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Die Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung für ein Hybridfahrzeug, bei welcher ein Anschluss für eine Verbrennungskraftmaschine, ein Anschluss für eine elektrische Maschine und ein einen Ravigneaux-Planetenradsatz umfassender Getriebeteil miteinander koppelbar angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebsanordnung, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsanordnung und ein Hybridfahrzeug mit einer solchen Antriebsanordnung. Im Folgenden wird anstelle des Begriffs „Ravigneaux-Planetenradsatz“ vereinfachend der Begriff „Ravigneaux-Satz“ verwendet.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits mehrgängige, hybridisierte Getriebe bekannt, an welche ein Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine mechanisch ankoppelbar sind.
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Aus der
DE 10 2014 223 339 A1 sind eine Drehmomentübertragungsvorrichtung sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb bekannt. Die Vorrichtung ist dabei insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen und weist eine Eingangswelle, welche mit einer Brennkraftmaschine drehverbindbar ist, zwei Planetengetriebesätze, eine Abtriebswelle, eine Elektromaschine, eine Bremseinrichtung sowie drei Trennkupplungen auf. Dabei weisen beide Planetengetriebesätze jeweils ein eigenes Hohlrad auf.
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Die
DE 10 2014 201 254 A1 offenbart eine Getriebeanordnung und einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug sowie ein entsprechendes Hybridfahrzeug. Die Getriebeanordnung umfasst dabei eine mit einer Eingangswelle verbundene elektrische Maschine, eine mit einem Verbrennungsmotor verbindbare Verbrennungsmotor-Eingangswelle, eine Ausgangswelle sowie einen Ravigneaux-Satz, dessen Steg mittels einer Bremse an einem Getriebegehäuse festlegbar ist. Die Getriebeanordnung zeichnet sich durch eine schaltbare Kupplungsanordnung aus, mittels welcher der Steg und eine zweite Sonne des Ravigneaux-Satzes sowie die Verbrennungsmotor-Eingangswelle selektiv miteinander drehmomentübertragend koppelbar sind. Weiterhin weist die Getriebeanordnung eine Hilfswelle auf, welche die Getriebeanordnung als koaxiale Zentralwelle in ihrer Länge durchsetzt. Die Hilfswelle steht einerseits mit der Bremse und andererseits mit der schaltbaren Kupplungsanordnung in Wechselwirkung. Damit können insbesondere die Verbrennungsmotor-Eingangswelle, eine Welle der zweiten Sonne und die Hilfswelle jeweils paarweise miteinander verbunden werden. Es können auch alle drei Wellen simultan miteinander verbunden werden. Weiterhin existiert auch eine Neutralstellung, sodass sich mittels der schaltbaren Kupplungseinheit fünf Schaltstellungen realisieren lassen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen effizienten und komfortablen Betrieb eines Hybridfahrzeugs zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung sowie in den abhängigen Patentansprüchen und in den Figuren angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung für ein Hybridfahrzeug sind ein Anschluss für eine Verbrennungskraftmaschine, ein Anschluss für eine elektrische Maschine und ein Getriebeteil miteinander koppelbar angeordnet. Der Getriebeteil umfasst dabei eine erste und eine zweite Kupplung, eine erste und eine zweite Bremse sowie einen Ravigneaux-Satz. Dieser ist aufgebaut aus genau einem Hohlrad, einem ersten und einem zweiten Sonnenrad, einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz und einem Planetenradträger, an welchem die beiden Planetenradsätze drehbar gelagert sind. In üblicher Weise kämmen dabei jeweils ein Sonnenrad und ein Planetenradsatz sowie die beiden Planetenradsätze miteinander und einer der Planetenradsätze mit dem umgebenden Hohlrad. Der Anschluss für eine Verbrennungskraftmaschine ist über die erste Kupplung an das erste Sonnenrad und über die zweite Kupplung an den Planetenradträger koppelbar. Mit koppelbar ist hier gemeint, dass der Koppelzustand oder Kopplungszustand von dem Schaltzustand der jeweiligen Kupplung abhängig ist. Der Anschluss für eine elektrische Maschine ist mechanisch an das erste Sonnenrad gekoppelt und über die erste Kupplung an den Anschluss für die Verbrennungskraftmaschine koppelbar. Die erste Bremse ist zum lösbaren Festlegen des Planetenradträgers eingerichtet und die zweite Bremse ist zum lösbaren Festlegen des zweiten Sonnenrads eingerichtet. Das Hohlrad bildet einen Abtrieb der Getriebeanordnung oder ist mit einem Abtrieb drehmomentübertragend koppelbar, verbindbar oder drehverbindbar.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einem Hybridfahrzeug insbesondere ein Kraftfahrzeug zu verstehen, welches eine Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Maschine - insbesondere einen Elektromotor - aufweist und mittels der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Elektromotors für eine Fortbewegung des Hybridfahrzeugs angetrieben werden kann. Die Anschlüsse für die Verbrennungskraftmaschine und die elektrische Maschine (E-Maschine) können beispielsweise entsprechende Wellen oder Aufnahmen für entsprechende Wellen umfassen. Insbesondere kann der Anschluss für die Verbrennungskraftmaschine zum drehmomentübertragenden Verbinden mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen und eingerichtet sein. Der Anschluss für die E-Maschine kann insbesondere zum Verbinden oder Anschließen einer Rotorwelle der E-Maschine vorgesehen und eingerichtet sein.
