DE102019130884A1

DE102019130884A1 - Schaltgetriebe mit drei Radebenen und angebundener elektrischer Maschine

Info

Publication number: DE102019130884A1
Application number: DE102019130884.4A
Authority: DE
Inventors: Dominik Hans
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltgetriebe (1) für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Antriebswelle (2), über welche Drehmoment einleitbar ist, wobei zwischen der Antriebswelle (2) und einer zur Drehmomentausleitung eingesetzten Abtriebswelle (16) eine erste Zwischenwelle (7) und eine zweite Zwischenwelle (10) in Abhängigkeit einer Schaltstellung von Koppelelementen (A1, A3, B, C, X) so in den Drehmomentfluss eingebunden sind, dass das Drehmoment über die erste Zwischenwelle (7) und/oder die zweite Zwischenwelle (10) geführt ist, wobei die Koppelelemente (A1, A3, B, C, X) bei der Drehmomentübertragung Zahnräder (5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, 19) mit der Antriebswelle (2), der ersten Zwischenwelle (7), der zweiten Zwischenwelle (10) und/oder der Abtriebswelle (16) verbinden, und wobei jeder Zwischenwelle (7, 10) eine elektrische Maschine (20) zugeordnet und so an die Zwischenwelle (7, 10) ankoppelbar ist, dass bei einer Zugkraftunterbrechung gezielt fehlendes Drehmoment zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Antriebswelle, über welche Drehmoment, beispielsweise von einer verbrennungsmotorisch antreibbaren Kurbelwelle, einleitbar ist, wobei zwischen der Antriebswelle und einer zur Drehmomentausleitung eingesetzten Abtriebswelle eine erste Zwischenwelle und eine zweite Zwischenwelle in Abhängigkeit einer Schaltstellung von Koppelelementen so in den Drehmomentfluss eingebunden sind, dass das Drehmoment über die erste Zwischenwelle und/oder die zweite Zwischenwelle geführt ist, und wobei die Koppelelemente bei der Drehmomentübertragung Zahnräder mit der Antriebswelle, der ersten Zwischenwelle, der zweiten Zwischenwelle und/oder der Abtriebswelle verbinden.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Schaltgetriebe für Hybrid-Kraftfahrzeuge bzw. Hybrid-Getriebestrukturen oder Hybridantriebsstränge bekannt. Beispielsweise ist in der DE 10 2010 010 436 A1 ein Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem mehrere Gangräderpaare aufweisenden Wechselgetriebe, das mindestens eine Antriebswelle/Eingangswelle und mindestens eine Abtriebswelle/Ausgangswelle umfasst, die mit einem primären Antrieb und/oder einem sekundären Antrieb koppelbar ist. Um den Hybridantriebsstrang, insbesondere im Hinblick auf den Herstellungsaufwand, zu verbessern, ist der sekundäre Antrieb drehfest mit einem ersten als Losrad ausgeführten Gangrad eines Gangräderpaares verbunden, das mit einem zweiten Gangrad desselben Gangräderpaares kämmt, das ebenfalls als Losrad ausgeführt ist.
Auch offenbart ein anderes Dokument DE 10 2011 008 036 A1 ein Hybridgetriebe, das mit einer Maschine funktional verbunden ist und ein Eingangselement, das mit der Maschine funktional verbunden ist, zumindest ein Zwischenelement und ein Ausgangselement umfasst. Mehrere selektiv einrückbare Drehmomentübertragungsmechanismen ermöglichen es, dass das Eingangselement selektiv funktional mit dem zumindest einen Zwischenelement durch die erste Zahnradanordnung mittels Einrückung unterschiedlicher Drehmomentübertragungsmechanismen eines ersten Satzes der Drehmomentübertragungsmechanismen verbunden sein kann. Ein einziger Motorgenerator ist funktional mit dem zumindest einen Zwischenelement verbindbar und ist selektiv funktional mit dem Ausgangselement auf zwei alternative Weisen durch die zweite Zahnradanordnung mittels selektiver Einrückung von zwei jeweiligen Drehmomentübertragungsmechanismen eines zweiten Satzes der Drehmomentübertragungsmechanismen verbunden, um zwei unterschiedliche Drehmomentverhältnisse zwischen dem zumindest einen Zwischenelement und dem Ausgangselement herzustellen. Der zweite Satz Drehmomentübertragungsmechanismen umfasst Doppelausgangskupplungen, die die zwei unterschiedlichen Drehmomentverhältnisse herstellen. Hierbei sind die Schaltelemente wegen der hohen Achsmomente jedoch sehr groß. Weiterhin ist es nicht möglich, die elektrische Maschine vollständig vom Abtrieb zu trennen.
Der Stand der Technik hat jedoch immer den Nachteil, dass leider während eines Gangwechsels Zugkraftunterbrechungen auftreten.
Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll ein Schaltgetriebe bereitgestellt werden, das konstant Drehmoment zur Verfügung stellt und mit dem es möglich ist, unabhängig von der eingelegten (Verbrenner-)Gangstufe elektrisch vorwärts und rückwärts zu fahren. Zusätzlich muss unabhängig von der eingelegten (Verbrenner-) Gangstufe ein Rekuperationsvorgang gewährleistet sein. Optional soll das Schaltgetriebe zudem ein Abkoppeln der elektrischen Maschine in hohen Gangstufen (ohne zusätzliche Aktorik) und Standladen ermöglichen sowie einen mechanischen Rückwärtsgang für einen Verbrennerbetrieb bereitstellen.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens einer der beiden Zwischenwellen eine elektrische Maschine zugeordnet und so an die Zwischenwelle ankoppelbar ist, dass bei einer Zugkraftunterbrechung gezielt fehlendes Drehmoment zuführbar ist.
