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Die
Erfindung betrifft eine Getriebd.Hebaueinheit, insbesondere ein
Mehrbereichsgetriebe, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
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Getriebeanordnungen
in Form von Leistungsverzweigungsgetrieben in Form von Überlagerungsgetrieben
sind in einer Vielzahl von Ausführungen
bekannt. Stellvertretend wird auf nachfolgende Druckschriften verwiesen:
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Die
Ausführung
gemäß der Druckschrift
DE 197 55 612 A1 umfasst
eine Getriebeeingangswelle, ein mit der Getriebeeingangswelle und
mit der Getriebeausgangswelle gekoppeltes stufenloses Übersetzungsgetriebe
in Form eines Zugmittelgetriebes, welches einen Eingang und einen
Ausgang aufweist, wobei der Eingang mit der Getriebeeingangswelle drehfest
verbunden ist, eine feste Übersetzungsstufe sowie
ein Überlagerungsgetriebe
mit einer ersten Eingangsstufe, welche mit dem Ausgang des stufenlosen Übersetzungsgetriebes
drehfest verbunden ist. Ferner ist eine zweite Eingangsstufe vorgesehen, welche
wahlweise mittels einer ersten Kupplung über die feste Übersetzungsstufe
mit der Getriebeeingangswelle verbindbar ist und eine Ausgangsstufe, welche
drehfest mit der Getriebeausgangswelle gekoppelt ist. Hierbei ist
die feste Übersetzungsstufe antriebsseitig
drehfest mit der Getriebeeingangswelle gekoppelt und bezüglich der
festen Übersetzungsstufe
abtriebseitig die erste Kupplung derart angeordnet, dass diese wahlweise
die zweite Eingangsstufe des Überlagerungsgetriebes
abtriebseitig mit dem festen Übersetzungsgetriebe
verbindet. Mit dieser Lösung
ist es möglich,
auf einfache Art und Weise ein betriebssicheres Mehrbereichsgetriebe
zur Verfügung
zu stellen. Diese Lösung
bietet den Vorteil, dass bei einem durch Kombination eines stufenlosen Übersetzungsgetriebes
mit einem Überlagerungsgetriebe
geschaffenen Mehrbereichsgetriebe mit einem sogenannten Geared-Neutral-Bereich
hohe Eingriffsgeschwindigkeiten im Bereich der ersten Kupplung vermieden
werden, da diese an einer Stelle nach Übersetzung der hohen Drehzahl
der Antriebswelle auf die niedrige Drehzahl durch die feste Übersetzungsstufe
angeordnet ist. Dies reduziert den Verschleiß und erhöht die Lebensdauer der ersten
Kupplung. Ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch in der direkten
Kopplung zwischen stufenlosem Getriebe, auch CVT genannt, und Getriebeeingang
und damit der Antriebswelle. Das stufenlose Getriebe ist somit immer
an die Drehzahl der Antriebsmaschine gekoppelt. Eine Entlastung
des Überlagerungsgetriebes
in einem Bereich höherer
Drehzahlen der Abtriebswelle bzw. niedrigerer Übersetzungsverhältnisse
des stufenlosen Übersetzungsgetriebes
wird dadurch erzielt, dass eine zweite Kupplung vorgesehen wird, welche
wahlweise die erste Eingangsstufe mit der Ausgangsstufe des Überlagerungsgetriebes
verbindet. Dadurch wird eine starre Verbindung zwischen Ausgangswelle
des stufenlosen Übersetzungsgetriebes
und der Abtriebswelle geschaffen, wodurch das Überlagerungsgetriebe im Kraftfluss-
bzw. Drehmomentübertragungsrichtung überbrückt ist.
Ein weiteres wesentliches Problem der Leistungsübertragung über das stufenlose Übersetzungsgetriebe
besteht darin, dass dieses aufgrund entsprechender Dimensionierung
nur ein maximal zulässiges
Moment übertragen
kann, ansonsten sind bei sehr hohen Belastungen unzulässige Schlupfzustände zu beobachten, die
zu einem erhöhten
Verschleiß am
Zugmittel führen.
Aufgrund der direkten Kopplung des stufenlosen Getriebes an den
Getriebeeingang ist dieses jedoch immer den an diesen vorgesehenen
Verhältnissen ausgesetzt.
D. h. der Eingang des CVT wird mit der Drehzahl am Getriebeeingang
und damit der Antriebsmaschine beaufschlagt.
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Aus
der Druckschrift
EP 1333194 ist
eine Getriebebaueinheit vorbekannt, welche hinsichtlich Ihres Aufbaus
derart modifiziert wurde, dass die Belastung des Zugmittelgetriebes
erheblich reduziert und damit die Übertragbarkeit hoher Leistungen,
insbesondere noch höherer
Leistungen als bei einer Ausführung
gemäß
DE 197 55 612 A1 über dieses gewährleistet
werden konnte. Bei dieser Ausführung ist
die Getriebebaueinheit ebenfalls als Überlagerungsgetriebeeinheit
ausgeführt.
Diese umfasst einen Getriebeeingang und einen Getriebeausgang, ferner
zwei zwischen Getriebeeingang und Getriebeausgang angeordnete und
miteinander gekoppelte Überlagerungsgetriebe.
Jedes der beiden Überlagerungsgetriebe
ist als dreiwelliges Planetengetriebe ausgeführt. Beide sind miteinander
zu einem vierwelligen Planetengetriebe gekoppelt. Zwischen dem ersten Überlagerungsgetriebe
und dem zweiten Überlagerungsgetriebe
ist ferner ein stufenloses Getriebe in Form eines Zugmittelgetriebes
zwischengeschaltet. Jedes Planetengetriebe umfasst ein Sonnenrad,
ein Hohlrad, Planetenräder
und einen Steg. Die einzelnen Wellen werden dabei vom Sonnenrad,
Hohlrad oder Steg des jeweiligen Überlagerungsgetriebes gebildet.