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Es soll hier aber nicht ausgeschlossen sein, dass zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Getriebeteil und/oder zwischen der E-Maschine und dem Getriebeteil weitere Bauteile angeordnet oder vorgesehen sein können. Eine koppelbare Anordnung oder eine Koppelbarkeit zweier Bauteile oder Komponenten bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere, dass die beiden Komponenten so angeordnet und/oder eingerichtet sind, dass mittels eines bestimmungsgemäßen Schalt- oder Bedienvorgangs eines Schaltelements eine, insbesondere ununterbrochene oder durchgehende oder durchgängige, mechanische Verbindung der beiden Komponenten herstellbar ist, wobei die Verbindung insbesondere auch zum Übertragen von Rotationsbewegungen, Drehmomente und/oder Kräften zwischen den beiden Komponenten geeignet ist. Eine solche Verbindung kann vorliegend beispielsweise je nach Schaltstellung der ersten und/oder der zweiten Kupplung hergestellt oder gelöst werden oder sein.
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Die mechanische Kopplung der E-Maschine an das erste Sonnenrad erfolgt hier jedoch nicht über oder mittels einer Kupplung. Vielmehr besteht eine direkte oder indirekte, jedenfalls aber durchgehende oder durchgängige zum Übertragen eines Drehmoments ausgelegte mechanische Verbindung oder Drehverbindung zwischen der E-Maschine oder der Rotorwelle der E-Maschine und dem ersten Sonnenrad. Weiterhin soll klargestellt sein, dass eine Verbindung oder Kopplung eines Bauteils oder mit einem Bauteil sich insbesondere auch auf eine entsprechende Welle oder Achse des jeweiligen Bauteils beziehen kann. So ist es selbstverständlich, dass beispielsweise die E-Maschine mechanisch nicht mit einem beliebigen Punkt des ersten Sonnenrads, sondern mit dessen Welle oder Rotationsachse gekoppelt ist. In entsprechender Weise wird aus dem jeweiligen Zusammenhang für den Fachmann eindeutig entnehmbar und verständlich sein, wann mit einem ein Bauteil bezeichnenden Begriff das Bauteil im Ganzen oder Allgemeinen oder insbesondere dessen Welle oder Achse gemeint ist. Dies kann insbesondere für Zahnräder, drehende oder drehbare Komponenten und Begriffe gelten, wie beispielsweise für die das Hohlrad, das erste Sonnenrad, das zweite Sonnenrad, ein Planetenrad oder einen Planetenradsatz, die E-Maschine und/oder die Verbrennungskraftmaschine.
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Die erfindungsgemäße Getriebeanordnung kann vorteilhaft für einen Antrieb oder in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs eingesetzt oder verwendet werden und erlaubt oder ermöglicht dann unterschiedliche Fahr- oder Betriebsmodi des Hybridfahrzeugs. Diese können beispielsweise ein rein elektrisches Fahren, ein rein verbrennungsmotorische Fahren, und/oder einen hybridischen Antriebs- oder Fahrbetrieb umfassen, wobei in letzterem beispielsweise sowohl durch die Verbrennungskraftmaschine als auch durch die E-Maschine ein Dreh- oder Antriebsmoment aufgebracht oder beigesteuert werden kann. Es kann aber auch ein Fahr- oder Betriebsmodus vorgesehen sein, in dem die E-Maschine generatorisch betrieben wird. Dazu kann die Getriebeanordnung so eingerichtet sein und/oder geschaltet werden, dass an dem Anschluss für die E-Maschine eine in einer entsprechenden Drehrichtung rotierende Achse, Welle oder Aufnahme bereit steht.
