DE102014221600B3 - Getriebestruktur für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges und Hybridantrieb - Google Patents

Getriebestruktur für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges und Hybridantrieb Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Getriebestruktur für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, mit einem getriebeeingangsseitigen Verbrennungsmotor, von dem aus ein Leistungseingang zu einer Getriebestruktur mit mehrere Planetensätzen führt, wobei jeder Planetensatz ein Sonnenrad, eine Planeten, einen Planetenträger und ein Hohlrad aufweist, wobei erfindungsgemäß in die Getriebestruktur an der Verbindung zwischen zwei Planetensätzen eine E-Maschine integriert ist derart, dass ein Rotor der E-Maschine mit dem Hohlrad eines Planetensatzes und dem Planetenträger eines weiteren Planetensatzes verbunden ist. Der Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, aufweisend einen Triebstrang mit einem Verbrennungsmotor, beinhaltet erfindungsgemäß ein Getriebe mit der vorgenannt beschriebenen Getriebestruktur mit integrierter E-Maschine sowie eine mit dem Getriebe verbundene elektrische Energiespeichereinrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Getriebestruktur für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und einen Hybridantrieb nach dem Oberbegriff des 9. Patentanspruchs.
  • Es ist bekannt, dass derartige Hybridantriebe ein in unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen betreibbare Planetengetriebesysteme beinhalten, wobei diese Planetensätze bekannter weise ein Sonnenrad, mit diesem kämmende Planeten, die an einem Planetenträger aufgenommen sind und ein Hohlrad aufweist, welches an seinem Innendurchmesser eine Verzahnung besitzt, welche mit den Planeten kämmt. Ebenso ist bekannt, dass durch Betätigungskombination von Schalt- oder Kupplungselementen oder Freiläufen in Getrieben mehrere Gänge dargestellt werden.
  • Aus der Druckschrift DE 10 2013 21 35 59 A1 ist eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die einen Radantriebsstrang, einen ersten Elektromotor mit einem ersten Leistungsausgang, einen zweiten Elektromotor mit einem zweiten Leistungsausgang, und eine Koppelungseinrichtung zur Koppelung wenigstens des ersten und/oder des zweiten Leistungsausgangs mit dem Radantriebsstrang in schaltbarer Weise. Dabei ist die Koppelungseinrichtung so gestaltet, dass diese ein einstellbar positionierbares Stellorgan umfasst nach dessen Maßgabe der Koppelungszustand der Koppelungseinrichtung festlegbar ist, wobei die Positionierung des Stellorgans durch gesteuerte Herbeiführung einer Relativdrehung zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungsausgang der beiden Elektromotoren erfolgt. Diese Lösung ist durch die zwei erforderlichen Elektromotoren relativ und durch die Relativdrehung zwischen den beiden Leistungsausgängen der Elektromotoren zur Positionierung des erforderlichen Stellorganskonstruktiv relativ aufwendig. Weiterhin besteht durch den Einsatz von zwei Elektromotoren ein erhöhter Platzbedarf.
  • Aus der DE 10 2007 053 845 A1 ist bereits eine Getriebestruktur mit mehreren Planetensätzen und Elektromotoren bekannt. Hier werden alleine durch die mehreren Elektromotoren mehrere Gangstufen realisiert.
  • Aus der DE 10 2007 005 438 A1 ist ferner eine Getriebestruktur mit einer Doppelkupplung, einem getriebeintegrierten Elektromotor und mehreren Planetensätzen bekannt. Der Elektromotor ist hier direkt mit dem Planetensatz gekoppelt, dessen Planetenträger den Ausgang des Getriebes bildet.
  • Es sind weiterhin Mehrgang-Range-Extender-Getriebe in Planetenbauweise mit zwei Elektromotoren, Kupplungs/Schaltkomponenten einer Aktorik bekannt, welche jedoch wenige schaltbare Gänge aufweisen, wodurch bestimmte Betriebspunkte bei ungünstig hoher Drehzahl, d. h. hohem Benzinverbrauch gefahren werden müssen. Dabei sind ebenfalls hohe Kosten durch die zwei E-Maschinen zu verzeichnen. Weiterhin bleiben diese leicht unter der erforderlichen Gangzahl oder Spreizung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Getriebestruktur für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges und einen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welche sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau auszeichnet und eine große Spreizung der Gänge des Getriebes ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. und 7. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Getriebestruktur für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges ist mit einem getriebeeingangsseitigen Verbrennungsmotor ausgestattet, von dem aus ein Leistungseingang zur Getriebestruktur führt, mehreren Planetensätzen, mehreren Kupplungen und einer Bremse, wobei jeder Planetensatz ein Sonnenrad, eine Planeten, einen Planetenträger und ein erstes Hohlrad aufweist, wobei erfindungsgemäß in die Getriebestruktur zwischen zwei Planetensätzen eine E-Maschine (wirkt als Elektromotor und Generator) integriert ist.