Der Getriebeeingang ist mit einer ersten Welle des ersten Überlagerungsgetriebes
und einer ersten Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes drehfest verbunden.
Der Getriebeausgang ist mit einer zweiten Welle des ersten Überlagerungsgetriebes
und einer zweiten Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes drehfest
verbunden. Die Kopplung der beiden dreiwelligen Planetengetriebe
zu einem vierwelligen Planetengetriebe erfolgt dabei durch Kopplung
der ersten und zweiten Wellen von erstem und zweitem Überlagerungsgetriebe.
Die Anordnung des stufenlosen Getriebes in Form eines Zugmittelgetriebes
erfolgt zwischen den dritten Wellen von erstem und zweitem Überlagerungsgetriebe.
Der Begriff Welle ist dabei funktional zu verstehen, wobei unter
diesem entweder die einzelnen Elemente der Planetengetriebe-Sonnenrad,
Hohlrad oder Steg oder die mit diesen drehfest gekoppelten Elemente,
beispielsweise in Form von Wellen oder Hohlwellen, zu verstehen
sind. Die einzelnen Wellen übernehmen
dabei je nach Betriebszustand die Funktion von Eingängen und
Ausgängen.
So umfasst das erste Überlagerungsgetriebe
bei Leistungsübertragung
von der Getriebeeingangswelle zur Getriebeausgangswelle über das
stufenlose Getriebe einen Eingang und zwei Ausgänge. Der Eingang wird dabei
von der ersten Welle gebildet, während
der erste Ausgang, der mit dem stufenlosen Getriebe wenigstens mittelbar
verbunden ist, von der dritten Welle gebildet wird und der zweite,
mit der Getriebeausgangswelle drehfest gekoppelte Ausgang von der
zweiten Welle. Das zweite Überlagerungsgetriebe
umfasst in diesem Betriebszustand einen Eingang und einen Ausgang,
wobei der Eingang ebenfalls mit der Getriebeeingangswelle gekoppelt
ist und von der ersten Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes gebildet
wird und der Ausgang von der zweiten Welle. Die dritte Welle ist
mit dem stufenlosen Getriebe verbunden. Ferner sind Mittel zur Änderung
des Übersetzungsverhältnisses am
Getriebe vorgesehen. Dabei weist eines der beiden Überlagerungsgetriebe – erstes
oder zweites Überlagerungsgetriebe – paarweise
miteinander kämmende
Planetenräder
zwischen Sonnenrad und Hohlrad auf. Diese sind am Steg drehbar gelagert. Die
paarweise miteinander kämmenden
Planetenräder
werden auch als doppelläufige
Planetenräder
bezeichnet. Aufgrund der Ausführung
eines der als Planetengetriebe ausgebildeten zweiten Überlagerungsgetriebes
mit paarweise miteinander kämmenden Planetenrädern, welche
auch als doppelläufige
Planetengetriebe bezeichnet werden, wird für den Teilbereich des Gesamtbetriebsbereich
garantiert, dass das CVT mit maximaler Umlaufgeschwindigkeit arbeitet,
wobei auch ein Wechsel bezüglich
des Übersetzungsverhältnisses
an den einzelnen Scheiben bei maximaler Motordrehzahl stattfinden
kann, d. h. ein über
Null-Drehen möglich ist
und somit mit dem erfindungsgemäßen Getriebe
neben einem Geared-Neutral auch eine Drehrichtungsänderung
zu realisieren ist. Die doppelläufige
Ausführung
bietet den Vorteil, dass bei einer durch diese bedingte Vergrößerung der
Drehzahl am mit dem stufenlosen Getriebe gekoppelten Ausgang, insbesondere
Hohlrad dieses Planetengetriebes eine entsprechend der Auslegung
des anderen Planetengetriebes bedingte Verringerung am mit dem stufenlosen
Getriebe gekoppelten Ausgang des jeweils anderen Planetengetriebes,
insbesondere Hohlrad bewirkt. Nach dieser Ausführung ist es jedoch nicht möglich, das
stufenlose Getriebe über
den gesamten Betriebsbereich zweimal mit maximaler Umlaufgeschwindigkeit
arbeiten zu lassen.
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Zur
Vermeidung dieser Nachteile wird in der Druckschrift
WO/078314 A1 ein Mehrbereichsgetriebe
vorgeschlagen, umfassend einen Getriebeeingang und wenigstens einen
Getriebeausgang, zwischen denen zwei als dreiwellige Planetengetriebe ausgeführte Überlagerungsgetriebe
angeordnet sind, umfassend jeweils ein Sonnenrad, ein Hohlrad, einen Steg
und Planetenräder,
wobei die einzelnen Wellen jeweils von den Sonnenrädern, Hohlrädern, Planetenrädern oder
Stegen oder den mit diesen drehfest verbundenen Elementen gebildet
werden. Eine erste Welle des ersten Überlagerungsgetriebes ist drehfest mit
dem Getriebeeingang verbunden. Eine zweite Welle des ersten Überlagerungsgetriebes
und eine zweite Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes sind
wenigstens mittelbar drehfest mit dem Getriebeausgang verbindbar.
Zwischen den dritten Wellen von erstem und zweitem Überlagerungsgetriebe
ist ein stufenloses Getriebe in Form eines Zugmittelgetriebes angeordnet.
