DE10303894A1

DE10303894A1 - Lastschaltgetriebe

Info

Publication number: DE10303894A1
Application number: DE2003103894
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr.-Ing. Tenberge
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Tenberge Peter Prof Dr 09123 Chemnitz De
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: DE10303894B4

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lastschaltgetriebe für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem Planeten- und einem Stufenschaltgetriebe, zu konzipieren, das mit wenigen trocken laufenden, reibschlüssigen Schaltelementen, mit wenigen Getriebestufen im Stufenschaltgetriebe auskommt. Das Getriebe soll eine weite Übersetzungsspreizung haben mit einem hochübersetzenden Kriechgang, damit selbst bei sehr langsamer Fahrt die Wärmebelastung in den Schaltelementen klein bleibt. Es sollen trocken laufende Gehäusebremsen zum besseren Abführen der Verlustwärme eingesetzt werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Planetenradgetriebe (2) fünf Wellen, die Antriebswelle (A), zwei Reaktionswellen (B und C) und eine langsame Koppelwelle (L) sowie eine schnelle Koppelwelle (S), aufweist, wobei jede Reaktionswelle (B und C) mit je einer Gehäusebremse (BB bzw. BC) feststellbar ist und die Antriebswelle (A) und eine Reaktionswelle, z. B. die Welle (B), mit einer Kupplung (KA) verbindbar sind und wobei die Koppelwellen (L und S) als Antriebswellen zum Stufenschaltgetriebe (3) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lastschaltgetriebe, bestehend aus einem Planetengetriebe mit Kupplungen und Gehäusebremsen und einem Stufenschaltgetriebe für Kraftfahrzeuge.
Es sind verschiedene unter Last schaltbare Getriebe für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem Planeten- und einem Stufenschaltgetriebe, bekannt. Die Schaltelemente, Kupplungen und Bremsen, werden dabei immer noch überwiegend unter Verwendung von Öl, zur Schmierung, zur Abführung von Wärme und in der Hydraulik zum Schalten eingesetzt. Während zum Schalten in naheliegender Weise elektromechanische Varianten die hydraulischen Lösungen ersetzen könnten, wird das Öl immer dann erforderlich, wenn größere Wärmemengen infolge länger anhaltender Reibung in den unter Last zu schaltenden Kupplungen und Bremsen abzuführen sind.
Nachteile der Automatikgetriebe: 5- und 6-Gang-Automaten haben fünf bis sechs naß laufende Schaltelemente, von denen in jedem Gang die Mehrzahl offen ist und mit der Relativdrehzahl steigende Verluste verursacht. Außerdem brauchen solche Getriebe ein hydraulisches Drucksystem für die Betätigung der Schaltelemente. Da diese Hydraulik auch schon bei niedrigen Antriebsdrehzahlen den nötigen Volumenstrom und den nötigen Druck für schnelle Schaltungen aufbringen muss, sind die Ölpumpen überdimensioniert. Bei höheren Drehzahlen wird der überschüssige Volumenstrom abgeregelt. Dies verursacht aber hohe Verluste. Das Hydraliksystem von automatikgetriebe ist für 30 % bis 50 % der Gesamtverluste verantwortlich. Doppelkupplungsgetriebe haben nur noch zwei reibschlüssige Schaltelemente, die entweder nass laufend oder trocken laufend ausgeführt werden können. Bei den nass laufenden Systemen braucht man auch eine Hochdruckhydraulik für Schaltung und Kühlung, so dass der Wirkungsgradgewinn sehr klein ist.
Doppelkupplungsgetriebe bestehen darüber hinaus aus zwei ineinander verschachtelten Stufenschaltgetrieben. Für jeden Gang ist dort ein eigene Stirnradstufe erforderlich. Deshalb bauen diese Getriebe noch relativ lang.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lastschaltgetriebe für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem Planeten- und einem Stufenschaltgetriebe zu konzipieren, das mit wenigen trocken laufenden, reibschlüssigen Schaltelementen auskommt, und dass mit wenigen Getriebestufen im Stufenschaltgetriebe auskommt, da alle Schaltstufen in mehreren Gängen benutzt werden. Das Getriebe soll ohne hydraulisches Hochdrucksystem auskommen, die Schaltungen soll elektromechanisch erfolgen. Das Getriebe soll eine weite Übersetzungsspreizung haben mit einem hochübersetzenden Kriechgang, damit selbst bei sehr langsamer Fahrt die Wärmebelastung in den Schaltelementen klein bleibt. Außerdem sollen zum Anfahren trocken laufende Gehäusebremsen eingesetzt werden, weil bei solchen Bremsen die Verlustwärme leichter abgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs genannten und in den Unteransprüchen zur vorzugsweisen Ausgestaltung aufgeführten Mitteln gelöst.