  • Die E-Maschine ist somit erstmalig nicht getriebeeingangs- oder endständig angeordnet und deren Rotor übernimmt eine „Brückenfunktion” als Verbindung zweier Planetensätze Die E-Maschine ist potenziell trockenlaufend.
  • Die Anbindung der E-Maschine ist derart, dass sie beim komfortkritischen Gangwechsel 1–2 nicht umgeschaltet wird, und also komfortsteigernd regeln kann, z. B. indem durch das Getriebe verursachten Zugkraftsprünge oder Lücken ausgeglichen werden können. Die Anbindung ist ferner derart, dass die E-Maschine in einigen Gängen schneller dreht als der Verbrennungsmotor, also einen guten Wirkungsgrad und Leistungsdichte einbringen kann.
  • Das Getriebe weist dabei vorteilhafter Weise mehr als 4 Gänge (für Vorwärtsfahrt) auf und lediglich eine integrierte E-Maschine sowie nur wenige Kupplungen und eine Bremse auf. Vorteilhafter Weise erlaubt die Getriebestruktur je nach Wahl der Planeten-Standübersetzungen 5 oder 6 Gänge, bei Einsatz von 3 Planetensätzen, 4 Kupplungen und 1 Bremse (plus der einen E-Maschine).
  • Der Rotor des Elektromotors bzw. der E-Maschine ist dabei mit dem ersten Planetensatz, aufweisend ein erstes Sonnenrad, erste Planeten, einen ersten Planetenträger, ein erstes Hohlrad und mit einem zweiten Planetensatz, aufweisend ein zweites Sonnenrad, zweite Planeten, einen zweiten Planetenträger, ein zweites Hohlrad koppelbar. Bevorzugt ist der Rotor des Elektromotors mit dem ersten Hohlrad des ersten Planetensatzes und dem zweiten Sonnenrad des zweiten Planetensatzes verbunden, wobei der erste Planetensatz eingangsseitig auf der Verbrennungsmotorseite des Getriebes angeordnet ist.
  • An den zweiten Planetensatz schließt sich ausgangsseitig ein dritter Planetensatz, aufweisend ein drittes Sonnenrad, dritte Planeten, einen dritten Planetenträger, ein drittes Hohlrad, an, der mit einer Bremse gekoppelt ist und an den sich der Leistungsausgang (OUT) des Getriebes anschließt.
  • Nach dem Leistungseingang weist die Getriebestruktur an ihrem Eingang eine Doppelkupplung auf, die mit einem ersten Kupplungspfad mit dem ersten Planetenträger des ersten Planetensatzes und mit einem zweiten Kupplungspfad mit dem zweiten Hohlrad des zweiten Planetensatzes koppelbar ist.
  • Die am Getriebeeingang vorgesehene Doppelkupplung und die Bremse am gegenüberliegenden Getriebeende werden potenziell in einem Trockenraum angeordnet. Vorteilhaft ist dabei, dass im Trockenraum hohe Reibwerte und damit kleine Kräfte realisierbar sind und unbetätigte Kupplungen/Bremsen nur geringe Schleppmomente aufweisen.
  • Neben der eingansseitigen Doppelkupplung sind lediglich zwei weitere Kupplungen (Kupplungs- oder Schaltelemente) erforderlich. Ein erstes Kupplungselement, welches sich im inneren der Getriebestruktur befindet, dient dem Verblocken des zweiten Planetensatzes und ist beispielsweise zwischen dem zweiten Sonnenrad und dem zweiten Hohlrad verbindbar. Die Kupplung ist elektrisch, hydraulisch, hydrostatisch oder mittels einer Zugstange oder Schubstange aktuierbar und hinsichtlich der wirkenden Aktuierkraft beispielsweise mittels einer Trennwand abstützbar. Die Trennwand trägt vorteilhafter Weise auch erforderliche Lager und Dichtungen und weist bei hydraulischer Betätigung ein Druckübergabemittel auf.
  • Ein weiteres zweites Kupplungselement kann im Getriebeinneren als Kopplung zwischen dritter Sonne und drittem Hohlrad des dritten Planetensatzes (ausgangssseitig) angeordnet sein, oder alternativ andere Anschlüsse des dritten Planetensatzes miteinander koppeln, um diesen dritten Planetensatz zu verblocken sodass alle Anschlüsse synchron drehen. Dieses zweite Kupplungselement kann dann ebenso am rechten Getrieberand in einem Trockenraum angeordnet sein.