Dies hat den Vorteil, dass beim Schaltvorgang bzw. Gangwechsel die elektrische Maschine Antriebsleistung in das Getriebe einspeisen kann, so dass an der Abtriebswelle/den Abtriebswellen konstant, ohne Unterbrechungen, Drehmoment zum Antrieb des Fahrzeugs vorliegt.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung können die Zahnräder in drei voneinander axial beabstandeten Radebenen angeordnet sind. Unter dem Begriff „Radebene“ wird dabei eine sich senkrecht zur Axialrichtung erstreckende Ebene bezeichnet, in welcher mehrere, auf unterschiedlichen Wellen angeordnete Zahnräder angeordnet sind, die miteinander in Eingriff stehen und dabei eine geschlossene Kette bilden. D.h. jene in axialer Richtung mittigen Querschnittsflächen (gebildet bei theoretischem Schnitt mit einer Radebene) der einzelnen Zahnräder einer bestimmten Radebene sind im Wesentlichen koplanar.
Vorzugsweise kann die elektrische Maschine über eine Übersetzungsstufe mit der ersten Zwischenwelle und/oder der zweiten Zwischenwelle wirkverbunden sein, wodurch die elektrische Maschine näher an ihrem optimalen Drehzahlbereich betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass eine Rotorwelle der elektrischen Maschine einen Achsversatz zu der Antriebswelle aufweist oder die Rotorwelle koaxial zu der Antriebswelle ausgerichtet ist. Durch diese Ausgestaltung kann der Bauraum des Schaltgetriebes optimal ausgenutzt werden und die Außenabmessungen können klein gehalten werden. Wenn die Rotorwelle einen Achsversatz zu der Antriebswelle aufweist, kann das Schaltgetriebe in axialer Richtung kurzgehalten werden. Wenn die Rotorwelle koaxial zu der Antriebswelle ausgerichtet ist, kann das Schaltgetriebe hingegen in radialer Richtung (senkrecht zu der axialen Richtung) klein dimensioniert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein auf der ersten Zwischenwelle und/oder der zweiten Zwischenwelle angeordnetes Zahnrad der Übersetzungsstufe als Losrad ausgebildet ist, welches über ein Koppelelement drehfest mit der ersten Zwischenwelle und/oder der zweiten Zwischenwelle verbindbar ist. Somit kann die elektrische Maschine konstruktiv einfach von der Zwischenwelle, und damit von dem Schaltgetriebe, abgekoppelt werden, so dass keine Limitierung der Höchstgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs durch die Maximaldrehzahl der elektrischen Maschine besteht.
Alternativ ist es auch denkbar, die elektrische Maschine von dem Schaltgetriebe abzukoppeln, indem ein Rotor der elektrischen Maschine drehbar auf der Rotorwelle gelagert ist und über das Koppelelement drehfest mit der Rotorwelle verbindbar ist oder dass ein auf der Rotorwelle angeordnetes Zahnrad der Übersetzungsstufe als Losrad ausgebildet ist, welches über das Koppelelement drehfest mit der Rotorwelle verbindbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann auf der Antriebswelle ein zusätzliches Losrad angeordnet sein, welches mit dem auf der Rotorwelle angeordneten Zahnrad der Übersetzungsstufe in Eingriff steht und über das Koppelelement drehfest mit der Antriebswelle verbindbar ist. Die direkte Anbindung der Rotorwelle an die Antriebswelle ermöglicht es, bei stehendem Kraftfahrzeug die elektrische Maschine direkt mit dem Verbrennungsmotor anzutreiben, um so die elektrische Maschine im Generatorbetrieb zu betreiben und eine zur Speicherung elektrischer Leistung in dem Kraftfahrzeug vorgesehene Batterie zu laden (Standladefunktion).
Alternativ kann zur Umsetzung der Standladefunktion auf der Rotorwelle der elektrischen Maschine ein axial verschiebliches Zahnrad angeordnet sein, welches durch axiales Verschieben in Eingriff mit einem der Zahnräder des Schaltgetriebes, insbesondere dem zweiten Antriebsrad, tritt. Es ist jedoch auch denkbar, dass zur Umsetzung der Standladefunktion auf der Rotorwelle der elektrischen Maschine ein zusätzliches Losrad angeordnet ist, welches über das Koppelelement drehfest mit der Rotorwelle verbindbar ist und mit einem der Zahnräder des Schaltgetriebes, insbesondere dem zweiten Antriebsrad, in Eingriff steht.
Erfindungsgemäß können alle Zahnräder einer Radebene als Festräder und alle Zahnräder der weiteren Radebenen als Losräder ausgeführt sein. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn alle Zahnräder einer ersten Radebene als Festräder ausgeführt sind und alle Zahnräder einer zweiten und dritten Radebene als Losräder ausgeführt sind. Somit können mit drei Radebenen bis zu 16 verschiedene Gangstufen realisiert werden, ohne dass die Außenabmessungen des Getriebes stark ansteigen.