Ein fünfwelliges Planetenradgetriebes mit zwei Bremsen und einer Kupplung an der Antriebsseite ist über zwei Koppelwellen mit einem Stufenradgetriebe verbunden. Mit den beiden Bremsen sind verschiedene Drehzahlen der Koppelwellen einstellbar. Mit der Kupplung kann die Drehzahl der Koppelwellen, wie unten erläutert, weiter verändert werden.
In den Ausführungsbespielen wird gezeigt, dass mehrere Gänge, z. B. 8 Vorwärts- und drei Rückwärtsgänge, realisierbar sind, wobei im Stufenradgetriebe die Zahnradkupplung für die nächste Radstufe, auf die umgeschaltet werden soll, bereits in Eingriff gebracht ist, noch ehe mit den Bremsen oder der Kupplung auf den nächsten Gang geschaltet wird. Beim Umschalten wird eine Bremse gelöst und die nächste Bremse oder die Kupplung mittels Überblendregelung ohne Lastunterbrechung zugeschaltet. Die Umschaltzeiten und damit die Verlustwärme sind dabei auf ein Minimum reduziert.
Das Getriebe hat eine weite Übersetzungsspreizung mit einem hochübersetzenden Kriechgang. Außerdem werden zum Anfahren trocken laufende Gehäusebremsen eingesetzt, weil bei solchen Bremsen die Verlustwärme leicht abgeführt werden kann. Die trockenen Schaltelemente führen die geringe Verlustwärme gut ab. Ein hydraulisches Hochdrucksystem ist nicht notwendig. Die durch ein Hydrauliksystem verursachten hohen Energieverluste entfallen.
Das Lastschaltgetriebe hat insgesamt einen sehr hohen Wirkungsgrad. Trotz der weiten Übersetzungsspreizung und der vielen Gänge ist das Lastschaltgetriebe verhältnismäßig klein. Es ist sehr kompakt gebaut.
Die Erfindung wird nachfolgend näher erklärt. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Ausführung eines Lastschaltgetriebes im Längsschnitt,
2 eine Draufsicht auf die Räder des Planetenradgetriebes aus 1,
3 eine Draufsicht auf die Räder des Stufenradgetriebes aus 1,
4 das Planetenradgetriebe mit eingeschalteter Bremse BC,
5 das Drehzahlleiterdiagramm zugehörig zu 4,
6 das Planetenradgetriebe mit eingeschalteter Bremse BB,
7 das Drehzahlleiterdiagramm zugehörig zu 6,
8 das Planetenradgetriebe mit eingeschalteter Kupplung KA und
9 das Drehzahlleiterdiagramm zugehörig zu 8.
In der Ausführung nach 1 besteht das Lastschaltgetriebe, vom Antrieb aus gesehen, aus einem Zweimassenschwinger ZMS, einem Schaltgehäuse 1, einem Planetenradgetriebe 2 und einem Stufenschaltgetriebe 3.
Der Zweimassenschwinger ZMS ist in üblicher Weise als Drehschwingungsdämpfer zur Reduzierung der Getriebebelastung und der Geräuschentwicklung im Antriebsstrang eingesetzt.
Im Schaltgehäuse 1 sind zwei Gehäusebremsen BB und BC sowie eine Kupplung KA untergebracht. Das Schaltgehäuse 1 ist ein nichtgeschmierter Bereich des Getriebegehäuses. Es sind trockene Schaltelemente, d. h., eine Schmierung mittels Ölpumpe ist nicht vorgesehen. Die Schaltelemente können mit Hilfe von Überblendregelungen ohne Lastunterbrechung abwechselnd geschaltet werden. Außerdem ist der Kupplung KA eine Schlupfregelung zugeordnet, die wahlweise in Funktion tritt.
Das Planetenradgetriebe 2 hat fünf Wellen: eine Antriebswelle A, zwei Reaktionswellen B und C sowie eine langsame und eine schnelle Koppelwelle L und S. Die Reaktionswellen B und C sind mit den Sonnenrädern und die Koppelwellen L und S mit Hohlrädern des Planetengetriebes verbunden.