  • Die Getriebestruktur weist einen besonderen Neutralgang auf, in welchem KD und BA offen sind, aber der erste Kupplungspfad KB und der zweite Kupplungspfad KC der Doppelkupplung betätigt sind. Der Verbrennungsmotor ist dann mit dem Elektromotor gekoppelt, wodurch eine Ladefunktion einer mit der E-Maschine verbundenen Batterie realisierbar ist. Dies erfolgt beispielsweise bei Fahrzeugstillstandsphasen.
  • Ebenso kann in diesem Neutralgang der Verbrennungsmotor mit dem leistungsfähigen Elektromotor gestartet werden, z. B. bei sehr kaltem Aggregat wenn hohe Startmomente erforderlich sind.
  • Für die Vorwärtsfahrt weist die Getriebestruktur 5 oder 6 Gänge und zusätzlich zwei rein elektrische Fahrgänge oder Segelgänge oder Rekuperationsgänge auf, die je nach Ladezustand einer mit dem Elektromotor (der E-Maschine) gekoppelten Batterie (Energiespeichereinrichtung) schaltbar sind, um ohne Verbrennungsmotor Fahrfunktionen darzustellen. In diesen beiden BEV-Gängen ist gegenüber einem ähnlich übersetzten normalen Gang (dem 2. oder 4. Gang) nun jeweils ein erster oder ein zweiter Kupplungsbereich der getriebeeingangsseitigen Doppelkupplung geöffnet (die KB beim 2. Gang, bzw. die KC beim 4. Gang). Gangwechsel können aber auch ähnlich vorteilhaft in den oder aus dem 1., 3. oder 5. Gang erfolgen.
  • Die Getriebestruktur weist selbstverständlich entsprechende Steuereinrichtungen für die vorhandenen Schaltelemente und die E-Maschine auf bzw. ist mit einer Steuereinrichtung verbunden, welche Signale über den Fahrzeugzustand und über den Fahrerwunsch erhält und welche Signale zur Ansteuerung der Schaltelemente und die E-Maschine erzeugt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit oder der der Ladezustand einer Batterie sind Beispiele solcher Signale, das den Fahrzeugzustand anzeigen. Beispielhafte Signale, die den Fahrerwunsch anzeigen sind die Pedalwerte des sogenannten Gaspedals oder des Bremspedals.
  • Die Erfindung umfasst auch ein Getriebe mit integrierter E-Maschine aufweisend eine vorgenannt beschriebene Getriebestruktur.
  • Erfindungsgemäß wird dadurch ein Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, aufweisend einen Triebstrang mit einem Verbrennungsmotor und einem vorgenannt beschriebenen Getriebe mit integrierter E-Maschine geschaffen, wobei mit dem Getriebe eine elektrische Energiespeichereinrichtung (bevorzugt in der Art einer Batterie) verbunden ist.
  • Durch den Hybridantrieb kann ein vorteilhaftes rein elektrisches Fahren bei Geschwindigkeiten unter 20 km/h und Beschleunigungspedalbetätigung unter 50% erfolgen. Bei Geschwindigkeiten über 50 km/h oder maximaler Beschleunigungspedalbetätigung durch den Fahrer ist ein verbrennungsmotorisches und/oder elektrisches Fahren realisierbar.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug geschaffen, der einen Triebstrang mit einem Verbrennungsmotor, einer Getriebestruktur und einer E-Maschine aufweist, wobei die E-Maschine in die Getriebestruktur integriert ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung der Getriebestruktur
  • 2 bis 13 ein 6-Gang Getriebe mit der Darstellung der Kraftverläufe in den Gängen 1 bis 6 in jeweils zwei verschiedenen Prinzipdarstellungen und dabei
  • 2 und 3 Gang 1,
  • 4 und 5 Gang 2,
  • 6 und 7 Gang 3 in einer ersten Schaltvariante, dessen Übersetzung bei der 5-Gang Version identisch zu der von Gang 4 ist
  • 8 und 9 Gang 4 als Direktgang mit Übersetzung 1,
  • 10 und 11 Gang 5,
  • 12 und 13 Gang 6,
  • 14 eine Variante des Getriebes, bei welcher die Kupplung KD an einer anderen Position angeordnet ist,
  • 15 eine Variante des Getriebes, bei welcher die Komponenten in der Nähe des dritten Planeten anders angeordnet sind,
  • 16 eine Variante des Getriebes, bei dem der Getriebeausgang OUT zwischen dem zweiten Planeten 2 und dritten Planeten 3 angeordnet ist.