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Durch den beschriebenen Aufbau oder die beschriebene Struktur der Getriebeanordnung ergibt sich besonders vorteilhaft ein minimaler Bauteil- und Herstellungsaufwand, wodurch vorteilhaft Kosten und Gewicht eingespart oder minimiert werden können. Besonders vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass jeweils lediglich genau ein Hohlrad und eine E-Maschine oder eine Verwendung genau einer E-Maschine in oder an der Getriebeanordnung benötigt wird oder vorgesehen ist. Durch die Auslegung der Getriebeanordnung für einen Betrieb unter Verwendung einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Verbrennungsmotors und einer E-Maschine oder eines Elektromotors, insbesondere also durch die hier beschriebene Anbindung der E-Maschine an die Getriebeanordnung, lässt sich besonders vorteilhaft bei einem Betrieb oder Fahrbetrieb des Hybridfahrzeugs eine signifikante Verbrauchs- und Emissionsreduzierung gegenüber einem mit einem herkömmlichen Antriebsstrang ausgestatteten Kraftfahrzeug erzielen. Weiterhin lassen sich mit der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung besonders günstig verteilte Gänge und Gangabstufungen realisieren, welche ein verbessertes, komfortables und ökonomisches Fahren und Anfahren bieten oder ermöglichen. Zudem können besonders vorteilhaft jeweilige mechanische Bauteilbelastungen und ein entsprechender Verschleiß möglichst gering gehalten oder minimiert werden, da beim Betrieb der Getriebeanordnung beispielsweise besonders geringe Drehzahl- und Momentenbelastungen der Schaltelemente und Verzahnungsteile auftreten. Dies ermöglicht vorteilhaft eine leichtere, preiswertere, kompaktere und langlebigere Konstruktion der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung gegenüber herkömmlichen oder aus dem Stand der Technik bekannten vergleichbaren Getriebeanordnungen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Getriebeanordnung acht Betriebsmodi oder Gänge aufweist. Diese umfassen vorliegend vier verbrennungsmotorische oder hybridische Betriebsmodi, zwei elektromotorische Betriebsmodi, einen variablen Fahrbereich (eCVT-Betriebsmodus, eCVT: electronic continuously variable transmission) und einen Standladebetriebsmodus. In den verbrennungsmotorischen oder hybridischen Betriebsmodi kann eine anteilige Antriebsleistung für das Hybridfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt werden, wobei die E-Maschine einen Beitrag oder Anteil liefern kann. In den elektromotorischen Betriebsmodi wird die zum Vortrieb des Hybridfahrzeugs aufgewendete oder verwendete Antriebsleistung ausschließlich von der E-Maschine erzeugt oder bereitgestellt. In dem eCVT-Betriebsmodus kann beispielsweise von oder mittels der Verbrennungskraftmaschine und der E-Maschine jeweils eine Drehzahl vorgegeben oder eingestellt werden, woraus sich selbsteinstellend eine Ausgangsdrehzahl und/oder einen Ausgangsmoment am Abtrieb der Getriebeanordnung ergibt. Dabei kann das zum Vortrieb des Hybridfahrzeugs verwendete Antriebsmoment vollständig oder größtenteils von der Verbrennungskraftmaschine erzeugt oder bereitgestellt werden. Die E-Maschine kann dabei in Abhängigkeit von einem jeweils aktuell anliegenden Drehzahlbereich generatorisch oder motorisch betrieben werden. Auf Grund einer konkreten Verschaltung der Planetenradsätze oder des Ravigneaux-Satzes kann sich drehzahlabhängig eine positive oder negative Drehrichtung der E-Maschine ergeben. Je nach Drehrichtung gibt es also generatorische und motorische Betriebsbereiche der E-Maschine.
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Der eCVT-Betriebsmodus oder Gang kann also als vollwertiger Gang oder Fahrgang genutzt werden. Dies ist insbesondere auch dann möglich, wenn eine elektrisch mit der E-Maschine verbundene Traktionsbatterie des Hybridfahrzeugs leer ist oder keine zum Antreiben des Hybridfahrzeugs ausreichende elektrische Spannung oder Leistung liefern kann.
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Bevorzugt kann die Getriebeanordnung so eingerichtet oder aufgebaut sein, dass sich in dem eCVT-Betriebsmodus eine relativ kurze Übersetzung ergibt, sodass eine besonders hohe Zugkraft beim Fahren und Anfahren bereitsteht oder verfügbar ist. Dies ermöglicht besonders vorteilhaft ein komfortables und zuverlässiges Fahren und Anfahren des Hybridfahrzeugs insbesondere auch in einem beladenen oder beispielsweise durch eine Anhängelast belasteten Zustand. Im generatorischen Betrieb kann die E-Maschine die Traktionsbatterie des Fahrzeugs laden. Dies kann besonders vorteilhaft zu einer Erhöhung oder Vergrößerung einer Reichweite des Fahrzeugs führen. Vorteilhaft kann der eCVT-Betriebsmodus beispielsweise für einen Stopp-and-Go Betrieb oder ein Kriechen ausgelegt sein.
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Im Standladebetriebsmodus kann die E-Maschine als von der Verbrennungskraftmaschine gespeister oder angetriebener Generator zum Aufladen der Traktionsbatterie oder eines sonstigen Energiespeichers oder auch zum Erzeugen einer Nutzspannung an einem elektrischen Ausgang oder Anschluss betrieben werden. Hier kann besonders vorteilhaft die Verbrennungskraftmaschine dauerhaft in einem besonders effizienten Bereich oder Zustand betrieben werden.