Zwischen den Reaktionswellen B und C und den Koppelwelle L und S sind Planetenräder P1, P2 und P3 angeordnet, und zwar in vier Gruppen zu je drei Rädern. Die Gruppen sind symmetrisch um die Getriebeachse verteilt (s. 2). Die Stegachsen der Planetenräder P1, P2 und P3 sind mit der Antriebsachse A verbunden. Danach besteht das Planetenradgetriebe 2 aus zwei Planetenradstufen (Sonnenrad, Planetenrad, Hohlrad), die über den gemeinsamen Steg und einen Stufenplaneten gekoppelt sind. Stufenplanet ist P2; er kämmt mit den beiden anderen Planetenrädern P1 und P3 sowie mit einem Hohlrad.
Jede Reaktionswelle B und C ist mit einer der Bremsen BB bzw. BC gegenüber dem Gehäuse feststellbar. Die Kupplung KA kann die Antriebswelle A mit der Reaktionswelle B kuppeln.
Die Reaktionswelle B und C laufen als Hohlwellen um die Antriebswelle A. Die schnelle Koppelwelle S durchzieht als erste Primärwelle das Stufenradgetriebe 3. Die langsame Koppelwelle L läuft als Hohlwelle um die Koppelwelle S und bildet die zweite Primärwelle im Stufenradgetriebe 3.
Das Stufenradgetriebe 3 besteht aus fünf Wellen. Parallel zu den bereits genannten zwei Primärwellen mit den Rädern a und d liegen zwei Sekundärwellen mit den Rädern b, e und h bzw. c und f. Außerdem ist eine Abtriebswelle mit dem Rad g aus dem Gehäuse geführt. Sie läuft als Hohlwelle um die schnelle Koppelwelle S. Die Zuschaltung der Primärräder a, d, und g erfolgt mit den Zahnkupplungen K1 bis K4. In den Vorwärtsgängen ist eine Zahnkupplung KV auf der ersten Sekundärwelle zu Rad b und in den Rückwärtsgängen eine Zahnkupplung KR auf der zweiten Sekundärwelle zu Rad f geschlossen. Die Schaltung der Zahnkupplungen erfolgt über Einkonussynchronisierung. Der schematische Aufbau ist in den 1 und 3 dargestellt. In 1 sind die Wellen in die Blattebene abgewickelt. 3 zeigt ihre räumliche Anordnung.
Die Schaltelemente können elektromechanisch betätigt werden. Dadurch ist auch hierfür keine Ölpumpe erforderlich. Beispielsweise können die trockenen Schaltelemente über mechanische Hülsenausrücker betätigt werden. Hierzu können von den Schaltelementen Seilzüge zu elektrisch angetriebenen Spindeln geführt werden. Die Spindelantriebe können sich außerhalb des Gehäuses in einem separaten Aktorengehäuse befinden. Die Zahnkupplungen können mittels Schaltwalzen, die achsparallel zur Getriebeachse angeordnet sind, geschaltet werden. Die Aktorik wird vorzugsweise über eine zentrale elektronische Steuereinheit gesteuert. Neben dem automatischen Steuermodus ist aber auch eine manuelle Wahl der einzelnen Schaltstufen durch den Fahrer möglich.
In den 4 – 9 wird die Wirkung der einzelnen Schaltzustände auf die Drehzahlen der Wellen des Planetenradgetriebes gezeigt.
In 4 ist mittels Gehäusebremse BC die Reaktionswelle C gegenüber dem Gehäuse festgelegt, d. h., sie kann sich nicht mehr drehen. Entsprechend verläuft die auf die Antriebsdrehzahl normierte Drehzahllinie im zugehörigen Drehzahlleiterdiagramm gemäß 5 durch C = 0 und A = 1.
In 6 legt die Gehäusebremse BB die Reaktionswelle B gegenüber dem Gehäuse fest. Entsprechend verläuft die Drehzahllinie in 7 durch die Punkte B = 0 und A = 1.
In 8 ist die Kupplung KA geschaltet. Alle fünf Wellen des Planetenradgetriebes 2 laufen mit der Antriebsdrehzahl A um. Die Drehzahllinie in 9 läuft durch 1.
