriebesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Steuerungsvorrichtung, die wenigstens ein Schaltelement (E, F) des Schaltgetriebes (8) und/oder wenigstens ein Schaltelement (A, B, C, D) des Überlagerungsgetriebes (3) und/oder eine angekoppelte elektrische Maschine (7) und/oder eine angekoppelte Verbrennungsmaschine (5) steuert oder regelt.
Getriebesystem (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung zur Einstellung einer vorgewählten oder vorwählbaren Gesamtübersetzung des Getriebesystems (2) a. einen Schaltvorgang des Überlagerungsgetriebes (3) oder b. einen Schaltvorgang des Schaltgetriebes (8) oder c. aufeinander abgestimmt, sowohl einen Schaltvorgang des Überlagerungsgetriebes (3), als auch einen Schaltvorgang des Schaltgetriebes (8) oder d. aufeinander abgestimmt sowohl einen Schaltvorgang des Überlagerungsgetriebes (3), als auch einen gleichzeitigen Schaltvorgang des Schaltgetriebes (8) steuert oder regelt.
Getriebesystem (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet und bestimmt ist, eine angekoppelte elektrische Maschine (7) und/oder einen angekoppelten Verbrennungsmotor (5) und/oder ein Lastschaltelement (E, F) des Schaltgetriebes (8) für einen Schaltvorgang des Überlagerungsgetriebes (3), zumindest vorübergehend, derart zu steuern, dass ein zur Ausführung des Schaltvorganges zu betätigendes Schaltelement (A, B, C, D) des Überlagerungsgetriebes (3) lastfrei wird, und/oder dass b. die Steuerungsvorrichtung ein Lastschaltelement (E, F) des Schaltgetriebes (8) derart steuert, dass ein anderes Lastschaltelement (E, F) des Schaltgetriebes (8) für einen Schaltvorgang des anderen Lastschaltelements (E, F) lastfrei wird.
Hybridantrieb (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Getriebesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an die erste Überlagerungsgetriebeeingangswelle (4) ein Verbrennungsmotor (5) und an die zweite Überlagerungsgetriebeeingangswelle (6) eine elektrischen Maschine (7) angekoppelt ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (5) über eine Trennkupplung (11) an das Überlagerungsgetriebe (3) angekoppelt ist.
Kraftfahrzeug mit einem Getriebesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder mit einem Hybridantrieb (1) nach Anspruch 10 oder 11.
Verfahren zum Betreiben eines Getriebesystems (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder eines Getriebesystems (2), das über eine erste Getriebesystemeingangswelle an einen Verbrennungsmotor (5) und über eine zweite Getriebesystemeingangswelle an eine elektrische Maschine (7) angekoppelt ist und das ein erstes Getriebe, insbesondere ein Überlagerungsgetriebe (3), das, insbesondere ausschließlich, lastfrei schaltbare Schaltelemente (A, B, C, D) beinhaltet, und ein zweites, dem ersten Getriebe triebtechnisch nachgeschaltetes Getriebe, das Lastschaltelemente (E, F) beinhaltet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Getriebesystem (2) für einen Schaltvorgang des ersten Getriebes in einen Drehzahlüberlagerungsmodus überführt wird, in dem die Getriebesystemeingangswellen und eine Abtriebswelle des ersten Getriebes drehmomentübertragend verbunden sind, und dass b. die elektrische Maschine (7) und gleichzeitig ein Lastschaltelement (E, F) des zweiten Getriebes derart gesteuert werden, dass ein zur Ausführung des Schaltvorganges zu betätigendes Schaltelement (A, B, C, D) des ersten Getriebes lastfrei wird oder dass eine festgelegte oder festlegbare Drehzahl der ersten Getriebesystemeingangswelle erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass a. zur Drehzahlanpassung der ersten Getriebesystemeingangswelle gleichzeitig zu einem Umschalten in eine höhere Schaltstufe des zweiten Getriebes ein elektrodynamisches Zurückschalten in eine niedrigere Schaltstufe des ersten Getriebes erfolgt, oder dass b. gleichzeitig zu einem Umschalten in eine höhere Schaltstufe des zweiten Getriebes die Drehzahl und/oder das Drehmoment und/oder die Drehrichtung der elektrischen Maschine derart verändert werden, dass eine festgelegte oder festlegbare Drehzahl der ersten Getriebesystemeingangswelle erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Getriebe ein Überlagerungsgetriebe (3) ist und sowohl die erste, als auch die zweite Getriebesystemeingangswelle aufweist und/oder dass das zweite Getriebe eine Getriebesystemabtriebswelle aufweist.