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Insgesamt bietet die erfindungsgemäße Getriebeanordnung somit vorteilhaft besonders flexible und für unterschiedliche Fahr- und Betriebssituationen geeignete Betriebsmodi. Durch die besonders vorteilhaften Gangabstufungen sowie die umfangreiche und flexibel einsetzbare Auswahl von Betriebsmodi kann die Getriebeanordnung insgesamt besonders vorteilhaft genutzt werden, insbesondere hinsichtlich einer erzielbaren Werten eines Leistungsspektrums, eines Drehmomentspektrums, einer Drehzahl und eines Gesamtwirkungsgrad eines Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs beziehungsweise des gesamten Hybridfahrzeugs.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass Getriebeanordnung zwei elektromotorische Betriebsmodi aufweist, wobei ein Verhältnis von deren Übersetzungsverhältnissen weniger als 2,5, bevorzugt zwischen 1 und 2, besonders bevorzugt zwischen 1,2 und 1,8, beträgt. Es ist hier also ein relativ kleiner Stufensprung zwischen den beiden elektromotorischen Betriebsmodi vorgesehen. Dies ermöglicht besonders vorteilhaft eine besonders gute Fahr- und Schaltarbeit sowie eine besonders hohe Effizienz beim Betrieb der Getriebeanordnung und/oder des Hybridfahrzeugs. Auch kann so vorteilhaft ein verfügbares Drehzahlspektrum der E-Maschine optimal ausgenutzt werden. Die beiden hier genannten elektromotorischen Betriebsmodi können die zwei im Zusammenhang mit dem Patentanspruch 2 genannten elektromotorischen Betriebsmodi sein oder diesen entsprechen.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Getriebeanordnung einen eCVT-Betriebsmodus aufweist, in welchem bei einem Anschluss einer elektrischen Maschine an den Anschluss für eine elektrische Maschine diese je nach Drehzahl generatorisch oder motorisch betrieben wird: Dieser eCVT-Betriebsmodus oder Gang kann der eCVT-Betriebsmodus sein, welcher im Zusammenhang mit dem Patentanspruch 2 beschrieben ist, oder diesem entsprechen.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Anschluss für eine Verbrennungskraftmaschine über ein Dämpferschwungrad, insbesondere ein Zweimassenschwungrad, an den Getriebeteil gekoppelt ist. Das Dämpferschwungrad kann dabei auch an einer von dem Getriebeteil abgewandten Seite des Anschlusses für eine Verbrennungskraftmaschine angeordnet sein oder angeordnet werden. Es kann dabei eine Primärschwungmasse des Dämpferschwungrad auf einer der anzuschließenden oder anschließbaren Verbrennungskraftmaschine zugewandten Seite und eine Sekundärschwungmasse des Dämpferschwungrad auf einer dem Getriebeteil zugewandten Seite angeordnet. Durch diese Anordnung kann vorteilhaft ein Massenträgheitsmoment der drehenden Getriebeteile erhöht werden. Die beiden Schwungmassen können beispielsweise durch entsprechende Federelemente miteinander verbunden werden oder sein, wodurch vorteilhaft eine Resonanzfrequenz des Dämpferschwungrad signifikant gesenkt werden kann. Somit kann eine Anregung insbesondere durch eine Leerlaufdrehzahl aber auch durch eine Fahrdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine oder potenziell anregender Motorordnungen vermieden oder minimiert werden. Der Einsatz des Zweimassenschwungrades ermöglicht besonders vorteilhaft eine effiziente und mit geringem Bauteilaufwand zu realisierende Drehschwingungsentkopplung der Verbrennungskraftmaschine vom Antriebsstrang, wobei vorteilhaft auf ein zusätzliches Dämpferelement verzichtet werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Anschluss für eine elektrische Maschine über eine Stirnradstufe an den Getriebeteil gekoppelt ist. Die Stirnradstufe kann dabei ein als Stirnrad ausgebildetes Zahnrad oder mehrere als jeweils als Stirnrad ausgebildete Zahnräder umfassen. Durch die Stirnradstufe wird eine flexible oder angepasste räumliche Anordnung der E-Maschine relativ zu dem Getriebeteil ermöglicht. Dadurch kann besonders vorteilhaft eine besonders kompakte Anordnung realisiert und somit ein insgesamt für den Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs benötigter Bauraum minimiert werden. Insbesondere ist es so vorteilhaft nicht notwendig, die E-Maschine derart anzuordnen, dass ihre Rotorwelle in Längsrichtung mit einer Welle des Getriebeteil fluchtet. Alternativ zu der Stirnradstufe kann auch beispielsweise eine Kette, ein Zahnriemen oder ein vergleichbares Mittel zum Übertragen und/oder Umlenken eines Moments zwischen der Drehmaschine und der Getriebeanordnung verwendet werden. Zudem wird durch die Stirnradstufe eine optimale Anpassung an einen vorgesehenen, verfügbaren oder beispielsweise hinsichtlich einer Effizienz optimalen Drehzahlbereich der E-Maschine ermöglicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Anschluss für eine elektrische Maschine derart räumlich angeordnet ist, dass bei einem Anschluss einer elektrischen Maschine hieran eine Rotorwelle der angeschlossenen elektrischen Maschine echtparallel zu einer Welle des Ravigneaux-Satzes und einer angetriebenen Achse des Hybridfahrzeugs angeordnet ist. Damit lässt sich vorteilhaft eine besonders kompakte und platzsparende Anordnung realisieren. Eine derartige Anordnung kann auch als Quergetriebe oder Querkonzept bezeichnet werden und ist insbesondere dann, wenn in axialer Richtung in dem jeweiligen Hybridfahrzeug nur ein eng begrenzter Bauraum zur Verfügung steht, besonders vorteilhaft einsetzbar.