Vorzugsweise kann die erste Radebene als Finaldrive-Radebene, d.h. für den Achsantrieb, ausgeführt sein. Dies ist insbesondere für die Erfüllung von speziellen Kundenwünschen von Vorteil.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das erfindungsgemäße Schaltgetriebe ferner mit einer koaxial zu der Abtriebswelle angeordneten Differentialwelle ausgestattet sein, welche drehfest mit einem Differential/Differentialgetriebe verbunden ist und Drehmoment von der ersten Zwischenwelle und/oder der zweiten Zwischenwelle auf die Abtriebswelle überträgt. Vorzugsweise können dabei auf der Differentialwelle zwei als Losräder ausgebildete Zahnräder angeordnet sein. Dies ist für eine gute Schaltbarkeit zweckmäßig.
Zudem ist es denkbar, dass die jeweils auf der ersten Zwischenwelle, der zweiten Zwischenwelle oder der Differentialwelle angeordneten Losräder der zweiten Radebene und der dritten Radebene über die Koppelelemente miteinander koppelbar sind.
Erfindungsgemäß können die Koppelelemente als Formschlusskupplungen mit Synchronisierung, insbesondere als Synchronringe, ausgeführt sein. Gerade solche Synchronringe lassen sich als Normteile kostengünstig bevorraten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann auf der Antriebswelle jeweils ein Losrad in der zweiten Radebene und in der dritten Radebene angeordnet sein. Ferner kann erfindungsgemäß auf der ersten Zwischenwelle und der zweiten Zwischenwelle sowie der Differentialwelle jeweils ein Losrad in der zweiten Radebene und in der dritten Radebene angeordnet sein. Dadurch lassen sich gewünschte Ganzahlen vorbestimmen.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung kann auf einer der beiden Zwischenwellen und der Differentialwelle lediglich ein Losrad in der zweiten Radebene und auf der anderen der beiden Zwischenwellen jeweils ein Losrad in der zweiten Radebene und in der dritten Radebene angeordnet sein. Dabei ist es denkbar, dass die auf der anderen der beiden Zwischenwellen in der zweiten Radebene und in der dritten Radebene angeordneten Lösrader als permanent drehfest gekoppeltes Doppellosrad ausgeführt sind.
Ferner ist es von Vorteil, wenn Achsen der Antriebswelle, der ersten Zwischenwelle, der zweiten Zwischenwelle und der Abtriebswelle parallel zueinander ausgerichtet sind.
Mit anderen Worten wird in dem erfindungsgemäßen Schaltgetriebe eine elektrische Maschine an der dem Verbrennungsmotor gegenüberliegenden Getriebeseite angeordnet. Dabei ist die Rotationsachse der elektrischen Maschine parallel zur Rotationsachse der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und parallel zu den Getriebewellen. Die elektrische Maschine ist indirekt, vorzugsweise über eine Stirnradstufe, mit einer der Zwischenwellen verbunden, wobei das Ritzel der Stirnradstufe mit der Rotorwelle der elektrischen Maschine in Wirkverbindung steht. Das Rad der Stirnradstufe steht wiederum mit der Zwischenwelle des Getriebes in Wirkverbindung und ist als Festrad ausgebildet. Alternativ ist das Rad der Stirnradstufe der elektrischen Maschine als Losrad ausgebildet. Dann wirkt zwischen dem als Losrad ausgebildeten Rad der Stirnradstufe der elektrischen Maschine und der Zwischenwelle eine Formschlusskupplung, welche zusätzlich eine Synchronisierung bzw. Schaltverhinderung aufweisen kann. Dabei steht die Formschlusskupplung mit der Schiebemuffe der auf derselben Zwischenwelle angeordneten Synchronisierung (Synchronisiervorrichtung) über eine Kopplungseinrichtung in Wirkverbindung. Die Schiebemuffe der Synchronisiervorrichtung kann drei Schaltstellungen einnehmen, wohingegen die Formschlusskupplung zwei Schaltstellungen einnehmen kann. Bei dieser Ausgestaltung ist die Kopplungseinrichtung zwischen der Schiebemuffe der Synchronisierung und einem zusätzlichen Übertragungselement angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Rotor der elektrischen Maschine auf der Rotorwelle drehbar gelagert und mit dieser koppelbar ausgeführt werden. Dabei kann optional das Ritzel der elektrischen Maschine als Los- oder Festrad ausgebildet sein. Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung kann auf der Getriebeeingangswelle/Antriebswelle ein weiteres Losrad angeordnet sein, welches auf der Getriebeeingangswelle mit dem Ritzel der elektrischen Maschine kämmt und mittels einer Formschlusskupplung mit der Getriebeeingangswelle gekoppelt werden kann. Dabei kann die Formschlusskupplung eine Synchronisierung bzw. Schaltverhinderung aufweisen und als Ziehkeilmechanismus innerhalb der Welle angeordnet sein. Die Verzahnungsbreite des weiteren Losrads ist im Verhältnis zum Ritzel der elektrischen Maschine dabei schmal ausgeführt. Alternativ kann erfindungsgemäß auf der Rotorwelle ein axial verschiebliches Zahnrad angeordnet sein, welches über eine Schiebeverzahnung mit der Rotorwelle drehfest und axial verschieblich verbunden ist. Zum Standladen wird das Zahnrad über eine axiale Verschiebung mit einem der Getriebezahnräder, vorzugsweise mit einem der Losräder der Getriebeeingangswelle, in Eingriff gebracht. In einer noch weiteren Ausgestaltung kann auf der Rotorwelle ein Losrad mit einer Klauenkupplung angeordnet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Schaltgetriebes nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine perspektivische Ansicht des Schaltgetriebes nach dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 eine weitere perspektivische Ansicht des Schaltgetriebes nach dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Ansicht des Schaltgetriebes nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
5-7 schematische und konstruktive Ansichten eines Anbindungsmechanismus einer elektrischen Maschine an das Schaltgetriebe nach dem zweiten Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Ansicht des Schaltgetriebes nach einem dritten Ausführungsbeispiel;
9 eine schematische Ansicht des Schaltgetriebes nach einem vierten Ausführungsbeispiel;
10 eine schematische Ansicht des Schaltgetriebes nach einem fünften Ausführungsbeispiel;
11-13 schematische Ansichten eines Ausschnitts des Schaltgetriebes nach dem fünften Ausführungsbeispiel für unterschiedliche Betriebszustände;
14 eine schematische Ansicht des Schaltgetriebes nach einem sechsten Ausführungsbeispiel; und
15 eine schematische Ansicht des Schaltgetriebes nach einem siebten Ausführungsbeispiel.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetauscht werden.
