DE102005040769A1 - Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe - Google Patents

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Gerhard Gumpoltsberger
Matthias Reisch
Stefan Dr. Kilian
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) mit einer Antriebswelle (2), welche mit einer Verbrennungskraftmaschine verbindbar ist, und einer mit wenigstens einer Fahrzeugachse verbindbaren Abtriebswelle (3), einem mechanischen Schaltgetriebe (4) mit einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz (5, 6), wobei der erste Planetenradsatz (5) ein einfacher Planetenradsatz ist und diesem ein doppelter Planetenradsatz (6), beispielsweise ein Ravigneaux-Satz, nachgeschaltet ist, mit mehreren Schaltelementen, insbesondere Kupplungen und Bremsen (K1, K2, K3; B1, B2) sowie einer Elektromaschine (8), welche als Starter und/oder Generator und/oder zum wenigstens teilweise elektrischen Fahrbetrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist und die Elektromaschine (8) mittels einer vierten Kupplung (K4) mit der Verbrennungskraftmaschine und mittels einer fünften Kupplung (K5) mit einer ersten Welle des ersten Planetenradsatzes (5) verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist die Verbrennungskraftmaschine mittels der vierten und fünften Kupplung (K4, K5) mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes (5) und/oder die Elektromaschine (14) mittels der fünften Kupplung (K5) mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes (5) verbindbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der gattungsgemäßen DE 101 40 424 A1 ist ein Parallel-Hybrid-Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges bekannt. Dieser Antriebsstrang umfasst neben der Brennkraftmaschine ein automatisch schaltbares Getriebe, welches zwei mit der Brennkraftmaschine verbindbare Antriebswellen und eine mit wenigstens einer Antriebsachse des Kraftfahrzeuges koppelbare Abtriebswelle aufweist, sowie ein mechanisches Schaltgetriebe mit einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz, mehreren Kupplungen, mehreren Bremsen und einer Elektromaschine. Diese Elektromaschine ist als Starter/Generator und/oder zum stufenlosen Verstellen des Getriebes und/oder zum elektrischen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges betreibbar. Bei entsprechendem Fahrerwunsch kann ein Beschleunigen im Boost-Betrieb mit einem durch die Elektromaschine verstärktem Drehmoment erfolgen.
  • Bei diesem bekannten Getriebe erfolgt der Fahrbetrieb derartig, dass aus dem Stillstand ohne hydraulischen Wandler angefahren werden kann, wobei ein Sonnenrad der ersten Planetenradstufe über eine Sonnenradwelle mit einer Anfahrbremse verbindbar ist. Von den zwei Kupplungen wirkt die eine Kupplung mit dieser Sonnenradwelle derart zusammen, dass nach dem Lösen der Anfahrbremse und dem Schließen dieser einen Kupplung das Starter-Drehmoment zum Anlassen der Brennkraftmaschine über die Sonnenradwelle in die erste Planetenradstufe geleitet wird. Unter gewissen Umständen kann es dabei zu zwar geringen, aber an sich unerwünschten Zugkraftunterbrechungen im Antriebsstrang kommen.
  • Aus der DE 199 17 665 A1 ist es bei einem Hybrid-Antriebskonzept mit zwei Elektromaschinen bereits bekannt, zwecks Reduktion der Zugkraftunterbrechungsphase im rein elektrischen Fahrantrieb mittels einer ersten Elektromaschine die Brennkraftmaschine mittels einer zweiten Elektromaschine zu starten und dann in den Antriebsstrang einzukoppeln, wenn die Drehzahldifferenz zwischen der Brennkraftmaschine und der Getriebeeingangswelle sehr gering ist. Diese Lösungsmöglichkeit für das Problem der Zugkraftunterbrechung setzt jedoch zwei Elektromaschinen voraus.
  • Aus einer weiteren Druckschrift DE 103 19 880 A1 ist ein Antriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine und zwei elektrischen Antriebsaggregaten bekannt. Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Antriebsaggregat über eine Kupplung mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes koppelbar.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Getriebe derartig zu verbessern, dass unter Verwendung ansich bekannter Bauteile weitere Bauteile eingespart, die Anordnung für die Starter- und/oder Generator- bzw. Rekuperationsfunktion vereinfacht und dadurch der erforderliche Bauraum sowie Kosten reduziert werden.