  • Gemäß 1 weist die Getriebestruktur einen Leistungseingang IN auf, über welchen ein von einem Verbrennungsmotor zur Verfügung gestelltes Drehmoment eingekoppelt werden kann, wozu sich an den Leistungseingang IN eine Doppelkupplung K1 anschießt, die ein erstes Kupplungselement KB und ein zweites Kupplungselement KC aufweist.
  • Anstelle einer Doppelkupplung können auch zwei eigenständige, räumlich getrennte Kupplungen eingesetzt werden (nicht dargestellt).
  • In der Getriebestruktur wirken (hier von links nach rechts)
    • a) ein erster Planetensatz 1, bestehend aus einem ersten nicht drehenden Sonnenrad 1.1, einem ersten Planetenträger 1.2 mit diesem zugeordneten Planeten, die mit dem ersten Sonnenrad 1.1 kämmen und einem ersten Hohlrad 1.3, welches die Planeten umringt und mit diesen kämmt,
    • b) ein zweiter Planetensatz 1, bestehend aus einem zweiten Sonnenrad 2.1, einem zweiten Planetenträger 2.2 mit diesem zugeordneten Planeten, die mit dem zweiten Sonnenrad 2.1 kämmen und einem zweiten Hohlrad 2.3, welches die Planeten umringt und mit diesen kämmt,
    • c) ein dritter Planetensatz 3, bestehend aus einem dritten Sonnenrad 3.1, einem dritten Planetenträger 3.2 mit diesem zugeordneten Planeten, die mit dem dritten Sonnenrad 3.1 kämmen und einem dritten Hohlrad 3.3, welches die Planeten umringt und mit diesen kämmt,
    • d) einer im Bereich des ersten und des zweiten Planetensatzes 1, 2 angeordneten E-Maschine 4, deren Rotor 4.1 eine Brückenfunktion besitzt und mit dem ersten Hohlrad 1.3 des ersten Planetensatzes 1 und dem zweiten Planetenträger 2.2 des zweiten Planetensatzes 2 verbunden ist. Die E-Maschine 4 kann wie skizziert die Planetensätze 1 und 2 vollständig oder teilweise umschließen, oder auch axial teilweise oder vollständig daneben platziert werden, wobei dann die Brückenfunktion von einem passiven Bauteil ausgefüllt würde. Die Leistungsabgabe oder -aufnahme der E-Maschine 4 kann also über beide Verbindungen mit ersten Planetensatz 1 und/oder zweiten Planetensatz 2 je nach geschaltetem Gang erfolgen und erlaubt eine Nutzung der E-Maschine 4 in vielen Schaltzuständen des Getriebes.
    • e) einer nahe dem zweiten Planetensatz 2 angeordneten ersten Kupplung KE, die sich im inneren des Getriebes befindet und hydraulisch, hydrostatisch oder mittels einer Zug- oder Druckstange (nicht dargestellt) aktiviert wird,
    • f) eine zweite Kupplung KD, durch welche der dritten Planetensatz 3 verblockbar ist, indem hier das Hohlrad 3.3 mit dem Planetenträger 3.2 verkoppelt wird,
    • g) eine Bremse BA, welche das Hohlrad 3.3 des dritten Planetensatzes 3 festbremst.
  • Der Leistungsausgang OUT schließt sich an den dritten Planetensatz 3 an. Dabei bildet der Planetenträger des dritten Planetensatzes 3 auch den Getriebeausgang und ist beispielsweise über ein nicht dargestelltes Differential an der Vorder- und/oder Hinterachse verbunden.
  • Somit umfasst die Getriebestruktur lediglich drei Planetensätze 1, 2, 3, vier Kupplungen KB, KC, KE, KD und eine Bremse BA sowie eine E-Maschine 4.
  • Nachfolgend werden Getriebeschaubilder eines mehrgängigen Getriebes mit dem Kraftfluss in den Gängen 1 bis 6 dargestellt. Es wurden hier lediglich die jeweils geschalteten Schaltelemente und Kraftflüsse hervorgehoben. Die jeweilige Kombination der Planeten-Standübersetzungen i0 der drei Planetensätze sind unter den jeweiligen Planetensatz notiert.
  • In einer ersten Getriebevariante können die Standübersetzungen näherungsweise
    –1,5 im ersten Planetensatz 1,
    –2 im zweiten Planetensatz 2 und
    –2 im dritten Planetensatz.
    sein. Diese Übersetzungen sind unterhalb der Planetensätze angegeben.
  • Dadurch können eine sehr große Spreizung 9 und große, aber zahlenmäßig einander ähnlich große Stufensprünge bei 5 verschiedenen Übersetzungen realisiert werden.
  • In einer weiteren Variante können die Standübersetzungen näherungsweise
    –2,4 im ersten Planetensatz 1,
    –2 im zweiten Planetensatz 2 und
    –1,6 im dritten Planetensatz
    sein.