In 1 ist schematisch ein automatisches Schaltgetriebe 1 für ein Kraftfahrzeug nach einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Eingangsseitig ist dabei eine Antriebswelle 2 angeordnet, welche mittels einer Reibkupplung 3 drehfest mit einer Kurbelwelle 4 gekoppelt werden kann. Die Kurbelwelle 4 ist wiederum mit einem in dem Kraftfahrzeug als Antriebsquelle verbauten Verbrennungsmotor (in 1 nicht dargestellt) verbunden, so dass ein bei Betrieb des Verbrennungsmotors erzeugtes Drehmoment über die Kurbelwelle 4 und die Reibkupplung 3 auf die Antriebswelle 2 und das Schaltgetriebe 1 übertragen wird.
Auf der Antriebswelle 2 ist ein erstes Antriebsrad 5 und ein zweites Antriebsrad 6 angeordnet/gelagert. Das erste Antriebsrad 5 bzw. das zweite Antriebsrad 6 sind jeweils als Losräder ausgeführt und können dabei über entsprechende als Formschlusskupplungen mit Synchronisierung ausgeführte Koppelelemente (nachstehend einfach als „Formschlusskupplung“ bezeichnet) A1 und A3 drehfest mit der Antriebswelle 2 gekoppelt werden. D.h. wenn die Formschlusskupplung A1 bzw. A3 geschlossen wird, wird das Drehmoment der Antriebswelle 2 auf das erste Antriebsrad 5 bzw. das zweite Antriebsrad 6 übertragen.
Das erste Antriebsrad 5 steht in dem ersten Ausführungsbeispiel mit einem auf einer ersten Zwischenwelle 7 angeordneten und als Losrad ausgeführten ersten Zwischenwellenrad 8 in Eingriff. Das erste Zwischenwellenrad 8 ist über die Formschlusskupplung B drehfest und drehmomentübertragend mit der ersten Zwischenwelle 7 verbindbar. An einem getriebeeingangsseitigen Endabschnitt der ersten Zwischenwelle 7 ist ein als Festrad ausgeführtes Zwischenwellenfestrad 9 angeordnet. Dabei kann das Zwischenwellenfestrad 9 einstückig mit der ersten Zwischenwelle 7 ausgebildet sein oder dauerhaft, beispielsweise über eine Schweißverbindung, mit der ersten Zwischenwelle 7 verbunden sein.
Ferner steht das erste Antriebsrad 5 in dem ersten Ausführungsbeispiel mit einem auf einer zweiten Zwischenwelle 10 angeordneten und als Losrad ausgeführten zweiten Zwischenwellenrad 11 in Eingriff und das zweite Antriebsrad 6 steht mit einem auf der zweiten Zwischenwelle 10 angeordneten und als Losrad ausgeführten dritten Zwischenwellenrad 12 in Eingriff. Das zweite Zwischenwellenrad 11 und das dritte Zwischenwellenrad 12 sind dauerhaft drehfest miteinander als Doppellosrad 13 verbunden und drehmomentübertragend über die Formschlusskupplung C mit der zweiten Zwischenwelle 10 verbindbar. An einem getriebeeingangsseitigen Endabschnitt der zweiten Zwischenwelle 10 ist ein als Festrad ausgeführtes Zwischenwellenfestrad 14 angeordnet. Dabei kann das Zwischenwellenfestrad 14 einstückig mit der zweiten Zwischenwelle 10 ausgebildet sein oder dauerhaft, beispielsweise über eine Schweißverbindung, mit der zweiten Zwischenwelle 10 verbunden sein.
Wie in 1 zu erkennen ist, steht das Zwischenwellenfestrad 9 mit einem Abtriebsrad (Finaldriverad) 15, welches dauerhaft drehfest auf einem eine Abtriebswelle 16 aufnehmenden Differentialkorb 17 angeordnet ist, in Eingriff. Die Abtriebswelle 16 überträgt das Drehmoment auf Antriebsräder des Fahrzeugs. Insbesondere ist das Abtriebsrad 15 drehfest mit einem Differentialkorb 17 verbunden. Dieser Differentialkorb 17 ist wiederum mit einer als Hohlwelle ausgebildeten und die Abtriebswelle 16 koaxial aufnehmenden Differentialwelle 18 verbunden.