  • Die gestellte Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst durch ein automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe mit einer Antriebswelle, welche mit einer Verbrennungskraftmaschine verbindbar ist, und einer mit wenigstens einer Fahrzeugachse verbindbaren Abtriebswelle, einem mechanischen Schaltgetriebe mit einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz, wobei der erste Planetenradsatz ein einfacher Planetenradsatz ist und diesem ein doppelter Planetenradsatz, beispielsweise ein Ravigneaux-Satz, nachgeschaltet ist. Ferner sind vorgesehen mehrere Schaltelemente und Bremsen sowie eine elektrische Maschine, welche als Starter und/oder Generator und/oder zum wenigstens teilweise elektrischen Fahrbetrieb eines Fahr zeugs vorgesehen ist und die elektrische Maschine mittels einer ersten Kupplung mit der Verbrennungskraftmaschine und mittels einer zweiten Kupplung mit einer ersten Welle des ersten Planetenradsatzes verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist die Verbrennungskraftmaschine mittels der ersten und zweiten Kupplung mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes und/oder die elektrische Maschine mittels der zweiten Kupplung mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes verbindbar.
  • Vorteilhafterweise werden durch das erfindungsgemäße Getriebe gegenüber dem nächstkommenden Stand der Technik Bauteile eingespart. So entfällt bspw. eine bislang vorgesehene eingangsseitige Anfahrbremse. Ausserdem sind statt der bislang verwendeten zwei Eingangswellen in das Schaltgetriebe nur eine Eingangswelle erforderlich. Dadurch kann vorteilhafterweise das Getriebe so ausgestaltet sein, dass sowohl die Verbrennungskraftmaschine als auch die Elektromaschine über zwei Kupplungen bzw. über eine Kupplung mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes verbindbar ist. Dadurch wird zum einen ein Getriebe mit vereinfachter Starter- und/oder Generator- und Rekuperationsfähigkeit bzw. mit vereinfachten Boostbetrieb angegeben und zum anderen Bauraum und Herstellkosten des Getriebes deutlich reduziert.
  • Ebenso vorteilhaft kann wenigstens eines der beiden Schaltelemente als Lamellenkupplung ausgebildet und die Schaltelemente unabhängig voneinander schalt- oder regelbar sein.
  • Alternativ dazu kann es in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalles auch vorteilhaft sein, die Kupplungen formschlüssig schließend auszubilden, wobei ebenfalls beide Schaltelemente unabhängig voneinander schaltbar sind.
  • Weiterhin ist vorgeschlagen, dass eines der beiden Schaltelemente als Freilauf ausgebildet ist, bzw. dass ein weiteres Schaltelement vorgesehen und dieses als Freilauf ausgebildet ist. Damit ist beispielsweise eine Notlauffunktion realisierbar.
  • In einer bevorzugten Ausbildung sind beispielsweise die Schaltelemente und/oder die Elektromaschine koaxial zur Eingangswelle angeordnet.
  • Alternativ dazu kann die Elektromaschine achsparallel zur Eingangswelle angeordnet sein, wobei der Antrieb von bzw. zur Eingangswelle über eine Zahnradstufe oder einen Ketten- bzw. Riementrieb erfolgt.
  • Vorteilhafterweise sind in einer Ausbildung die Schaltelemente radial innerhalb der Elektromaschine bzw. auch radial ineinander angeordnet.
  • In einer Weiterbildung wird die Anbringung der Schaltelemente axial nebeneinander vorgeschlagen, sodass damit eine besonders bevorzugte raumsparende Ausbildung des Getriebes angegeben ist.
  • Als besonders einfache und somit kostenreduzierte Ausbildung des Fahrzeuggetriebes ist die gehäusefeste Anordnung des Sonnenrades vorgesehen.
  • Die Verbindung des ersten Planetenradsatzes mit dem zweiten Planetenradsatz erfolgt vorteilhafterweise mittels diverser Kupplungen über den Steg und/oder das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes.