  • Diese zweite Variante wird durch die fett und kursiv geschriebenen Übersetzungen unterhalb der Planetensätze 1 bis 3 verdeutlicht.
  • Dadurch wird eine kleinere Spreizung 6.3 bei kleineren und zahlenmäßig wieder einander ähnlichen Stufensprüngen zwischen 6 verschiedenen Übersetzungen realisiert.
  • Bei einem 6-Gang Getriebe wird der erste Gang gemäß 2 und 3 durch folgende Schaltungen realisiert: Die Bremse BA, das zweite Kupplungselement KC der Doppelkupplung K1 und die erste Kupplung KE sind geschlossen. Der Planetensatz 1 ist ohne Funktion, der Planetensatz 2 ist verblockt und der Planetensatz P3 wandelt. Die E-Maschine 4 rotiert in diesem Fall mit der gleichen Drehzahl wie der Getriebeeingang (Verbrennungsmotor) IN und kann in Abhängigkeit der Fahrsituation zusätzliche Antriebsleistung liefern oder aufnehmen (Batterie laden oder rekuperieren) kann.
  • Auch im Falle einer z. B. gezielt schlupfend betriebenen Reibkupplung KC kann die E-Maschine 4 in diesem Gang Antriebsleistung abgeben oder aufnehmen, wobei ihre Leistung nicht über die Kupplung übertragen werden muss und nicht zu deren Reibverlusten beiträgt.
  • Zwei unterschiedliche Getriebeschaubilder, die den 2. Gang dokumentieren, sind in den 4 und 5 dargestellt. Bei dieser Schaltstufe sind die Bremse BA, das erste Kupplungselement bzw. der erste Kupplungspfad KB der Doppelkupplung K1 und die erste Kupplung KE geschlossen. Der erste Planetensatz 1 dreht ins schnelle, der zweite Planetensatz 2 ist ohne Funktion und der dritte Planetensatz 3 übersetzt.
  • Dadurch rotiert die E-Maschine 4 mit höherer Drehzahl wie der Getriebeeingang (Verbrennungsmotor) IN und kann in Abhängigkeit der Fahrsituation zusätzliche Antriebsleistung eines Elektromotors (E-Maschine 4) liefern oder auch in der Art eines Generators aufnehmen (Batterie laden oder rekuperieren). Die höhere Drehzahl ist vorteilhaft hinsichtlich höherer Leistung und Wirkungsgrad der E-Maschine 4 und/oder die niedrigere Drehzahl des Getriebeeingangs ist vorteilhaft hinsichtlich höherem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors. Auch hier kann im Falle einer z. B. aus akustischen Gründen gezielt schlupfend betriebenen Reibkupplung in Form eines ersten Kupplungselementes KB die E-Maschine 4 Antriebsleistung abgeben oder aufnehmen, wobei ihre Leistung nicht über die Kupplung übertragen werden muss und nicht zu deren Reibverlusten beiträgt.
  • Im dritten Gang (siehe 6 und 7) sind die Bremse BA, und beide Kupplungselemente (Kupplungspfade) KB und KC der Doppelkupplung K1 geschlossen, wodurch eine Leistungsverzweigung bzw. Leistungsrückfluss im Getriebe entsteht. Zusätzlich zum Antrieb mittels des Verbrennungsmotors (Eingang über IN) kann ein Laden einer nicht dargestellten Batterie mittels der E-Maschine 4 realisiert werden, die dann als Generator wirkt. Ebenso kann der Verbrennungsmotor durch den Elektromotor unterstützt werden („Boost”).
  • Zum vierten Gang (siehe 8 und 9) erfolgt eine Doppelumschaltung, da der zweite und der dritte Planetensatz 2, 3 verblockt sind, was durch die hier geschlossenen ersten und zweiten Kupplungen KE und KD realisiert wird. Hier treibt der Verbrennungsmotor über IN an, und der eingangsseitige zweite Kupplungspfad KC der Doppelkupplung K1 ist geschlossen. Es kann eine zusätzliche Antriebsleistung oder Ladefunktion über die E-Maschine 4 bereitgestellt werden. Die Getriebeübersetzung ist eins und der Getriebewirkungsgrad sehr hoch, da keine lasttragende Verzahnung wälzt.
  • Die Getriebeschaubilder mit dem Kraftfluss im 5. Gang werden in den 10 und 11 gezeigt. Der erste Kupplungspfad KB sowie die erste Kupplungen KE und die zweite Kupplung KD sind geschlossen. Hier übersetzt der erste Planetensatz 1 ins Schnelle, während der zweite und dritte Planetensatz 2 und 3 beide verblockt sind. Insgesamt ergibt sich also ein Overdive.