Auf der Differentialwelle 18 ist ein Differentialrad 19 angeordnet. Das als Losrad ausgeführte Differentialrad 19 ist über die Formschlusskupplung X drehfest mit der Differentialwelle 18 verbindbar und steht, wie in 1 abgebildet, in Eingriff mit dem ersten Zwischenwellenrad 8.
Wie in 1 durch die gestrichelten Linien angedeutet, steht das Abtriebsrad 15 zusätzlich mit dem Zwischenwellenfestrad 14 in Eingriff. Somit kann das Drehmoment in Abhängigkeit der Schaltstellung der Formschlusskupplungen A1, A3, B, C und X von der Antriebswelle 2 über die erste Zwischenwelle 7 und/oder die zweite Zwischenwelle 10 und/oder die Differentialwelle 18 auf die Abtriebswelle 16 übertragen werden.
In dem Schaltgetriebe 1 sind die Zahnräder 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15 und 19 in drei Radebenen I, II, III angeordnet, so dass die Zahnräder in einer der Radebenen I, II, III jeweils eine geschlossene Kette bilden. D.h. die Zahnräder 9, 14, 15 der ersten Radebene I (Finaldrive) stehen miteinander in Eingriff, die Zahnräder 5, 8, 11, 19 der zweiten Radebene II stehen miteinander in Eingriff und die Zahnräder 6, 12 der dritten Radebene III stehen miteinander in Eingriff. Zusätzlich sind die Wellen 2, 7, 10, 18, insbesondere die Mittelachsen der Wellen 2, 7, 10, 18, in dem Schaltgetriebe 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel parallel zu einander ausgerichtet. Mit dieser Anordnung der Zahnräder und Formschlusskupplungen können somit sechs Schaltstufen realisiert werden.
Wie in 1 zu erkennen, ist an dem Schaltgetriebe 1 auf einer dem Verbrennungsmotor gegenüberliegenden Getriebeseite zusätzlich eine elektrische Maschine 20 angeordnet. Dabei ist in dem ersten Ausführungsbeispiel ein Rotor der elektrischen Maschine 20 drehfest mit einer Rotorwelle 21 verbunden. An einem getriebeseitigen Endabschnitt der Rotorwelle 21 ist wiederum ein als Festrad ausgeführtes Rotorritzel 22 angeordnet. Das Rotorritzel 22 kann einstückig mit der Rotorwelle 21 gefertigt werden oder alternativ drehfest, beispielsweise über eine Schweißverbindung, verbunden werden.
In dem ersten Ausführungsbeispiel steht das Rotorritzel 22 mit einem auf der ersten Zwischenwelle 7 als Festrad angeordnetem Rotorrad 23 in Eingriff, d.h. zwischen der ersten Zwischenwelle 7 und der Rotorwelle 21 bilden das Rotorritzel 22 und das Rotorrad 23 eine Übersetzungsstufe 24 aus.
In anderen Worten ausgedrückt, ist zur Übertragung des Antriebsmoments von der elektrischen Maschine 20 zum Schaltgetriebe 1, wie in den 2 und 3 perspektivisch für das Schaltgetriebe 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt, zwischen der Rotorwelle 21 und der ersten Zwischenwelle 7 des Schaltgetriebes 1 eine Zahnradstufe als Übersetzungsstufe 24 angeordnet. Dabei ist das Rotorritzel 22 der Übersetzungsstufe 24 auf der Rotorwelle 21 angeordnet und das Rotorrad 23 der Übersetzungsstufe 24 auf der ersten Zwischenwelle 7. In dem ersten Ausführungsbeispiel sind sowohl das Rotorrad 23 als auch das Rotorritzel 22 der Übersetzungsstufe 24 als Festräder ausgebildet und somit form- oder stoffschlüssig mit der ersten Zwischenwelle 7 bzw. der Rotorwelle 21 verbunden. Die elektrische Maschine 20 ist dadurch über die Übersetzungsstufe 24 und den Finaldrive, d.h. die erste Radebene, permanent mit der Abtriebswelle 16 verbunden.
Die permanente Anbindung der elektrischen Maschine 20 an die Abtriebswelle 16 hat jedoch den Nachteil, dass die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch die Maximaldrehzahl der elektrischen Maschine 20 limitiert ist, weshalb bei hohen Geschwindigkeiten die elektrische Maschine 20 vom Antriebsstrang abgetrennt/abgekoppelt werden soll. Nachfolgend werden nun verschiedene Ausführungsbeispiele des Schaltgetriebes 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt, welche es ermöglichen, die elektrische Maschine 20 von dem Schaltgetriebe 1 zu entkoppeln. Dabei wird lediglich auf die Unterschiede zu dem Schaltgetriebe 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
Eine einfache Möglichkeit der Abtrennung der elektrischen Maschine 20 besteht darin, dass auf der Zwischenwelle angeordnete Rotorrad 23 der Übersetzungsstufe 24, wie in 4 dargestellt, als Losrad auszubilden. Das Rotorrad 23 der Übersetzungsstufe 24 der elektrischen Maschine 20 ist über Wälzlager und Anlaufscheiben (nicht dargestellt in 4) drehbar und axial fest auf der ersten Zwischenwelle 7 gelagert. In 4 ist zwischen dem Rotorrad 23 und der Synchronisierung B eine Formschlusskupplung 25 angeordnet. Diese weist, wie in 5 bis 7 zu sehen, im Wesentlichen einen Schiebemuffenträger 26, der auf der ersten Zwischenwelle 7 fest angeordnet ist, einen Kupplungskörper 27, der fest mit dem Rotorrad 23 verbunden ist, und eine Schiebemuffe 28, die auf dem Schiebemuffenträger 26 über eine Schiebeverzahnung in Umfangsrichtung fest und axial verschieblich angeordnet ist, auf.