Ferner sind Mittel zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses
am Zugmittelgetriebe vorgesehen. Die Kopplung zwischen den einzelnen Überlagerungsgetrieben
und dem stufenlosen Getriebe erfolgt jeweils über ein Verbindungsgetriebe,
umfassend eine Übersetzungsstufe.
Die erste Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes
ist über eine
erste Schaltkupplung wahlweise mit dem Getriebeeingang verbindbar.
Die zweite Welle des ersten Überlagerungsgetriebes
und die dritte Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes sind über wenigstens
eine weitere zweite schaltbare Kupplung mit dem Getriebeausgang
wahlweise verbindbar. Das Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes
wird dabei in Abhängigkeit
der zu erzielenden Gesamtspreizung ausgelegt. Bei einer Getriebekonfiguration
mit Ausbildung der ersten Wellen beider Überlagerungsgetriebe jeweils
vom Steg und zweiter Welle des ersten Überlagerungsgetriebes vom Sonnenrad,
zweiter Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes
vom Hohlrad und dritter Welle des ersten Überlagerungsgetriebes vom Hohlrad
und dritter Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes
vom Sonnenrad geht eine gewünschte
Erhöhung
der Spreizung jedoch mit einer Erhöhung des Durchmessers des Sonnenrades einher,
was jedoch im Hinblick auf die Ausführung des Gesamtgetriebes nur
bedingt möglich
ist. Bei dieser Ausführung
wird bei einer größeren Entlastung des
stufenlosen Getriebes im Overdrive, d. h. dem zweiten Fahrbereich,
in welchem das zweite Planetengetriebe überbrückt ist, eine maximale Standübersetzung
im ersten Planetengetriebe bis beispielsweise –1,62 gewählt. Dies führt jedoch dazu, dass die Gesamtspreizung
im Getriebe verkleinert wird, ohne Möglichkeit des Ausgleichs durch
das zweite Planetengetriebe, da hier die maximale Standübersetzung ebenfalls
begrenzt ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mehrbereichsgetriebekonfiguration
zu schaffen, die im Hinblick auf den Hauptanwendungsbereich beim
Einsatz in Fahrzeugen hinsichtlich der Belastung des stufenlosen
Getriebes und der Baugröße optimal
ausgelegt werden kann. Das Getriebe soll geared-neutral-fähig sein.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist
durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte
Ausführungen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Getriebebaueinheit als Mehrbereichsgetriebe ausgeführt. Diese
umfasst einen Getriebeeingang und einen Getriebeausgang, zwischen denen
zwei als dreiwellige Planetengetriebe ausgeführte Überlagerungsgetriebe angeordnet
sind, umfassend jeweils ein Sonnenrad, ein Hohlrad, einen Steg und
Planetenräder,
wobei die einzelnen Wellen jeweils von den Sonnenrädern, Hohlrädern, Planetenrädern oder
Stegen oder den mit diesen drehfest verbundenen Elementen gebildet
werden. Eine erste Welle des ersten Überlagerungsgetriebes ist drehfest mit
dem Getriebeeingang verbunden. Eine zweite Welle des ersten Überlagerungsgetriebes
und eine zweite Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes sind
wenigstens mittelbar drehfest mit dem Getriebeausgang verbindbar.
Zwischen den dritten Wellen von erstem und zweitem Überlagerungsgetriebe
ist ein stufenloses Getriebe, vorzugsweise in Form eines Zugmittelgetriebes
angeordnet. Es sind Mittel zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses
am Zugmittelgetriebe vorgesehen. Die Kopplung zwischen den einzelnen Überlagerungsgetrieben
und dem stufenlosen Getriebe erfolgt jeweils über ein Verbindungsgetriebe,
umfassend eine Übersetzungsstufe. Die
erste Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes ist über eine
erste Schaltkupplung wahlweise mit dem Getriebeeingang verbindbar.
Die zweite Welle des ersten Überlagerungsgetriebes
und die dritte Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes sind über wenigstens
eine weitere zweite schaltbare Kupplung wahlweise mit dem Getriebeausgang
verbindbar. Der Begriff Welle ist dabei funktional zu verstehen,
wobei unter diesen entweder die einzelnen Elemente der Planetengetriebe-Sonnenrad,
Hohlrad oder Steg- oder die mit diesen drehfest gekoppelten Elemente, beispielsweise
in Form von Wellen oder Hohlwellen, zu verstehen sind. Die einzelnen
Wellen übernehmen dabei
je nach Betriebsbereich die Funktion von Eingängen und Ausgängen.
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Erfindungsgemäß ist das
zweite Überlagerungsgetriebe
als doppelläufiges
Planetengetriebe ausgeführt,
wodurch der Durchmesser des Sonnenrades verringert werden kann.
Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführung
wird die erste Welle des ersten Überlagerungsgetriebes
vom Steg gebildet. Die erste Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes wird
vom Hohlrad des zweiten Planetengetriebes oder drehfest mit diesem
gekoppelten Elementen gebildet, während die zweite Welle des
ersten Überlagerungsgetriebes
vom Sonnenrad des ersten Planetengetriebes und die zweite Welle
des zweiten Überlagerungsgetriebes
vom Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes gebildet wird. Die dritte Welle
des ersten Überlagerungsgetriebes
wird vom Hohlrad des ersten Planetengetriebes und die dritte Welle
des zweiten Planetengetriebes vom Steg oder einem drehfest mit diesem
gekoppelten Element gebildet.