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Eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung umfasst eine erfindungsgemäße Getriebeanordnung sowie eine Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Maschine. Dabei ist die Verbrennungskraftmaschine an den Anschluss für eine Verbrennungskraftmaschine der Getriebeanordnung bestimmungsgemäß, insbesondere schaltbar drehmomentübertragend, angeschlossen und die elektrische Maschine ist bestimmungsgemäß an den Anschluss für eine elektrische Maschine der Getriebeanordnung angeschlossen. Auch über diesen Anschluss der elektrischen Maschine kann ein Drehmoment übertragen werden. Mit anderen Worten ist somit hier also eine Gesamtanordnung aus der Getriebeanordnung und jeweils einer mit dieser drehverbundenen Verbrennungskraftmaschine und elektrischen Maschine vorgesehen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, welche eine erfindungsgemäße Getriebeanordnung umfasst, kann einen oder mehrere oder alle der nachfolgenden aufgeführten acht Verfahrensschritte oder Vorgänge umfassen. Diese können dabei auch miteinander kombiniert und/oder in beliebiger Abfolge ausgeführt oder durchgeführt werden. Für einen ersten verbrennungsmotorischen oder hybridischen Betriebsmodus wird die erste Kupplung geschlossen und die erste Bremse blockiert. Für einen zweiten verbrennungsmotorischen oder hybridischen Betriebsmodus wird die erste Kupplung geschlossen und die zweite Bremse blockiert. Für einen dritten verbrennungsmotorischen oder hybridischen Betriebsmodus werden die erste und die zweite Kupplung geschlossen. Für einen vierten verbrennungsmotorischen oder hybridischen Betriebsmodus werden die zweite Kupplung geschlossen und die zweite Bremse blockiert. Für einen ersten elektromotorischen Betriebsmodus wird die erste Bremse blockiert. Für einen zweiten elektromotorischen Betriebsmodus wird die zweite Bremse blockiert. Für einen eCVT-Betriebsmodus wird die zweite Kupplung geschlossen. Für einen Standladebetriebsmodus wird die erste Kupplung geschlossen.
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Bei diesen Verfahrensschritten oder Vorgängen ist es jeweils vorgesehen, dass die jeweils nicht genannten Schaltelemente, das heißt also die jeweils nicht genannten Bremsen und/oder Kupplungen, offen sind. Eine offene Bremse ist so geschaltet oder eingestellt, dass ein durch diese Bremse bei einem Schließen oder Blockieren der Bremse festlegbares Bauteil frei, das heißt nicht durch die Bremse behindert oder eingeschränkt rotieren kann. Eine offene Kupplung ist so geschaltet, angeordnet oder eingestellt, dass die über diese Kupplung miteinander koppelbaren Bauteile auch bei einer Rotation weder diese Rotation noch ein Moment aufeinander oder auf das jeweils andere Bauteil übertragen. Weiterhin ist es hier und ebenfalls allgemein im Sinne der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass durch ein Schließen einer Bremse der Getriebeanordnung jeweils nur genau ein Bauteil festgelegt oder blockiert wird. Beispielsweise wird durch ein Blockieren oder Schließen der zweiten Bremse nur das zweite Sonnenrad festgelegt, festgehalten oder blockiert, aber kein anderes drehbares Bauteil, insbesondere keine andere drehbare Achse oder Welle und kein anderes Zahnrad, der Getriebeanordnung. Ebenso sind über die beiden Kupplungen der Getriebeanordnung jeweils ausschließlich die beiden genannten Bauteile direkt miteinander koppelbar.
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Ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung, welche ihrerseits eine erfindungsgemäße Getriebeanordnung umfasst.
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Die bisher und im Folgenden beschriebenen Ausgestaltungen und jeweiligen Vorteile der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung, der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung und des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs sind jeweils wechselseitig entsprechend sinngemäß zwischen diesen übertragbar oder austauschbar. Dies gilt insbesondere auch für zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbare oder verwendete Bauteile und Einrichtungen.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Struktur einer Antriebsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Umsetzung der Struktur aus 1; und
- 3 eine tabellarische Übersicht möglicher Betriebsmodi einer Getriebeanordnung mit jeweiligen Schaltzuständen von Schaltelementen der Getriebeanordnung sowie entsprechenden beispielhaften Übersetzungen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur einer Antriebsanordnung 1, welche zusammengesetzt oder aufgebaut ist aus einer Getriebeanordnung 2, einer Verbrennungskraftmaschine 3 und einer elektrischen Maschine oder E-Maschine 4. Die Verbrennungskraftmaschine 3 ist vorliegend über ein Dämpferschwungrad, welches hier als Zweimassenschwungrad 5 ausgebildet ist, an die Getriebeanordnung 2 angeschlossen. Die E-Maschine 4 hingegen ist vorliegend über eine Stirnradstufe 6 an die Getriebeanordnung 2 angeschlossen.