Zur Betätigung der Schiebemuffe 28 steht ein Übertragungselement 29 mit einer Schiebemuffe 30 der Synchronisierung B über einen in 5b, 6b und 7b dargestellten Kopplungsmechanismus in Wirkverbindung. Das Übertragungselement 29 ist gegenüber dem Kupplungskörper 27 und somit auch gegenüber der Schiebemuffe 30 der Synchronisierung B verdrehfest und axial verschieblich gelagert. Gegenüber der Schiebemuffe 28 der Formschlusskupplung 25 jedoch, ist das Übertragungselement 29 axial gekoppelt und drehbar/rotativ entkoppelt. Hierdurch ist auf einfache Weise erreicht, dass die Formschlusskupplung 25 mit Hilfe der Schiebemuffe 30 der Synchronisierung B betätigt werden kann und keine zusätzliche Aktorik benötigt wird.
Die 5 bis 7 zeigen die drei möglichen Schaltstellungen der Synchronisierung B und der Formschlusskupplung 25 (5a, 6a, 7a) sowie die konstruktive Ausgestaltung des Kopplungsmechanismus (5b, 6b, 7b). Dabei ist in 5 das Fahren in der ersten oder zweiten Gangstufe gezeigt. Die Schiebemuffen 28, 30 der Synchronisierung B sowie der Formschlusskupplung 25 befinden sich hier in ihren jeweils geschlossenen (in 5a linken) Stellungen. Beide Losräder, d.h. das erste Zwischenwellenrad 8 und das Rotorrad 23, sind über die Schiebemuffen 28, 30 und Schiebemuffenträger 26 drehfest mit der ersten Zwischenwelle 7 gekoppelt. 6 zeigt das Fahren in höheren Gangstufen bei mittleren Geschwindigkeiten. Das erste Zwischenwellenrad 8 (in 6a das linke Losrad) ist von der ersten Zwischenwelle 7 abgekoppelt, wohingegen das Rotorrad 23 der Übersetzungsstufe 24 der elektrischen Maschine 20 weiterhin mit der ersten Zwischenwelle 7 gekoppelt ist. In 7 ist das Fahren bei hohen Geschwindigkeiten gezeigt. Hier sind nun beide Losräder, d.h. das erste Zwischenwellenrad 8 und das Rotorrad 23, von der ersten Zwischenwelle 7 entkoppelt. Somit kann die Drehzahl der elektrischen Maschine 20 bis zum Stillstand reduziert werden.
Wie in den 5b, 6b und 7b zu erkennen, sind am Umfang mehrere Übertragungselemente 29 gleichmäßig verteilt zwischen dem Schiebemuffenträger 26 und der Schiebemuffe 28 aufgenommen. Im Übertragungselement 29 ist eine Aufnahmekontur für ein Koppelelement 31. Das Koppelelement 31 ist vorzugsweise in radialer Richtung beweglich im Übertragungselement 29 gelagert. Sowohl im Schiebemuffenträger 26 als auch in der Schiebemuffe 30 befinden sich eine weitere Aufnahmekontur für das Koppelelement 31.
In 5b sind beide Schiebemuffen 28, 30 in ihrer geschlossenen (linken) Stellung. Das Koppelelement 31 befindet sich teilweise in der Aufnahmekontur des Schiebemuffenträgers 26 und wird durch die Schiebemuffe 30 dort gehalten. Dadurch ist das Übertragungselement 29 in seiner geschlossenen Stellung mit dem Schiebemuffenträger 26 gekoppelt. In 6b ist das erste Zwischenwellenrad 8 (das linke Losrad) von der ersten Zwischenwelle 7 entkoppelt. Das Übertragungselement 29 ist weiterhin in der linken Stellung fixiert, die Koppelelemente 31 können sich in dieser Stellung jedoch bereits radial nach außen bewegen. Wie in 7b zu erkennen, hat die Schiebemuffe 1 das Übertragungselement 29 über den Anschlag nach rechts verlagert. Da das Übertragungselement 29 über eine Drehentkopplung 32 mit der Schiebemuffe 28 in axialer Richtung gekoppelt ist, ist dadurch auch die Schiebemuffe 28 nach rechts verlagert. Das Koppelelement 31 wird über den Schiebemuffenträger 26 in der Aufnahmekontur der Schiebemuffe 30 gehalten, wodurch das Übertragungselement 29 mit der Schiebemuffe 30 gekoppelt ist. Die elektrische Maschine 20 kann somit mit einer geringeren Drehzahl drehen.