Aus dem Vergleich der Drehzahlleiterdiagramme in den 5, 7 und 9 ist zu sehen, dass die Drehzahl der langsamen Koppelwelle L höchstens gleich der der schnellen Koppelwelle S ist. Deshalb auch die Unterscheidung im Namen. Die Drehzahl der langsamen Koppelwelle L steigt in der Reihenfolge der Schaltungen BC, BB und KA. Die der schnellen Koppelwelle S steigt mit KA, BB und BC.
Eine weitere Drehzahleinstellung wird mit Hilfe einer im Schlupf geregelten Kupplung KA möglich. Bei den eingezeichneten zwei Zahnradstufen a/b und g/h, deren Übersetzungsverhältnisse verschieden sind, ist es an sich nicht möglich, die Kupplung KA mit der Folge gleicher Drehzahl aller fünf Wellen (s. Drehzahlleiterdiagramm 9) zu schalten. Mit einer im Schlupf geregelten Kupplung KA kann aber die Drehzahl der Wellen so synchronisiert werden, dass die Drehzahlen der Räder a und g unter Berücksichtigung aller dazwischen liegenden Übersetzungen zueinander „passen". Wird danach die Kupplung KA ausgeschaltet und auch keine der Bremsen eingeschaltet, so ergeben sich die relativen Drehzahlen der Wellen des Planetenradgetriebes aus der Fesselung durch die Zahnkupplungen K3 und K4.
Zur einfacheren Darstellung der Funktion werden folgende Zähnezahlen für das Ausführungsbeispiel angenommen:
C = 59, B = 43, P1 = 23, P2 = 22, P3 = 19, L = –111, S = –81, a = 37, b = 19, c = 29, d = 19, e = 36, f = 19, g = 24 und h = 19.
Mit diesen Zähnezahlen ergeben sich die auf die Antriebsdrehzahl normierten Drehzahlen der langsamen und schnellen Koppelwellen L und S gemäß nachfolgender Tabelle zu:
Zum Schalten der Vorwärtsgänge ist die Zahnkupplung KV von Anfang an ständig eingelegt. Es kann je nach Last und Straßenneigung mit einem Kriechgang, dem 1. oder 2. Gang angefahren werden.
Kriechgang: BC und K1 sind geschaltet, i_ges. = 5,11
1. Gang: BB und K1 sind geschaltet, i_ges. = 3,907
2. Gang: KA und K1 sind geschaltet, i_ges.= 2,393.
Wird mit dem Kriechgang angefahren, so erfolgt dass Umschalten auf den 1. und danach auf den 2. Gang bei ständig eingelegter Zahnkupplung K1 allein durch das Umschalten von BC auf BB und dann auf KA. Bis die Bremsen jeweils fest geschlossen sind, entstehen nur geringe Reibungsverluste.
Im Übergang zum 3. Gang wird bei eingeschalteten Kupplungen KA und K1 die Zahnkupplung K2 zugeschaltet. K1 und K2 greifen auf dieselbe Übersetzungsstufen d/e und h/g zu. Die Drehzahlen von L und S sind gleich (s. 9). Die Leistungsflüsse teilen sich auf. Der 2. Gang könnte also dauerhaft auch mit KA, K1 und K2 gefahren werden. Wichtig ist, dass hierbei K2 für den Übergang zum 3. Gang bereits zugeschaltet ist. Beim Einlegen des 3. Ganges wird von KA auf BB umgeschaltet. Sobald die Welle L lastfrei geworden ist, wird K1 geöffnet. Die Gesamtübersetzung beträgt im 3. Gang i_ges. = 1,563. Das Umschalten von KA auf BB und das Lösen von K1 geschehen durch die Überblendregelung nacheinander und dennoch fast zur gleichen Zeit und quasi ohne Lastunterbrechung. Es entstehen minimale Reibverluste bzw. Erwärmungen.
Der 4. Gang wird über einen Zwischengang zugeschaltet. Eingeschaltet sind dann BB und K3; i_ges. = 1,059.
Für den 5. und die weiteren Gänge ist der Übergang von K3 auf K4 erforderlich. Hierzu wird kurzzeitig die Schlupfregelung der Kupplung KA eingesetzt, um ein i_ges. von 0,797 einzustellen. Bei diesem Übersetzungsverhältnis kann zu K3 die Zahnkupplung K4 zugeschaltet und danach KA geöffnet werden. Durch den Schlupf entstehen zwar Reibungsverluste. Die Kupplung KA und die Schlupfregelung sind aber nur kurzzeitig im Einsatz.