  • Dabei wird beispielsweise der Steg des ersten Planetenradsatzes mit dem ersten Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes mittels einer ersten Kupplung und/oder mittels einer zweiten Kupplung mit dem zweiten Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes verbunden.
  • Das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes ist mittels einer weiteren Kupplung mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes verbindbar.
  • Wahlweise ist auch die Verbrennungskraftmaschine und/oder die Elektromaschine durch Schalten von Kupplungen direkt mit dem zweiten Planetenradsatz verbindbar.
  • Vorteilhafterweise ist wenigstens ein Torsionsdämpfer zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der Elektromaschine und/oder wenigstens ein Torsionsdämpfer zwischen der Elektromaschine und dem Schaltgetriebe insbesondere zwischen der Elektromaschine und dem ersten Planetenradsatz vorgesehen.
    •
  • Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus dem nachfolgend näher erläuterten Ausführungsbeispiel. Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemässen Getriebes.
  • Ein automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe 1 ist Teil eines Parallel-Hybrid-Antriebsstranges eines nicht näher gezeigten Kraftfahrzeuges. Dieses Getriebe 1 umfasst eine Antriebswelle 2, welche eingangsseitig beispielsweise über einen Torsionsdämpfer 11 mit einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine des Antriebsstranges in Verbindung steht.
  • Ausgangsseitig ist am Getriebe 1 eine Abtriebswelle 3 vorgesehen, welche mit mindestens einer Fahrzeugachse zur Übertragung eines Antriebsmoments verbindbar ist. Zwischen den beiden genannten Wellen 2 und 3 ist ein Schaltgetriebe 4 angeordnet, welches aus einer ersten Getriebestufe (erster Planetenradsatz 5) und einer zweiten Getriebestufe (zweiter Planetenradsatz 6) und mehreren Kupplungen K1, K2, K3 und zwei Bremsen B1 und B2 besteht.
  • Die erste Getriebestufe besteht beispielsweise aus einem einfachen Planetenradsatz 5, welcher einem Ravigneaux-Satz 6 als zweite Getriebestufe vorgeschaltet ist. Eine derartige Anordnung ermöglicht beispielsweise ein Stufenautomatgetriebe mit sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang.
  • Ein Sonnenrad 13 des ersten Planetenradsatzes 5 ist über eine Sonnenradwelle mit dem Gehäuse 28 des Fahrzeuggetriebes 1 drehfest verbunden. Die Planetenräder 14 des ersten Planetenradsatzes 5 sind über den Planetenträger 15 und über Kupplungen K1, K3, welche an der Stegwelle 16 angreifen, mit dem zweiten Planetenradsatz 6 verbindbar. Das Hohlrad 17 des ersten Planetenradsatzes 5 ist antriebsseitig über eine Hohlradwelle 18 und über Kupplungen K4, K5 mit der Antriebswelle 2 verbindbar. Abtriebsseitig ist das Hohlrad 17 über die Hohlradwelle 18 und eine Kupplung K2 mit dem zweiten Planetenradsatz 6 verbindbar.
  • Der zweite, doppelte Planetenradsatz 6 besteht im wesentlichen aus einem ersten Sonnenrad 19 und einem zweiten Sonnenrad 20, welche über eine erste Sonnenradwelle 21 sowie über eine zweite Sonnenradwelle 22 sowie über Kupplungen K1, K3 mit dem ersten Planetenradsatz 5 verbindbar sind. Die zweite Sonnenradwelle 22 ist über die Bremse B2 mit dem Gehäuse 28 verblockbar.
  • Ein Satz erster Planetenräder 23 ist an einem ersten Planetenträger 25 und ein Satz zweiter Planetenräder 24 ist an einem zweiten Planetenträger 26 drehbar gelagert, wobei der Planetenträger 26 mittels der Bremse B1 mit dem Gehäuse 28 verblockbar ist. Ein Hohlrad 27 des zweiten Planetenradsatzes 6 ist direkt verbunden mit der Abtriebswelle 3 des Fahrzeuggetriebes 1.