Eine weitere Möglichkeit zur Abkopplung der elektrischen Maschine 20 in dem Schaltgetriebe 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel ist es, wie in 8 gezeigt, den Rotor der elektrischen Maschine 20 drehbar auf der Rotorwelle 21 zu lagern, und über eine Formschlusskupplung 33 an diese zu koppeln. Alternativ es ist in dem Schaltgetriebe 1 nach einem vierten Ausführungsbeispiel auch möglich, das Rotorritzel 22 der Übersetzungsstufe 24 der elektrischen Maschine 20 als Losrad auszuführen und dieses, wie in 9 abgebildet, über eine Formschlusskupplung 34 mit der Rotorwelle 21 zu koppeln. Für beide Varianten, d.h. für das dritte und vierte Ausführungsbeispiel, entfällt jedoch die Möglichkeit die Formschlusskupplung 33 bzw. die Formschlusskupplung 34 über die Aktorik des Zwischenwellenrads 8 der ersten Zwischenwelle 7 zu betätigen.
Zusätzlich zum Abkoppeln der elektrischen Maschine 20 bei hohen Geschwindigkeiten besteht der Wunsch, bei stehendem Fahrzeug mit dem Verbrennungsmotor die elektrische Maschine 20 anzutreiben, um eine in dem Fahrzeug montierte und zur Speicherung und Abgabe elektrischer Leistung eingerichtete Batterie/Akku zu laden. D.h. der Verbrennungsmotor soll die elektrische Maschine 20 in einem Generatorbetrieb antreiben, um den leeren Akku wieder zu einem kleinen Teil aufzuladen. Zur Sicherstellung dieser Standladefunktion muss bei gleichzeitig abgekoppelter Abtriebswelle 16 eine Drehmomentübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine 20 ermöglicht werden.
Wie in 10 gezeigt kann hierfür in dem Schaltgetriebe 1 nach einem fünften Ausführungsbeispiel ein zusätzliches Losrad 35 auf der Antriebswelle 2 angeordnet werden, welches mit dem Rotorritzel 22 der elektrischen Maschine 20 kämmt. Das zusätzliche Losrad 35 kann mittels einer Formschlusskupplung 36 mit der Antriebswelle 2 verbunden werden. Die Formschlusskupplung 36 kann beispielsweise eine Schaltverhinderung oder eine Synchronisierung beinhalten, so dass gewährleistet wird, dass die Formschlusskupplung 36 nur bei Stillstand eingelegt wird, wenn dies nicht durch andere Maßnahmen sichergestellt werden kann.
Das zusätzliche Losrad 35 hat im Wesentlichen nur sehr geringe Betriebsanteile. Zusätzlich bestehen für die Standladefunktion bzw. den Betriebszustand „Standladen“ geringere akustische Anforderungen. Daher ist es möglich, das zusätzliche Losrad 35, wie in 10 angedeutet, deutlich schmaler, insbesondere ca. halb so breit, wie das Rotorritzel 22 auszuführen.
11 zeigt einen Ausschnitt des Schaltgetriebes 1 in dem fünften Ausführungsbeispiel. Dabei ist ein hoher Gang eingelegt und die elektrische Maschine 20 ist von der ersten Zwischenwelle 7 abgekoppelt. 12 zeigt den Betriebszustand „Standladen“. Dabei ist das zusätzliche Losrad 35 auf der Antriebswelle 2 angekoppelt, wohingegen alle anderen Synchronisierungen, bzw. Formschlusskupplungen abgekoppelt bzw. geöffnet sind. 13 zeigt die Möglichkeit eines mechanischen Rückwärtsgangs. Beide Losräder der Übersetzungsstufe 24 der elektrischen Maschine 20 sind an ihren Wellen angekoppelt, d.h. das Rotorrad 23 ist mit der ersten Zwischenwelle 7 gekoppelt und das zusätzliche Losrad 35 ist mit der Antriebswelle 2 gekoppelt. Das Rotorritzel 22 der elektrischen Maschine 20 wirkt somit als Zwischenrad und bewirkt dadurch eine Drehrichtungsumkehr an der ersten Zwischenwelle 7. Das Fahrzeug kann somit mit dem Verbrennungsmotor rückwärtsfahren.
In 14 ist der schematische Aufbau des Schaltgetriebes 1 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei ist zur Umsetzung der Standladefunktion ein verschiebliches Zahnrad 37 auf der Rotorwelle 21 der elektrischen Maschine 20 angeordnet. Auf der Rotorwelle 21 ist eine Schiebeverzahnung gefertigt/eingebracht und in einer Nabe des verschieblichen Zahnrads 36 ist eine entsprechende Gegenverzahnung gefertigt. Bei einer axialen Verschiebung des verschieblichen Zahnrads 37 wird dieses mit einem der Zahnräder des Schaltgetriebes 1, insbesondere, wie in 14 gezeigt, mit dem zweiten Antriebsrad 6, in Eingriff gebracht.