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Die Getriebeanordnung 2 umfasst einen einfachen Ravigneaux-Satz mit einem ersten Planetengetriebe PG1 und einem zweiten Planetengetriebe PG2. Das erste Planetengetriebe PG1 umfasst ein erstes Sonnenrad oder eine erste Sonne und einen ersten Planetenradsatz. Das zweite Planetengetriebe PG2 umfasst ein zweites Sonnenrad oder eine zweite Sonne und einen zweiten Planetenradsatz. Der Ravigneaux-Satz umfasst darüber hinaus einen Planetenradträger, an welchem die beiden Planetenradsätze drehbar gelagert oder abgestützt sind, sowie einen mit dem zweiten Planetenradsatz, das heißt also mit dem Planetenradsatz des zweiten Planetengetriebes PG2 kämmendes Hohlrad. Im Folgenden wird der Planetenradsatz des ersten Planetenradgetriebe PG1 als erster Planetenradsatz und der Planetenradsatz des zweiten Planetengetriebes PG2 als zweiter Planetenradsatz bezeichnet. Die beiden Planetenradsätze können bevorzugt jeweils drei Planetenräder umfassen. Hierdurch kann sich ein optimales Gleichgewicht zwischen einem übertragbaren Moment und einer Bauraum- oder Konstruktionsanforderung der Planetengetriebe PG1, PG2 ergeben.
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Hervorzuheben ist, dass der Ravigneaux-Satz lediglich genau ein einziges Hohlrad aufweist. Dieses Hohlrad ist vorliegend mit einer Ausgangswelle oder einem Abtrieb 7 der Getriebeanordnung 2 beziehungsweise der Antriebsanordnung 1 verbunden. Mit anderen Worten wird hier also über das Hohlrad ein Ausgangs- oder Antriebsmoment bereitgestellt, welches dann beispielsweise zu einer angetriebenen Achse oder einem angetriebenen Rad des Hybridfahrzeugs geleitet wird.
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Die Getriebeanordnung umfasst weiterhin vier kraftschlüssige Schaltelemente, nämlich eine erste Kupplung K1, eine zweite Kupplung K2, eine erste Bremse B1 und eine zweite Bremse B2. Die beiden Kupplungen K1, K2 können jeweils beispielsweise als nasse Lamellenkupplung oder als trockene Scheibenkupplung ausgebildet sein. Alle vier Schaltelemente K1, K2, B1, B2 können jeweils zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand oder Schaltzustand reversibel hin und her geschaltet oder gestellt werden.
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Vorliegend ist mittels der ersten Bremse B1 der Planetenradträger oder Steg des Ravigneaux-Satzes festlegbar, festhaltbar oder blockierbar. Mittels der zweiten Bremse ist das zweite Sonnenrad, das heißt also das Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes PG2 festlegbar, fest haltbar oder blockierbar. Über die erste Kupplung K1 ist die Verbrennungskraftmaschine 3 vermittels des zwischengeschalteten Zweimassenschwungrads 5 mit dem ersten Sonnenrad, das heißt also mit dem Sonnenrad des ersten Planetengetriebes PG1, koppelbar. Ebenfalls an das erste Sonnenrad gekoppelt oder mit dem ersten Sonnenrad verbunden ist vermittels der Stirnradstufe 6 die E-Maschine 4. Demzufolge kann durch ein Schließen der ersten Kupplung K1 eine drehmomentübertragende mechanische Kopplung oder Verbindung der Verbrennungskraftmaschine 3 mit der E-Maschine 4 hergestellt werden. Die E-Maschine 4 ist dabei kupplungsfrei mit der ersten Sonnenrad verbunden. Dieser kupplungsfreie Anschluss der E-Maschine 4 stellt eine zumindest im Betrieb dauerhafte mechanische Verbindung oder Drehverbindung dar, wobei jedoch die E-Maschine 4 selbstverständlich zerstörungsfrei und reversibel aus der Antriebsanordnung 1 ausbaubar und somit von der Getriebeanordnung 2 trennbar ist. Über die zweite Kupplung K2 ist die Verbrennungskraftmaschine 3 - wiederum vermittels des Zweimassenschwungrads 5 - an den Planetenradträger koppelbar.
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Die anhand von 1 beschriebene Struktur oder der beschriebene Aufbau der Antriebsanordnung 1 lässt sich auch anhand einer in 2 schematisch dargestellten möglichen Anordnung der Antriebsanordnung 1 nachvollziehen. Es sind hier in einer alternativen Darstellung die bereits in 1 dargestellten und dort erläuterten Bauteile oder Komponenten dargestellt und entsprechend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Detaillierter dargestellt ist hier die Stirnradstufe 6, welche vorliegend beispielhaft drei Zahnräder umfasst. Durch die Stirnradstufe 6 wird es vorteilhaft ermöglicht, die E-Maschine 4 derart räumlich in Relation zu der Getriebeanordnung 2 anzuordnen, dass eine Rotorwelle 8 der E-Maschine 4 echtparallel zu einer zentralen Welle des Ravigneaux-Satzes angeordnet ist. Daraus ergibt sich die hier gezeigte besonders kompakte Anordnung der Antriebsanordnung 1. Die Rotorwelle 8 ist dabei auch achsparallel, das heißt parallel zu einer Achse oder Welle des Abtriebs oder zu der mittels der Antriebsanordnung 1 angetriebenen Achse des Hybridfahrzeugs angeordnet.