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Die
erfindungsgemäße Lösung bietet
den Vorteil einer Reduzierung der Belastung des stufenlosen Getriebeteils,
insbesondere im zweiten, in der Praxis auch am längsten genutzten Betriebsbereich, welcher
im wesentlichen durch das erste Planetengetriebe bestimmt wird.
Die Auslegung von Hohlrad und Sonnenrad der beiden Planetenradsätze kann beliebig
erfolgen. Diese ist jedoch bei der Gesamtauslegung, insbesondere
der Verbindung zwischen den Ausgängen
und dem stufenlosen Getriebe mit zu berücksichtigen. Durch die Auslegung
des zweiten Überlagerungsgetriebes
kann die Gesamtspreizung des Getriebes beeinflusst werden. Dabei
wird beispielsweise durch Variation des Sonnenrades, insbesondere
des Durchmessers bei gleich bleibender Auslegung des Hohlrades die
Gesamtspreizung des Getriebes direkt beeinflusst. Eine Verkleinerung
bewirkt in der bevorzugten Zuordnung der einzelnen Wellen zu den
Getriebeelementen eine Erhöhung
der Gesamtspreizung bei insgesamt gleich bleibenden Außenabmessungen
des Getriebes.
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Die
Kopplung zwischen den Überlagerungsgetrieben
und dem stufenlosen Getriebe erfolgt jeweils über Verbindungsgetriebe in
Form von Übersetzungsstufen.
Im einfachsten Fall erfolgt diese über einen einfachen Stirnradsatz
mit gerader Anzahl von Stirnrädern,
wobei das jeweilige Eingangsstirnrad dann direkt vom Ausgang des Überlagerungsgetriebes
gebildet werden kann. Beide Kupplungen sind schaltbar, die Leistungsübertragung
erfolgt dabei in der Regel zuerst durch Schalten der ersten Kupplung und
bei Synchronität
zwischen der ersten Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes und der
dritten Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes
bzw. der zweiten Welle des ersten Überlagerungsgetriebes durch
das Schalten der zweiten Kupplung und das Lösen der ersten. Der Kupplungseingriff
kann dabei je nach Ausführung
der Kupplungen auch überlagernd
oder nacheinander erfolgen. Vorzugsweise wird dieser jedoch ohne
Zugkraftunterbrechung vorgenommen und bei Synchronität zwischen
zweiter und dritter Welle des Überlagerungsgetriebes
wird die zweite Kupplung geschaltet. Auch bei dieser Ausführung ist
der Eingang des stufenlosen Getriebes in Form des Zugmittelgetriebes
nicht an die Drehzahl der Antriebsmaschine gebunden, d. h. es besteht zwischen
dem Eingang der Getriebebaueinheit und dem stufenlosen Getriebe
keine drehfeste Verbindung. Diese wird lediglich über das
erste Überlagerungsgetriebe
realisiert. Da dieses zwangsläufig
keine Festsetzung einer ihrer Wellen erfahren, ist durch diese kein
festes Übersetzungsverhältnis vorgegeben.
Das stufenlose Getriebe arbeitet dabei über den gesamten Betriebsbereich
mit maximaler Umlaufgeschwindigkeit bei maximaler Motordrehzahl.
Durch die beiden schaltbaren Kupplungen und deren wechselweise Betätigung,
die eine Überbrückung des zweiten Überlagerungsgetriebes
zur Folge hat, wechselt das stufenlose Getriebe über den gesamten Betriebsbereich
betrachtet quasi zweimal hinsichtlich der Drehzahl. Entscheidend
ist, dass der Kupplungswechsel des zweiten Planetengetriebes ohne
Zugkraftunterbrechung erfolgt. Dabei laufen die Getriebeeingangswelle
und die dritte Welle des zweiten Überlagerungsgetriebes bzw.
die zweite Welle des ersten Überlagerungsgetriebes
synchron.
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Die
Auslegung des ersten Planetenradsatzes erfolgt dabei abhängig davon,
ob der erste oder zweite Betriebsbereich mehr entlastet werden soll. Eine
Verkleinerung der Standübersetzung
bewirkt eine Entlastung im Overdrive, d. h. dem zweiten Betriebsbereich.
Die Standübersetzung
des zweiten Planetengetriebes wird erfindungsgemäß derart gewählt, dass
die erfindungsgemäße Getriebeanordnung
Geared-Neutral fähig
ist und bei maximaler Verstellung am stufenlosen Getriebe ca. 0–30% rückwärts dreht.
Dabei kann bei einer gewählten
Standübersetzung
des ersten Planetengetriebes von ca. –1,6 die Geared-Neutral-Fähigkeit
durch Änderung der
Standübersetzung
des zweiten Planetengetriebes beibehalten werden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist
dadurch charakterisiert, dass in allen Betriebsbereichen keine direkte
drehfeste Kopplung zwischen der Getriebeeingangswelle und dem stufenlosen
Getriebe, insbesondere der jeweils als Eingang des stufenlosen Getriebes,
insbesondere bei Ausbildung als Zugmittelgetriebe der als Eingang
fungierenden Scheibenanordnung existiert, sondern diese über ein Überlagerungsgetriebe
realisiert wird. Damit wird zwar aufgrund der Kopplung zwischen Überlagerungsgetriebe
und stufenlosem Getriebe über
eine Stufe ein festes Übersetzungsverhältnis erzielt,
allerdings sind die einzelnen Größen – Drehzahl
und Moment am Eingang des stufenlosen Getriebe immer abhängig von den
Verhältnissen
am ersten Überlagerungsgetriebe, d.
h. bei Leistungsübertragung über das
Zugmittelgetriebe hat dessen Größe Einfluss
auf die Drehzahl an der Getriebeausgangswelle, wobei diese wiederum in
Rückwirkung
Einfluss auf das erste Überlagerungsgetriebe
ausübt
und damit die Höhe
der übertragbaren
Leistung über
das erste Überlagerungsgetriebe
und die Drehzahl der dritten Welle des ersten Überlagerungsgetriebes. Dadurch
wird erreicht, dass unnötig
hohe Belastungen des stufenlosen Getriebes bei höheren Drehzahlen vermieden
werden. Der Eingang des stufenlosen Getriebes ist somit nicht mehr direkt
an die Drehzahl am Getriebeeingang und damit der mit diesem gekoppelten
der Antriebsmaschine gebunden. Die Drehzahl am Getriebeausgang der Getriebebaueinheit
kann durch Steuerung des stufenlosen Getriebes verändert werden.