  • Der Gang 6 wird anhand zweier Getriebeschaubilder in den 12 und 13 dargestellt, wobei in 13 wie überall der Kraftfluss durch die stark hervorgehobenen Linien eingezeichnet ist. Sowohl der Verbrennungsmotor als auch die E-Maschine 4, wenn diese als Elektromotor wirkt, erbringen eine Antriebsleistung. Weiterhin kann durch die E-Maschine (wenn diese als Generator wirkt) auch die Batterie (nicht dargestellt) geladen werden. Das erste und zweite Kupplungselement KB und KC der Doppelkupplung K1 sowie die zweite Kupplung KD sind geschlossen.
  • Die möglichen Funktionen des Getriebes und spezifische Eigenschaften der Gänge 4, 5 und 6 ähneln den Gängen 1, 2 und 3 bis auf den Beitrag des dritten Planeten 3, der entweder verblockt ist (Gänge 4, 5 und 6) oder übersetzt (Gänge 1, 2 und 3).
  • Das zweite Kupplungselement KD ist bei den vorgenannt beschriebenen Figuren am Getriebeausgang als Kopplung zwischen drittem Planetenträger 3.2 und drittem Hohlrad 3.3 des rechtesten, hier dritten Planetensatzes 3 angeordnet. Die erste Kupplung KE und die zweite Kupplung KD können auch umgeordnet werden, da diese nur zum Verblocken des zweiten Planetensatzes 2 und/oder des dritten Planetensatzes 3 verwendet werden.
  • Beispielsweise kann das die zweite Kupplung KD gemäß 14 auch auf der Getriebeinnenseite (hier links) des dritten Planetensatzes 3 angeordnet sein.
  • Ebenfalls alternativ kann die betätigbare zweite Kupplung KD das Hohlrad 3.3 und das Sonnenrad 3.1 miteinander verkoppeln.
  • Ebenfalls alternativ kann das Getriebe wie in 15 dargestellt zwischen dem zweiten Planeten 2 und dem dritten Planeten 3 in zwei Hälften geteilt sein mit jeweils eigenem Gehäuse und einer Verbindungswelle (z. B. Kardanwelle zwischen Getriebe und Hinterachs-Getriebe). In diesem Fall kann die Umgebung der zweiten Kupplung KD wiederum einen Trockenraum bilden.
  • Ebenfalls alternativ und funktionsgleich kann das Getriebe wie in 16 dargestellt derart ausgestaltet sein, dass der Getriebeausgang OUT zwischen dem zweiten Planeten 2 und dritten Planeten 3 angeordnet ist. Diese Anordnung ist insbesondere für Font-Quer-Antriebsstränge oder Front-Längs-Antriebsstränge geeignet. Sie erlaubt die zweite Kupplung KD und die Bremse BA in einen Trockenraum am in der Figur rechten Ende des Getriebes anzuordnen.
  • Eine Übersicht des Gangspektrums und der Betriebsmöglichkeiten einer ersten Variante des Getriebes mit großer Spreizung 9 und großen Stufensprüngen und den entsprechenden Schaltungen ist nachfolgend dargestellt. iVM ist die Übersetzung des Verbrennungsmotors und iEM die Übersetzung der E-Maschine (wirkend als Elektromotor und/oder als Starter und/oder als Generator):
    betätigte
    Gang Kupplung/Bremse iVM iEM Bemerkungen
    1 BA _ KC _ KE 3 3 1 ohne Funktion, 2 verblockt, 3 wandelt
    2 BA KB _ _ KE 1.8 3 1 ins Schnelle, 2 ohne Funktion, 3 übersetzt
    3 BA KB KC _ _ 1 1.67
    4 _ _ KC KD KE 1 1 Doppelumschaltung 3–4
    5 _ KB _ KD KE 0.6 1
    6 _ KB KC KD _ 0.33 0.55
  • Eine weitere Übersicht des Gangspektrums und der Betriebsmöglichkeiten einer zweiten Variante des Getriebes mit einer kleineren Spreizung 6.3 und kleineren Stufensprüngen ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt. iVM ist ebenfalls die Übersetzung des Verbrennungsmotors und iEM die Übersetzung der E-Maschine gegenüber dem Abtrieb:
    betätigte
    Gang Kupplung/Bremse iVM iEM Bemerkungen
    1 BA _ KC _ KE 3 3 1 ohne Funktion, 2 verblockt, 3 wandelt
    2 BA KB KE 2.12 3 1 ins Schnelle, 2 ohne Funktion, 3 über
    setzt
    3 BA KB KC _ _ 1.44 2
    4 _ _ KC KD KE 1 1 Doppelumschaltung 3–4
    5 KB _ KD KE 0.71 1
    6 KB KC KD _ 0.48 0.68
  • Die in den beiden vorgenannten Tabellen aufgeführten Kombinationen oder ähnliche sind charakteristisch für gut gestufte und gut gespreizte Gänge.