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Auch der Abtrieb 7 oder mit dem Hohlrad abtriebsseitig verbundene Komponenten sind hier etwas detaillierter dargestellt. So ist es vorliegend vorgesehen, dass auf einer von den Planetengetrieben PG1, PG2 abgewandten Seite des Hohlrads weitere Zahnräder und ein schematisch angedeutetes Differenzial angeordnet sind.
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Bis auf jeweils ein mit einer jeweils zentralen Strichpunktlinie gekennzeichnetes Zahnrad der Stirnradstufe 6 und der abtriebsseitigen Zahnradanordnung sind in der in 2 gezeigten Darstellungsform rotierende oder rottierbare Komponenten, insbesondere Zahnräder, lediglich durch eine waagerechte Linie angedeutet. Durch diese halbierte Darstellung ergibt sich eine verbesserte Übersichtlichkeit und der Erkennbarkeit.
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3 zeigt tabellarisch eine Übersicht von verfügbaren Betriebsmodi oder Gängen der in 1 und 2 schematisch dargestellten Antriebsanordnung 1. Diese Betriebsmodi sind hier in vertikaler Richtung untereinander in einer Kopfspalte der Tabelle aufgeführt. In einer Kopfzeile der Tabelle sind nebeneinander die vier kraftschlüssigen Schaltelemente K1, K2, B1, B2 aufgeführt. Zusätzlich ist in der Tabelle in einer letzten Spalte beispielhaft ein mögliches jeweiliges Übersetzungsverhältnis i der einzelnen Betriebsmodi aufgeführt. Dabei ist zu beachten, dass die konkret angegebenen Übersetzungsverhältnisse nicht für ein Funktionieren der Getriebeanordnung notwendig oder einzuhalten sind. Es können auch deutlich von den hier angegebenen Werten abweichende Übersetzungsverhältnisse realisiert werden. Insbesondere in Abhängigkeit von beispielsweise einer jeweiligen Fahrzeug-, Motor- und/oder Reifengröße kann eine Anpassung oder Variation der jeweiligen Übersetzungsverhältnisse vorgesehen und/oder notwendig sein.
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In einem ersten verbrennungsmotorischen Gang V1 sind die erste Kupplung K1 und die erste Bremse B1 geschlossen. Dies ist durch die Markierungen x in den entsprechenden Feldern V1-K1 und V1-B1 kenntlich gemacht. Die beiden anderen leeren Felder in der Zeile des ersten verbrennungsmotorischen Gangs V1, nämlich die Felder V1-K2 und V1-B2, zeigen an, dass die zweite Kupplung K2 und die zweite Bremse B2 gelöst oder offen sind. In analoger Weise sind auch die übrigen Tabelleneinträge zu verstehen. Vorliegend sind also die Verbrennungskraftmaschine 3 und die E-Maschine 4 drehmomentübertragend mit dem ersten Sonnenrad gekoppelt, wobei der Planetenradträger durch die geschlossene erste Bremse B1 festgelegt, festgehalten oder fixiert ist. Es muss also zwangsläufig die zweite Kupplung K2 offen sein, um einen Drehmomentübertrag von der Verbrennungskraftmaschine auf den fixierten Planetenradträger zu verhindern. Es ergibt sich hier beispielhaft ein Übersetzungsverhältnis von 12,03.
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In einem zweiten verbrennungsmotorischen Gang V2 sind die erste Kupplung K1 und die zweite Bremse B2 geschlossen. Auch hier sind also die Verbrennungskraftmaschine 3 und die E-Maschine 4 drehmomentübertragend mit dem ersten Sonnenrad gekoppelt, wobei jedoch nunmehr das zweite Sonnenrad durch die zweite Bremse B2 festgehalten ist und der Planetenradträger drehen kann. Es ergibt sich für den zweiten verbrennungsmotorischen Gang V2 beispielhaft ein Übersetzungsverhältnis von 8,20.
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In einem dritten verbrennungsmotorischen Gang V3 sind die beiden Kupplungen K1 und K2 geschlossen, woraus sich hier beispielhaft ein Übersetzungsverhältnis von 5,85 ergibt. Dabei überträgt die Verbrennungskraftmaschine 3 sowohl über die zweite Kupplung K2 ein Drehmoment auf den Planetenradträger als auch über die erste Kupplung K1 auf das erste Sonnenrad. Der Ravigneaux-Satz wird somit verblockt oder läuft als Block um. Dies ist ein vorteilhafter, besonders effizienter Zustand oder Betrieb, da es dabei keine zueinander drehenden oder wälzenden Bauteile, insbesondere Zahnräder, gibt.
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In den drei verbrennungsmotorischen Gängen V1, V2, V3 werden die Verbrennungskraftmaschine 3 und die E-Maschine 4 parallel betrieben, das heißt sowohl die Verbrennungskraftmaschine 3 als auch die E-Maschine 4 können zu einem Gesamtantriebsmoment beitragen.