Durch die vorgesehene Schaltbarkeit der beiden Kupplungen wird ein
Mehrbereichsgetriebe realisiert, das durch die Ausnutzung des Übersetzungsbereiches
des stufenlosen Getriebes jeweils in den einzelnen Betriebsbereichen
charakterisiert ist. D. h. das stufenlose Getriebe wird in jedem
Betriebsbereich in beiden Richtungen durchlaufen. Die Gesamtspreizung
des Getriebes erhöht
sich dadurch bei gleich oder kleiner dimensioniertem Zugmittelgetriebe.
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Das
stufenlose Getriebe kann vielgestaltig ausgeführt sein, vorzugsweise ist
dieses als kraftschlüssiges
Zugmittelgetriebe ausgeführt.
Dieses umfasst zwei Scheibenanordnungen, eine erste Scheibenanordnung
und eine zweite Scheibenanordnung, wobei die einzelnen Scheiben,
vorzugsweise wenigstens eine zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses
relativ gegeneinander verschiebbar sind. Als Zugmittel finden Riemen,
Ketten und Schubgliederbänder
Verwendung.
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Die
Mittel zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses
umfassen bei Ausgestaltung des Zugmittelgetriebes mit zwei Scheibenanordnungen,
wobei der Abstand der Scheiben einer Scheibenanordnung durch die
Anpresskraft der Scheiben einer Scheibenanordnung variierbar ist
und diese Größe als direkte
Steuergröße oder
eine diese wenigstens mittelbar charakterisierende Größe verwendet
wird, entsprechende Stelleinrichtungen zur Beaufschlagung der einzelnen
Scheiben bzw. zu deren Verschiebung. Diese können beispielsweise elektro-hydraulisch
betrieben werden. Dabei kann entweder nur einer Scheibenanordnung
eine entsprechende Stelleinrichtung zur aktiven Änderung des Laufradius für das Zugmittel
zugeordnet werden, wobei der anderen Scheibenanordnung beispielsweise
vorgespannte Federeinrichtungen zugeordnet sind, die entsprechend
der Änderung
des Abstandes der einzelnen Scheiben und damit des Laufradius an
der mittels der Stelleinrichtung aktiv ansteuerbaren Scheibenanordnung
eine automatische Anpassung der Anpresskraft und damit der Einstellung
des Laufradius ermöglichen.
Eine andere Möglichkeit
besteht in der Ansteuerung beider Scheibenanordnungen. Bezüglich der
konkreten Ausführung
bestehen eine Mehrzahl von bereits aus dem Stand der Technik bekannten
Möglichkeiten,
auf welche daher nicht näher eingegangen
werden soll.
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Andere
Ausführungen
stufenloser Getriebe sind ebenfalls denkbar, beispielsweise Toroidgetriebe,
elektrische Getriebe sowie hydrostatische oder hydrodynamische Getriebe.
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Die
Auslegung der vorgesehenen Übersetzungsstufen
zwischen erstem und zweitem Überlagerungsgetriebe
und dem stufenlosen Getriebe (CVT) erfolgt entsprechend der maximal
zulässigen Drehzahl
am CVT.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin
ist im einzelnen folgendes dargestellt:
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1 verdeutlicht
eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
einer Getriebebaueinheit.
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Die 1 verdeutlicht
in schematisch vereinfachter Darstellung den Grundaufbau einer erfindungsgemäß gestalteten
Getriebebaueinheit 1 in Form einer Überlagerungsgetriebeeinheit,
insbesondere in Form eines Mehrbereichsgetriebes 2. Dieses umfasst
zumindest einen Getriebeeingang E und einen Ausgang A. Der Getriebeeingang
E ist wenigstens mittelbar mit einer Antriebsmaschine verbunden,
das heißt
direkt oder über
weitere Übertragungsmittel.
Der Ausgang A ist mit einem Abtrieb koppelbar. Beim Hauptanwendungsbereich
des erfindungsgemäßen Getriebes 1 in
Fahrzeugen erfolgt dabei die Kopplung des Ausganges A wenigstens mittelbar
mit den anzutreibenden Rädern.
Die Leistungsübertragung
zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A erfolgt in den einzelnen
Betriebsbereichen, vorzugsweise wenigstens zwei Betriebsbereichen,
jeweils unter Ausnutzung zweier Leistungszweige, einem ersten Leistungszweig 3 und
einem zweiten Leistungszweig 4. Im ersten Leistungszweig 3 ist
ein stufenloses Getriebe 5 vorgesehen, welches vorzugsweise
in Form eines Zugmittelgetriebes 6 ausgebildet ist. Andere
Ausführungen
des stufenlosen Getriebes 5 sind ebenfalls denkbar, beispielsweise
in Form eines Toroidgetriebes, wobei hier jedoch beim Toroidgetriebe
eine entsprechende Abstimmung mit der Dimensionierung des mechanischen Getriebeteils,
welcher vom zweiten Leistungszweig gebildet wird, erfolgen muss.