  • Sind bei beiden Getriebevarianten im zweiten Gang das erste Kupplungselement/erster Kupplungspfad KB der Doppelkupplung K1 oder im vierten Gang das zweite Kupplungselement/zweiter Kupplungspfad KC der Doppelkupplung K1 geöffnet, dann wird ein BEV-Gang realisiert, d. h. ein rein elektrischer Antrieb über die E-Maschine, wobei der Verbrennungsmotor gestoppt werden kann um Abgas- und Geräuschemissionen zu reduzieren.
  • Wird bei beiden Getriebevarianten im ersten Gang oder im vierten Gang die erste Kupplung KE geöffnet, wird ein CVT-artiger Bereich zur Verfügung gestellt, d. h. eine stufenlose Übersetzung. In diesem Modus sind steuerungstechnisch das Moment des Verbrennungsmotors und das Moment des Elektromotors in ein durch die Standübersetzung des zweiten Planeten 2 fest vorgegebenes Drehmomenten-Verhältnis zu setzen, wodurch sich die Leistung dieser beiden Antriebe im Getriebe mischen bzw. teilen.
  • Werden weder die zweite Kupplung KD noch die Bremse BA betätigt (also z. B. lediglich das erste Kupplungselement KB der Doppelkupplung K1), dann wird ein Neutralgang realisiert, in dem allerdings der Verbrennungsmotor mit der E-Maschine wirkverbunden ist. Die E-Maschine kann dabei als Generator arbeiten und die Batterie wird aufgeladen. Ebenso kann die E-Maschine als Starter arbeiten, und den Verbrennungsmotor starten. Diese Funktionen sind im Stillstand des Fahrzeugs ebenso möglich wie bei rollendem Fahrzeug. Da keine Verbindung zum Abtrieb besteht, sind diese Ladefunktion oder Startfunktion ohne Einfluss auf die Fahrzeugbeschleunigung und können ruckfrei ausgeführt werden.
  • Somit weisen die Getriebe weitere Betriebsmodi auf, die als rein elektrische Fahrgänge bzw. CVT-Bereiche bzw. Segelgänge bzw. Rekuperationsgänge bzw. Startgänge bzw. Ladegänge je nach Fahrzeuggeschwindigkeit und Ladezustand der Batterie genutzt werden können. In den beiden BEV-Gängen ist gegenüber einem ähnlich übersetzten normalen Gang (dem 2. oder 4. Gang) nun jeweils ein Kupplungselement/Kupplungspfad geöffnet (die KB beim 2. Gang, bzw. die KC beim 4. Gang). Gangwechsel können aber auch ähnlich vorteilhaft in den oder aus dem 1., 3. oder 5. Gang erfolgen.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Getriebe geschaffen, welches mehr als 4 Gänge (nur Vorwärts) aufweist und nur eine an vorteilhafter Stelle integrierte E-Maschine, und dabei nur wenige Kupplungen und Bremsen besitzt.
  • Dies ist durch eine Planetengetriebestruktur realisierbar, die je nach Wahl der Planeten-Standübersetzungen 5 oder 6 Gänge erlaubt, bei Einsatz von drei Planetensätzen, vier Kupplungen und einer Bremse, sowie einer E-Maschine.