  • Ausserdem ist zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Schaltgetriebe 4 eine Elektromaschine 8 vorhanden, welche im wesentlichen aus einem äusseren Stator 9 und einem inneren Rotor 10 besteht. Die Elektromaschine 8 ist als Starter und/oder Generator ausgebildet, wobei dieser Elektromaschine 8 ferner ein nicht gezeigtes, elektronisches Steuerungssystem und ein Energiespeicher 7 zugeordnet ist.
  • Radial innerhalb der Elektromaschine 14 sind zwei Kupplungen K4 und K5 angeordnet, welche einerseits eine Verbindung zur Antriebswelle 2, andererseits zur Hohlradwelle 18 des ersten Planetenradsatzes 5 sowie eine Anbindung an den Rotor des 10 der Elektromaschine 8 ermöglichen (die beiden Kupplungen K4 und K5 sind der Einfachheit halber eingangs auch als erste und zweite Kupplungen benannt).
  • Durch die Kombination des Schaltgetriebes 4 mit der Elektromaschine 8 ist somit ein elektromotorisches Anfahren des damit ausgerüsteten Fahrzeugs möglich. Während des Fahrbetriebs und insbesondere während des Bremsbetriebs des Fahrzeugs kann weiterhin mit der Elektromaschine 8 eine Energie-Rekuperation durchgeführt werden, indem elektrische Energie in dem symbolisch dargestellten Energiespeicher 7 zwischengespeichert wird.
  • Mit einem derartigen Fahrzeuggetriebe kann ein rein elektrischer Fahrbetrieb sowohl vorwärts als auch rückwärts z. B. in Innenstädten oder anderen Zonen realisiert werden, wo ein emissionsfreier Betrieb gewünscht ist.
  • Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der zwei Kupplungen K4 und K5 ist die Elektromaschine 8 über die Kupplung K4 für das Anlassen der Brennkraftmaschine unmittelbar mit der Antriebswelle 2 verbindbar. Die Antriebswelle 2 wiederum steht dabei in unmittelbarer Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Dadurch können die bekannten Vorteile des vorbeschriebenen Fahrzeuggetriebes 1 mit einem mechanischen Schaltgetriebe 4 und einer elektrischen Maschine 8, nämlich einem Fahrer auf Wunsch eine Verstärkung des Antriebsdrehmoments zu ermöglichen, so dass ein uneingeschränkter Boost-Betrieb möglich ist, um den Vorteil ergänzt werden, dass das Anlassen komfortabel und ohne spürbare Zugkraftunterbrechung durchgeführt werden kann.
  • Vorteilhafterweise ist bspw. die Kupplung K5 als Anfahrkupplung ausgebildet, so dass das mit diesem Getriebe 1 ausgerüstete Fahrzeug ohne hydrodynamischen Wandler anfahren kann.
  • Ferner besteht durch eine derartige Anordnung die Möglichkeit einer permanenten elektrischen Versorgung des elektrischen Bordnetzes im Generatorbetrieb der Elektromaschine 8.
  • Der Torsionsdämpfer 11, 12 kann je nach Einsatzzweck vorteilhafterweise in Kraftflussrichtung sowohl vor der Elektromaschine 8, also zwischen der Verbrennungskraftmaschine und den Kupplungen K4 und K5 als auch nach der Elektromaschine 9, also zwischen den Kupplungen K4 und K5 und dem Schaltgetriebe 4 angeordnet sein. Der Torsionsdämpfer 11, 12 kann sowohl als einzeln als auch als doppelt wirkender Torsionsdämpfer eingesetzt werden.