Eine alternative Ausgestaltung ist in 15 in Form eines siebten Ausführungsbeispiels des Schaltgetriebes 1 gezeigt. Dabei ist ein zusätzliches Losrad 38 auf der Rotorwelle 21 der elektrischen Maschine 20 angeordnet, welches mit einem der Zahnräder des Schaltgetriebes 1, insbesondere mit dem zweiten Antriebsrad 6, in Eingriff steht. Das zusätzliche Losrad 38 wird in dem siebten Ausführungsbeispiel über eine Formschlusskupplung 39 drehfest mit der Rotorwelle 21 gekoppelt. Wenn die Formschlusskupplung 39, wie in 15 gezeigt, geöffnet ist und die übrigen Formschlusskupplungen A1, A3, B, C und X so wie in 15 gezeigt geschalten sind, d.h. alle Formschlusskupplungen außer die Formschlusskupplung 25 sind geöffnet, ist das Fahrzeug in einer Neutralstellung für den Verbrennungsmotor geschalten. Wenn die Formschlusskupplung 39 jedoch geschlossen wird und das zusätzliche Losrad 38 dadurch mit der Rotorwelle 21 gekoppelt wird und die Synchronisierung A3 des zweiten Antriebsrads 6 der Antriebswelle 2 geschlossen sowie alle weiteren Synchronisierungen A3, B, C, X sowie die Formschlusskupplung 25 geöffnet werden, kann die elektrische Maschine 20 direkt durch den Verbrennungsmotor angetrieben werden. Somit kann der Betriebszustand „Standladen“ hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Schaltgetriebe
2: Antriebswelle
3: Reibkupplung
4: Kurbelwelle
5: erstes Antriebsrad
6: zweites Antriebsrad
7: erste Zwischenwelle
8: erstes Zwischenwellenrad
9: Zwischenwellenfestrad
10: zweite Zwischenwelle
11: drittes Zwischenwellenrad
12: viertes Zwischenwellenrad
13: Doppellosrad
14: Zwischenwel lenfestrad
15: Abtriebsrad
16: Abtriebswelle
17: Differentialkorb
18: Differentialwelle
19: Differentialrad
20: elektrische Maschine
21: Rotorwelle
22: Rotorritzel
23: Rotorrad
24: Übersetzungsstufe
25: Formschlusskupplung
26: Schiebemuffenträger
27: Kupplungskörper
28: Schiebemuffe der Formschlusskupplung
29: Übertragungselement
30: Schiebemuffe der Synchronisierung B
31: Koppelelement
32: Drehentkopplung
33: Formschlusskupplung
34: Formschlusskupplung
35: zusätzliches Losrad
36: Formschlusskupplung
37: axial verschiebliches Zahnrad
38: zusätzliches Losrad
39: Formschlusskupplung
A1, A3, B, C, X: Formschlusskupplungen mit Synchronisierung
I, II, III: Radebenen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010010436 A1 [0002]
DE 102011008036 A1 [0003]

Claims

Schaltgetriebe (1) für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Antriebswelle (2), über welche Drehmoment einleitbar ist, wobei zwischen der Antriebswelle (2) und einer zur Drehmomentausleitung eingesetzten Abtriebswelle (16) eine erste Zwischenwelle (7) und eine zweite Zwischenwelle (10) in Abhängigkeit einer Schaltstellung von Koppelelementen (A1, A3, B, C, X) so in den Drehmomentfluss eingebunden sind, dass das Drehmoment über die erste Zwischenwelle (7) und/oder die zweite Zwischenwelle (11) geführt ist, und wobei die Koppelelemente (A1, A3, B, C, X) bei der Drehmomentübertragung Zahnräder (5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, 19) mit der Antriebswelle (2), der ersten Zwischenwelle (7), der zweiten Zwischenwelle (10) und/oder der Abtriebswelle (16) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Zwischenwellen (7, 10) eine elektrische Maschine (20) zugeordnet und so an die Zwischenwelle (7, 10) ankoppelbar ist, dass bei einer Zugkraftunterbrechung gezielt fehlendes Drehmoment zuführbar ist.
Schaltgetriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, 19) in drei voneinander axial beabstandeten Radebenen (I, II, III) angeordnet sind.
Schaltgetriebe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (20) über eine Übersetzungsstufe (24) mit der ersten Zwischenwelle (7) und/oder der zweiten Zwischenwelle (10) wirkverbunden ist.
Schaltgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotorwelle (21) der elektrischen Maschine (20) einen Achsversatz zu der Antriebswelle (2) aufweist oder die Rotorwelle (21) koaxial zu der Antriebswelle (2) ausgerichtet ist.
Schaltgetriebe (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf der ersten Zwischenwelle (7) und/oder der zweiten Zwischenwelle (10) angeordnetes Zahnrad (23) der Übersetzungsstufe (24) als Losrad ausgebildet ist, welches über ein Koppelelement (25) drehfest mit der ersten Zwischenwelle (7) und/oder der zweiten Zwischenwelle (10) verbindbar ist.
Schaltgetriebe (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor der elektrischen Maschine (20) drehbar auf der Rotorwelle (21) gelagert ist und über ein Koppelelement (33) drehfest mit der Rotorwelle (21) verbindbar ist.
Schaltgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf der Rotorwelle (21) angeordnetes Zahnrad (22) der Übersetzungsstufe (24) als Losrad ausgebildet ist, welches über ein Koppelelement (34) drehfest mit der Rotorwelle (21) verbindbar ist.
Schaltgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Antriebswelle (2) ein zusätzliches Losrad (35) angeordnet ist, welches mit dem auf der Rotorwelle (21) angeordneten Zahnrad (22) der Übersetzungsstufe (24) in Eingriff steht und über ein Koppelelement (36) drehfest mit der Antriebswelle (2) verbindbar ist.
Schaltgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rotorwelle (21) der elektrischen Maschine (20) ein axial verschiebliches Zahnrad (37) angeordnet ist, welches durch axiales Verschieben in Eingriff mit einem der Zahnräder des Schaltgetriebes (1) tritt.
Schaltgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rotorwelle (21) der elektrischen Maschine (20) ein zusätzliches Losrad (38) angeordnet ist, welches über ein Koppelelement (39) drehfest mit der Rotorwelle (21) verbindbar ist und mit einem der Zahnräder des Schaltgetriebes in Eingriff steht.