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In einem vierten verbrennungsmotorischen Gang V4 sind die zweite Kupplung K2 und die zweite Bremse B2 geschlossen. Dabei wird das Antriebsmoment einerseits von der Verbrennungskraftmaschine 3 über den Planetenradträger des Ravigneaux-Satzes und andererseits von der E-Maschine 4 über ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis zusammengeführt. Das Übersetzungsverhältnis kann dabei durch eine Auslegung des Ravigneaux-Satzes bestimmt oder vorgegeben sein. Dabei ergibt sich hier beispielshaft für den vierten verbrennungsmotorischen Gang V4 ein Übersetzungsverhältnis von 3,63.
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In den Gängen V1, V2, V3, V4 ist ein Boost- oder Rekuperationsbetrieb der E-Maschine 4 möglich. Im Boostbetrieb erfolgt der Antrieb des Hybridfahrzeugs durch die Verbrennungskraftmaschine 3 und die E-Maschine 4, wie an den entsprechenden Stellen beschrieben. Die Rekuperation ist durch analogen generatorischen Betrieb der E-Maschine 4 möglich.
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In einem ersten elektromotorischen Gang E1 ist nur die erste Bremse B1 geschlossen, sodass also nur der Planetenradträger oder Steg festgehalten ist. In einem zweiten elektromotorischen Gang E2 ist nur die zweite Bremse B2 geschlossen, sodass also das zweite Sonnenrad fixiert ist. In beiden elektromotorischen Gängen E1, E2 sind also insbesondere die erste Kupplung K1 und zweite Kupplung K2 offen, sodass die Verbrennungskraftmaschine 3 von der Getriebeanordnung 2 entkoppelt ist. In den beiden elektromotorischen Gängen E1, E2 wird als das gesamte Antriebsmoment von der E-Maschine 4 bereitgestellt. Aus den vorliegend gewählten Übersetzungsverhältnissen des ersten elektromotorischen Gangs E1 von 14,54 und des zweiten elektromotorischen Gangs E2 von 9,90 ergibt sich ein Stufensprung zwischen den beiden elektromagnetischen Gängen von etwa 1,47, woraus sich vorteilhaft eine besonders gute Fahr- und Schaltarbeit und Effizienz ergibt.
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In einem eCVT-Gang ist nur die zweite Kupplung K2 geschlossen. In diesem Betriebsmodus kann die E-Maschine 4 generatorisch oder motorisch betrieben werden. Die E-Maschine 4 stützt generatorisch oder motorisch das durch die Verbrennungskraftmaschine 3 auf den Ravigneaux-Satz aufgebrachte Moment ab. Damit ergibt sich im ersten Planetenradsatz ein Momentengleichgewicht und es kann eine Leistungsverzweigung erreicht werden. Mit anderen Worten kann also beispielsweise eine an die E-Maschine 4 angeschlossene Traktionsbatterie des Hybridfahrzeugs im eCVT-Betriebsmodus auch während einer Fahrt des Hybridfahrzeugs aufgeladen werden.
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In einem Standladebetriebsmodus SL ist nur die erste Kupplung K1 geschlossen. Damit ist also die Verbrennungskraftmaschine über die erste Kupplung K1 mit der E-Maschine 4 drehmomentübertragend oder leistungsübertragend gekoppelt. In diesem Betriebsmodus wird die E-Maschine 4 ebenfalls generatorisch, beispielsweise zum Aufladen der Traktionsbatterie des Hybridfahrzeugs, betrieben. Anders als im eCVT-Betriebsmodus ruht das Hybridfahrzeug im SL-Betriebsmodus jedoch und wird also nicht gefahren oder fortbewegt. Dieser Betriebsmodus kann zur besonders effizienten Reichweitenerhöhung des Hybridfahrzeugs verwendet werden. Dabei läuft der Ravigneaux-Satz kraftlos oder lastfrei mit, sodass auch der Abtrieb 7 lastfrei ist und es somit keine Auswirkungen oder Einflüsse des Betriebs der Antriebsanordnung 1 an oder auf die angetriebene Achse oder an das angetriebene Rad des Hybridfahrzeugs gibt. Dazu sind insbesondere beide Bremsen B1, B2 geöffnet, sodass innerhalb des Ravigneaux-Satzes kein Moment abgestürzt wird. Es werden hierbei lediglich Schleppverluste wirksam.
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Insgesamt ergibt sich mit der beschriebenen Anordnung und Verschaltung eine vorteilhaft besonders gleichmäßige Abstufung der einzelnen Gänge. So ergeben sich aus den in 3 tabellarisch aufgeführten Übersetzungsverhältnissen zwischen jeweils zweien der verbrennungsmotorischen Gänge V1, V2, V3, V4 Stufensprünge zwischen 1,4 und 1,61, während sich zwischen den beiden elektromotorischen Gängen E1, E2 ein ebenfalls in dieses Intervall fallender Stufensprung von etwa 1,47 ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014223339 A1 [0003]
- DE 102014201254 A1 [0004]