Mit K4 kann durch Einlegen der Bremse BB in den 6. Gang und von hier aus mit BC in den 7. Gang hochgefahren werden.
In den hochtourigen Gängen 5 bis 7 wird das Drehmoment nicht über die Sekundärwelle, sondern direkt auf die Ausgangswelle übertragen. Die Übertragungsverluste im Zahnradstufengetriebe sind minimal.
Für die Rückwärtsfahrt wird die Zahnkupplung KV gelöst und dafür KR eingeschaltet.
Die Schaltung der Gänge ist in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.

Claims

Lastschaltgetriebe, bestehend aus einem Planetengetriebe mit Kupplungen und Gehäusebremsen und einem Stufenschaltgetriebe, gekennzeichnet dadurch, dass das Planetenradgetriebe (2) fünf Wellen, die Antriebswelle (A), zwei Reaktionswellen (B und C) und eine langsame Koppelwelle (L) sowie eine schnelle Koppelwelle (S) aufweist, wobei jede Reaktionswelle (B und C) mit je einer Gehäusebremse (BB bzw. BC) feststellbar ist und die Antriebswelle (A) und eine Reaktionswelle, z. B. die Welle (B), mit einer Kupplung (KA) verbindbar sind und wobei die Koppelwellen (L und S) als Antriebswellen zum Stufenschaltgetriebe (3) vorgesehen sind.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das die beiden Reaktionswellen (B und C) Sonnenradwellen des Planetengetriebes sind.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das die beiden Koppelwellen (L und S) Hohlradwellen des Planetengetriebes sind.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das die Antriebswelle (A) die gemeinsame Stegwelle des Planetengetriebes ist.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Planetengetriebe mindestens zwei Sätze Planetenräder aufweist, wobei jeder Planetenradsatz aus drei Rädern (P1, P2 und P3) besteht, wobei die Planeten (P1) mit der Reaktionswelle (C) und den Planeten (P2) in Eingriff stehen, wobei die Planeten (P2) zusätzlich noch mit der langsamen Koppelwelle (L) und den Planeten (P3) in Eingriff stehen und wobei die Planeten (P3) zusätzlich noch mit der schnellen Koppelwelle (S) und der Reaktionswelle (B) in Eingriff stehen.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Schaltelemente im Planetengetriebe, die Gehäusebremsen (BB) und (BC) sowie die Kupplung (KA) als trocken laufende, reibschlüssige Schaltelemente aufgebaut und in einem nicht geschmierten Bereich des Getriebegehäuses angeordnet sind.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Schaltelemente im Planetengetriebe, die Gehäusebremsen (BB) und (BC) sowie die Kupplung (KA), elektromechanisch betätigt werden.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens einem der Schaltelemente im Planetengetriebe eine Schlupfregelung zugeordnet ist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass das Stufenschaltgetriebe (3) zwei Eingangswellen, nämlich die Koppelwellen (L) und (S), sowie eine Ausgangswelle bzw. Abtriebswelle aufweist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass im Stufenschaltgetriebe (3) mehrere Übersetzungen zwischen den Eingangswellen und der Abtriebswelle für die Vorwärtsfahrt und mindestens eine Übersetzung zwischen einer der Eingangswellen und der Abtriebswelle für die Rückwärtsfahrt schaltbar sind, wobei in den Vorwärtsgängen entweder die langsame Koppelwelle (L) oder die schnelle Koppelwelle (S) oder auch beide gemeinsam das Stufenschaltgetriebe (3) antreiben.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Übersetzungsstufen des Stufenschaltgetriebes (3) als Stirnradstufen ausgebildet sind und dass die Schaltungen der Gänge über Zahnkupplungen erfolgen.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass die Zahnkupplungen im Stufenschaltgetriebe elektromechanisch schaltbar sind.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, dass in mindestens einer Schaltstufe eine erste Koppelwelle (L oder S) das Stufenschaltgetriebe antreibt und durch die Schaltungen an den Schaltelementen des Planetengetriebes die andere, zweite Koppelwelle (S oder L) genau so eine Drehzahl aufweist, dass sie bei Synchronlauf an der zu schaltenden Zahnkupplung zusätzlich zur ersten Koppelwelle als Antriebswelle des Stufenschaltgetriebes zugeschaltet werden kann.