Beim stufenlosen Getriebe 5 in Form des Zugmittelgetriebes
ist der in wenigstens einem Betriebsbereich als Eingang 7 des stufenlosen
Getriebes 5 fungierende Teil frei von einer direkten Kopplung
mit dem Getriebeeingang E und damit der Kopplung mit der Antriebsmaschine. Insbesondere
ist zwischen dem Getriebeeingang E und dem stufenlosen Getriebe 5 kein
festes Übersetzungsverhältnis vorgesehen.
Der jeweilige Ausgang 8 des stufenlosen Getriebes 5 ist
frei von einer direkten Kopplung mit dem Getriebeausgang A. Im Getriebeeingang
E und dem Getriebeausgang A sind dazu zwei Überlagerungsgetriebe 9 und 10 vorgesehen. Die
beiden Überlagerungsgetriebe – erstes Überlagerungsgetriebe 9 und
zweites Überlagerungsgetriebe 10 – sind als
dreiwellige Planetengetriebe 11 und 12 ausgeführt. Dabei
umfasst jedes der Planetengetriebe eine erste Welle, eine zweite
Welle und eine dritte Welle. Die beiden dreiwelligen Planetengetriebe 11 und 12 sind
miteinander gekoppelt und bilden ein vierwelliges Planentengetriebe.
Die erste Welle des ersten Planetengetriebes 11 ist mit 13 bezeichnet,
die zweite Welle mit 14 und die dritte Welle mit 15,
für das
zweite Planetengetriebe 12 ist die erste Welle mit 16,
die zweite Welle mit 17 und die dritte Welle mit 18 bezeichnet.
Die erste Welle 13 des ersten Planetengetriebes 11 ist
dabei mit dem Eingang E der Getriebebaueinheit drehfest verbunden
beziehungsweise wird von dieser gebildet. Die zweite Welle 14 des
ersten Planetengetriebes 11 ist mit dem zweiten Planetengetriebe
verbindbar. Die dritte Welle 15 ist mit dem stufenlosen
Getriebe 5 wenigstens mittelbar, vorzugsweise über eine Übersetzungsstufe 19,
verbunden. Dies gilt in Analogie für das zweite Überlagerungsgetriebe 10 in
Form des zweiten Planetengetriebes 12. Die erste Welle 16 ist
mit dem Getriebeeingang E verbindbar. Die zweite Welle 17 ist mit
dem Ausgang A der Getriebebaueinheit drehfest verbunden, während die
dritte Welle 18 wenigstens mittelbar mit dem stufenlosen
Getriebe verbindbar ist. Die Verbindung erfolgt hier über die
zweite Übersetzungsstufe 20.
Die Verbindung der ersten Welle 16 des zweiten Planetengetriebes 12 erfolgt
dabei über
die Realisierung einer drehfesten Verbindung mit der ersten Welle 13 des
ersten Planetengetriebes 11. Die Übersetzungsstufen 19 und 20 zur
Kopplung des mechanischen Getriebeteils mit dem stufenlosen Getriebe 5 weisen
eine feste Übersetzung
auf. Das erste Überlagerungsgetriebe 9 und
das zweite Überlagerungsgetriebe 10 werden
dabei in den einzelnen Betriebsbereichen wechselweise als Verteiler-
und als Summiergetriebe genutzt. Zur Realisierung der Mehrbereichsarbeitsweise
sind dem zweiten Überlagerungsgetriebe 10 zwei
schaltbare Kupplungen 21 und 22 zugeordnet, die
wahlweise die erste Welle 16 mit dem Eingang E der Getriebebaueinheit 1 beziehungsweise
dem ersten Überlagerungsgetriebe 9 verbinden
und eine zweite schaltbare Kupplung 22, die wahlweise die
dritte Welle 18 mit dem Ausgang A der Getriebebaueinheit 1 und
damit den Ausgang A mit dem stufenlosen Getriebe 5 über die
zweite Übersetzungsstufe 20 verbindet.
Die einzelnen Funktionen von erster Welle, zweiter Welle und dritter
Welle der einzelnen Planetengetriebe 11 und 12 werden dabei
für das
erste Planetengetriebe von einem Steg 23, die Funktion
der zweiten Welle 14 zur Verbindung mit dem zweiten Überlagerungsgetriebe 10 und über dieses
mit dem Ausgang A vom Sonnenrad 25 gebildet, während die
dritte Welle vom Hohlrad 24 gebildet wird. Erfindungsgemäß ist das
zweite Planetengetriebe 12 als doppelläufiges Planetengetriebe ausgeführt. Die
Funktion der ersten Welle 16 des zweiten Überlagerungsgetriebes
wird vom Hohlrad 28 übernommen,
die Funktion der zweiten Welle 17 vom Sonnenrad 27 und
die Funktion der dritten Welle 18 vom Steg 26 gebildet.
Die erste schaltbare Kupplung 21 dient dabei der Verbindung
zwischen dem Hohlrad 28 des zweiten Überlagerungsgetriebes 10 und
dem Eingang E der Getriebebaueinheit 1, während die zweite
schaltbare Kupplung 22 der Kopplung zwischen dem stufenlosen
Getriebe 5, insbesondere der zweiten Übersetzungsstufe 20 und
dem Ausgang A der Getriebebaueinheit 1 dient.