    • 1
    Fahrzeuggetriebe
    2
    Antriebswelle
    3
    Abtriebswelle
    4
    Schaltgetriebe
    5
    erster Planetenradsatz
    6
    zweiter Planetenradsatz
    7
    Energiespeicher
    8
    Elektromaschine
    9
    Stator
    10
    Rotor
    11,12
    Torsionsdämpfer
    13
    Sonnenrad
    14
    Planetenräder
    15
    Steg, Planetenträger
    16
    Stegwelle
    17
    Hohlrad
    18
    Hohlradwelle
    19
    erstes Sonnenrad
    20
    zweites Sonnenrad
    21
    erste Sonnenradwelle
    22
    zweite Sonnenradwelle
    23
    erste Planetenräder
    24
    zweite Planetenräder
    25
    erster Steg, Planetenträger
    26
    zweiter Steg, Planetenträger
    27
    Hohlrad
    28
    Gehäuse
    K1
    erste Kupplung
    K2
    zweite Kupplung
    K3
    dritte Kupplung
    K4
    vierte Kupplung
    K5
    fünfte Kupplung
    B1
    erste Bremse
    B2
    zweite Bremse

Claims (17)

  1. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) mit einer Antriebswelle (2), welche mit einer Verbrennungskraftmaschine verbindbar ist, und einer mit wenigstens einer Fahrzeugachse verbindbaren Abtriebswelle (3), einem mechanischen Schaltgetriebe (4) mit einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz (5, 6), wobei der erste Planetenradsatz (5) ein einfacher Planetenradsatz ist und diesem ein doppelter Planetenradsatz (6), beispielsweise ein Ravigneaux-Satz, nachgeschaltet ist, mit mehreren Schaltelementen, insbesondere Kupplungen und Bremsen (K1, K2, K3; B1, B2) sowie einer Elektromaschine (8), welche als Starter und/oder Generator und/oder zum wenigstens teilweise elektrischen Fahrbetrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist und die Elektromaschine (8) mittels einer vierten Kupplung (K4) mit der Verbrennungskraftmaschine und mittels einer fünften Kupplung (K5) mit einer ersten Welle des ersten Planetenradsatzes (5) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskraftmaschine mittels der vierten und fünften Kupplung (K4, K5) mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes (5) und/oder die Elektromaschine (8) mittels der fünften Kupplung (K5) mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes (5) verbindbar ist.
  2. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der beiden Schaltelemente (K4, K5) als Lamellenkupplung ausgebildet ist und die beiden Schaltelemente unabhängig voneinander schalt- und regelbar sind.
  3. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der beiden Schaltelemente (K4, K5) als formschlüssige Kupplung ausgebildet ist und beide Schaltelemente (K4, K5) unabhängig voneinander schaltbar sind.
  4. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Schaltelemente (K4, K5) als Freilauf ausgebildet ist oder dass ein weiteres Schaltelement vorgesehen ist, welches als Freilauf ausgebildet ist.
  5. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (K4, K5) koaxial zur Eingangswelle (2) angeordnet sind.
  6. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (8) koaxial zur Eingangswelle (2) angeordnet sind.
  7. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (8) achsparallel zur Eingangswelle (2) angeordnet sind.
  8. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (8) über eine Zahnradstufe oder einen Ketten- oder Riementrieb mit der Eingangswelle (2) verbunden ist.
  9. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (K4, K5) radial innerhalb der Elektromaschine (8) angeordnet sind.
  10. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (K4, K5) axial unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.
  11. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (K4, K5) radial ineinander angeordnet sind.
  12. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sonnenrad (13) des ersten Planetenradsatzes (5) gehäusefest ausgebildet ist.
  13. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (15) und/oder das Hohlrad (17) des ersten Planetenradsatzes (5) mit dem zweiten Planetenradsatz (6) verbindbar sind/ist.
  14. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (15) des ersten Planetenradsatzes (5) mit dem ersten und/oder dem zweiten Sonnenrad (19, 20) des zweiten Planetenradsatzes (6) verbindbar ist.
  15. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad (17) des ersten Planetenradsatzes (5) mit dem Steg (25) des zweiten Planetenradsatzes (6) verbindbar ist.
  16. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskraftmaschine und/oder die Elektromaschine (8) direkt mit dem zweiten Planetenradsatz (6) verbindbar sind/ist.
  17. Automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Torsionsdämpfer (11) zwischen Verbrennungskraftmaschine und Elektromaschine (8) und/oder wenigstens ein Torsionsdämpfer (12) zwischen Elektromaschine (8) und Schaltgetriebe (4) insbes. zwischen Elektromaschine (8) und erstem Planetenradsatz (5) vorgesehen ist.
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