  • Die dargestellten Getriebestrukturen sind für Standardantriebe einsetzbar (Längsmotor und -Getriebe), aber auch für Frontquer-Antriebe oder Fronlängs-Antriebe oder andere Konfigurationen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erster Planetensatz
    1.1
    erstes Sonnenrad
    1.2
    erster Planetenträger
    1.3
    erstes Hohlrad
    2
    zweiter Planetensatz
    2.1
    zweites Sonnenrad
    2.2
    zweiter Planetenträger
    2.3
    zweites Hohlrad
    3
    dritter Planetensatz
    3.1
    drittes Sonnenrad
    3.2
    dritter Planetenträger
    3.3
    drittes Hohlrad
    4
    E-Maschine
    4.1
    Rotor
    BA
    Bremse
    IN
    Leistungseingang
    i0
    Planeten-Standübersetzungen
    K1
    Doppelkupplung
    KB
    erstes Kupplungselement/Kupplungspfad der Doppelkupplung K1
    KC
    zweites Kupplungselement/Kupplungspfad der Doppelkupplung K1
    KD
    zweite Kupplung
    KE
    erste Kupplung
    OUT
    Leistungsausgang

Claims (8)

  1. Getriebestruktur für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, mit einem getriebeeingangsseitigen Verbrennungsmotor, von dem aus ein Leistungseingang (In) zu einer Getriebestruktur mit mehrere Planetensätzen führt, wobei jeder Planetensatz ein Sonnenrad, Planeten, einen Planetenträger und ein Hohlrad aufweist, wobei in die Getriebestruktur an der Verbindung zwischen zwei Planetensätzen eine E-Maschine (4) integriert ist derart, dass ein Rotor (4.1) der E-Maschine (4) mit dem Hohlrad eines Planetensatzes und dem Planetenträger eines weiteren Planetensatzes verbunden ist, und wobei nach dem Leistungseingang (In) der Getriebestufe eine Doppelkupplung (K1) angeordnet ist, die mit einem ersten Kupplungspfad (KB) mit dem ersten Planetenträger (1.2) des ersten Planetensatzes (1) und mit einem zweiten Kupplungspfad (KC) mit dem zweiten Hohlrad (2.3) des zweiten Planetensatzes (2) koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4.1) der E-Maschine (4) mit einem ersten Hohlrad (1.3) eines ersten Planetensatzes (1) und einem zweiten Planetenträger (2.2) eines zweiten Planetensatzes (2) verbunden ist und dass der erste Planetensatz (1) eingansseitig angeordnet ist, dass sich an den zweiten Planetensatz (2) ausgangsseitig ein dritter Planetensatz (3), aufweisend ein drittes Sonnenrad (3.1), dritte Planeten, einen dritten Planetenträger (3.2), ein drittes Hohlrad (3.3), anschließt, dessen dritter Planetenträger (3.2) den Leistungsausgang (OUT) der Getriebestruktur bildet, wobei ein zweites Sonnenrad (2.1) des zweiten Planetensatzes (2) mit den dritten Sonnenrad (3.1) des dritten Planetensatzes (3) gekoppelt ist.
  2. Getriebestruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebestruktur ein erstes Kupplungselement (KE) aufweist, mit dem der zweite Planetensatz (2) verblockbar ist und dieser zweite Planetensatz (2) eine Standübersetzung von näherungsweise 2 aufweist und/oder dass die Getriebestruktur ein zweites Kupplungselement (KD) aufweist, mit dem der dritte Planetensatz (3) verblockbar ist.
  3. Getriebestruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kupplungselement (KE) einerseits zwischen dem zweiten Sonnenrad (2.1) des zweiten Planetensatzes (2) und dem zweiten Hohlrad (2.3) des zweiten Planetensatzes (2) verbindbar ist und/oder dass das zweite Kupplungselement (KD) zwischen der dritten Sonne (3.1) und dem dritten Hohlrad (3.3) des dritten Planetensatzes (3) angeordnet ist.
  4. Getriebestruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kupplungselement (KE) elektrisch, hydraulisch, hydrostatisch oder mittels einer Zugstange oder Schubstange aktuierbar ist und dass eine wirkende Aktuierkraft mittels einer Trennwand abstützbar ist.
  5. Getriebestruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Neutralgang aufweist, in welchem mindestens einer der Kupplungspfade KB oder KC der Doppelkupplung (K1) betätigt ist und der Verbrennungsmotor mit dem Elektromotor (4) gekoppelt ist und eine Ladefunktion realisierbar ist und dass diese einen als rein elektrischen Fahrgang oder Segelgang oder Rekuperationsgang genutzten Betriebsmodus aufweist, der je nach Ladezustand einer mit dem Elektromotor (4) gekoppelten Batterie schaltbar ist, in welchem der erste Kupplungspfad (KB) und der zweite Kupplungspfad (KC) geöffnet sind.
  6. Getriebestruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass diese in ein Getriebe mit integrierter E-Maschine (4) integriert ist, wobei das Getriebe oder die Getriebestruktur mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, welche Signale über den Fahrzeugzustand und über den Fahrerwunsch erhält und welche Signale zur Ansteuerung der Schaltelemente und die E-Maschine (4) erzeugt.
  7. Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, aufweisend einen Triebstrang mit einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridantrieb ein Getriebe beinhaltend eine Getriebestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit integrierter E-Maschine (4) sowie eine mit dem Getriebe verbundene elektrische Energiespeichereinrichtung aufweist.
  8. Hybridantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Hybridantrieb bei Geschwindigkeiten unter 20 km/h und Beschleunigungspedalbetätigung unter 50% durch den Fahrer ein rein elektrisches Fahren erfolgt, und bei Geschwindigkeiten über 50 km/h oder maximaler Beschleunigungspedalbetätigung durch den Fahrer ein elektrisches und verbrennungsmotorisches Fahren realisierbar ist.
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