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Das
stufenlose Getriebe ist als Zugmittelgetriebe 6 ausgeführt und
umfasst dabei zwei Scheibenanordnungen 33 und 35,
die über
ein Zugmittel 34 miteinander gekoppelt sind. Je nach Leistungsübertragungsrichtung
fungieren dabei die erste oder zweite Scheibenanordnung 33, 35 als
Eingang oder Ausgang des stufenlosen Getriebes 5. Die Funktionsweise
gestaltet sich wie folgt:
In einem ersten Betriebsbereich wird
die erste Kupplung 21 geschlossen. In diesem Fall besteht
eine direkte Verbindung zwischen dem Eingang E der Getriebebaueinheit 1 und
der ersten Welle 16 des zweiten Überlagerungsgetriebes 10.
In diesem Fall fungiert das erste Überlagerungsgetriebe 9 als
Verteilergetriebe und das zweite Überlagerungsgetriebe 10 als
reines Summiergetriebe. Der Leistungsfluss wird über die erste Welle 16 des
zweiten Überlagerungsgetriebes 10,
die zweite Übersetzungsstufe 20 und das
stufenlose Getriebe 5 geleitet. Durch die Rückwirkung
für das
erste Überlagerungsgetriebe 9 wird die
Drehzahl am Ausgang A der Getriebebaueinheit 1 über die
dritte Welle 18 bestimmt. Dabei wird zwar aufgrund der
Kopplung zwischen dem Überlagerungsgetriebe 9 und
dem stufenlosen Getriebe 5 über die Übersetzungsstufe 19 ein
festes Übersetzungsverhältnis zwischen
diesen erzielt, allerdings sind die einzelnen Größen wie Drehzahl und Moment
im stufenlosen Getriebe 5 immer abhängig von den Verhältnissen
am ersten Überlagerungsgetriebe 9 und
der Schaltung der einzelnen Kupplungen 21 und 22.
Dies bedeutet bei Leistungsübertragung über das
stufenlose Getriebe 5 hat die Größe der dort eingestellten erzielten
Drehzahlen Einfluss auf die Größe der Drehzahl
an der Getriebeausgangswelle A, wobei diese wiederum rückwirkend
Einfluss auf das erste Überlagerungsgetriebe 9 ausübt und damit
die Höhe der übertragbaren
Leistung über
das erste Überlagerungsgetriebe 9 und
die Drehzahl der dritten Welle 15 des ersten Überlagerungsgetriebes 9.
Dadurch wird erreicht, dass unnötige
hohe Belastungen des stufenlosen Getriebes bei höheren Drehzahlen vermieden
werden. Der Eingang des stufenlosen Getriebes 5 ist somit
nicht mehr direkt an die Drehzahl der Antriebsmaschine gekoppelt.
Die Drehzahl am Ausgang der Getriebebaueinheit kann durch die Steuerung des
stufenlosen Getriebes 5 verändert werden. Die Kopplung
jeweils zwischen den einzelnen Scheibenanordnungen 33 und 35 des
stufenlosen Getriebes 5 mit den Überlagerungsgetrieben 9 und 10 erfolgt über entsprechende
Verbindungsgetriebe mit festen Übersetzungsstufen 19, 20.
Zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses
am stufenlosen Getriebe 5 sind Mittel 31 vorgesehen.
Diese sind in Scheibenanordnungen 33 und 35 des
Zugmittelgetriebes 6 zugeordnet, wobei der Abstand der
Scheiben einer Scheibenanordnung 33 beziehungsweise 35 durch die
Anpresskraft der Scheiben variierbar ist und diese Größe als direkte
Steuergröße oder
eine diese wenigstens mittelbar charakterisierende Größe verwendet
wird, ferner umfassen die Mittel eine entsprechende Stelleinrichtung
zur Variation der Anpresskraft, das heißt Stelleinrichtungen zur Beaufschlagung
der einzelnen Scheiben beziehungsweise deren Verschiebung. Dies
kann beispielsweise elektrohydraulisch erfolgen. Dabei wird entweder
nur einer Scheibenanordnung eine entsprechende Stelleinrichtung
zur aktiven Änderung
des Laufradius für
das Zugmittel zugeordnet, wobei der anderen Scheibenanordnung beispielsweise
dann vorgespannte Federeinrichtungen zugeordnet werden, die entsprechend
der Änderung
des Abstandes der einzelnen Scheiben und damit des Laufrades der
mittels der Stelleinrichtung aktiv ansteuerbaren Scheibenanordnung
eine automatische Anpassung der Anpresskraft und damit Einstellung
des Laufradius an der nicht aktiv beeinflussten Scheibenanordnung
ermöglichen. Eine
andere Möglichkeit
besteht in der Ansteuerung beider Scheibenanordnungen. Bezüglich der
konkreten konstruktiven Ausführung
und der steuerungstechnischen Umsetzung bestehen eine Vielzahl aus dem
Stand der Technik hinlänglich
bekannte Möglichkeiten,
auf welche hier daher im einzelnen nicht noch einmal eingegangen
wird. Dies gilt ferner auch für
das Verfahren zur Ansteuerung selbst und die Festlegung der Steuergrößen, Regelgrößen und Führungsgrößen für den Betrieb
des stufenlosen Getriebes sowie die Einbindung dessen in bestehende Antriebskonzepte.
Auch bezüglich
der Ausführung des
stufenlosen Getriebes 5 bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten.
Die Kopplung der beiden Scheibenanordnungen der Ausführung als
Zugmittelgetriebe erfolgt über
ein Zugmittel 34, das beispielsweise in Form eines Riemens,
einer Kette oder eines Gliederbandes ausgeführt werden kann. Andererseits
sind auch andere Arten stufenloser Getriebe denkbar. Dabei kann
es sich um mechanische stufenlose Getriebe handeln oder aber auch
elektrische oder hydraulische stufenlose Getriebe. Bei mechanischen
Getrieben werden dabei die sogenannten Toroidgetriebe zu nennen.
-
Im
zweiten Betriebsbereich II ist die erste Kupplung 21 zwischen
dem stufenlosen Getriebe 5 und dem Getriebeausgang A deaktiviert
und die zweite Kupplung 22 geschlossen. In diesem Fall
besteht zwischen dem Getriebeausgang A mit der dritten Welle des
zweiten Überlagerungsgetriebes
und damit der festen Übersetzungsstufe 20 eine
drehfeste Verbindung, wobei diese ferner mit der zweiten Welle 14 des
ersten Überlagerungsgetriebes 9 verbunden
ist. Dabei sind Sonnenrad 27 und Steg 26 des zweiten Überlagerungsgetriebes
miteinander drehfest verbunden. Dadurch wird der Übersetzungsbereich
des stufenlosen Getriebes 5 sozusagen ein weiteres Mal
genutzt, um eine höhere
Getriebespreizung zu realisieren, wobei die Belastung des stufenlosen
Getriebes reduziert wird. Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen
gewinnt dabei dieser zweite Betriebsbereich eine größere Bedeutung,
da dieser als Hauptbetriebsbereich für den Betrieb des Fahrzeugs
anzusehen ist und das Fahrzeug in hohem Maße, das heißt zwischen 70 und ca. 95%
seiner Betriebsweise, in diesem Betrieb betrieben wird. Die Leistungsübertragung
erfolgt hier vom Getriebeeingang E über das erste Überlagerungsgetriebe 9 über die
erste Übersetzungsstufe 19 auf
das stufenlose Getriebe 5. Dabei ist im dargestellten Fall
die erste Übersetzungsstufe 19 als
Stirnradstufe ausgeführt, wobei
das erste Stirnrad 29 vom Hohlrad 24 des ersten Überlagerungsgetriebes 9 gebildet
wird, während das
zweite mit diesem kämmende
Stirnrad 30 mit dem in diesem Funktionszustand als Eingang 7 des stufenlosen
Getriebes 5 fungierenden Welle 32 oder einem drehfest
mit der ersten Scheibenanordnung 33 gekoppelten Elementes
des stufenlosen Getriebes 5 verbunden ist. Die Leistungsübertragung
erfolgt über das
Zugmittel 34 auf die zweite Scheibenanordnung 35,
die wiederum über
die zweite Übersetzungsstufe 20 in
Form des Stirnradsatzes mit der dritten Welle 18 des Überlagerungsgetriebes 10 verbunden
ist. Der Stirnradsatz umfasst zwei Stirnräder, wobei ein erstes Stirnrad 37 mit
der zweiten Scheibenanordnung 35 verbunden ist, während das
zweite Stirnrad 38 mit der dritten Welle 18 des
zweiten Überlagerungsgetriebes 10 gekoppelt
ist. Auch in diesem Funktionszustand erfolgt die Verstellung des
Abstandes der Scheiben der ersten und zweiten Scheibenanordnung 33 und 35 jeweils
zur Erzielung der gewünschten Übersetzungsverhältnisse
und der Drehzahl am Getriebeausgang A.
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Durch
die Kopplung zwischen dem Sonnenrad 27 und dem Steg 26 läuft das
zweite Überlagerungsgetriebe
mit einer Übersetzung
von 1:1. Die Übersetzung
des Gesamtgetriebes wird in diesem Betriebsbereich hauptsächlich dann über das
stufenlose Getriebe 5 und das erste Planetengetriebe 11 bestimmt.
Dabei erfolgt in diesem eine Änderung
des Übersetzungsverhältnisses
entsprechend der Ansteuerung der einzelnen Scheibenanordnungen. Auch
hier wird der mögliche
Arbeitsbereich des stufenlosen Getriebes durch entsprechende Verstellung der
Scheiben genutzt. Die Umschaltung in den zweiten Betriebsbereich
II erfolgt dabei bei Erreichen der Synchronität zwischen der Drehzahl des
Steges und des Sonnenrades im ersten Betriebsbereich. Die erfindungsgemäße Ausführung eines
Mehrbereichsgetriebes 2 mit einem zweiten Planetengetriebe 12 in Form
des doppelläufigen
Planetengetriebes durch Vorsehen von jeweils paarweisen miteinander
kämmenden
einzelnen Planetenrädern 39.1.1, 39.2.1 bis 39.n.1, 39.n.2.
Dabei wird beispielsweise das CVT mit einer Spreizung von 6,25 betrieben,
das erste Planetengetriebe mit einer Standübersetzung im Bereich zwischen –1,62 bis –3 und das
zweite Planetengetriebe mit einer Standübersetzung im Bereich von –1,9 bis –2,5 betrieben.
-
Der
Hauptanwendungsbereich der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Anwendung
in Fahrzeugen. Andere Anwendungsfälle sind jedoch ebenfalls denkbar,
beispielsweise beim Antrieb von Windkraftanlagen oder anderen Arbeitsmaschinen.
-
- 1
- Getriebebaueinheit
- 2
- Mehrbereichsgetriebe
- 3
- erster
Leistungszweig
- 4
- zweiter
Leistungszweig
- 5
- stufenloses
Getriebe
- 6
- Zugmittelgetriebe
- 7
- Eingang
des stufenlosen Getriebes
- 8
- Ausgang
des stufenlosen Getriebes
- 9
- erstes Überlagerungsgetriebe
- 10
- zweites Überlagerungsgetriebe
- 11
- dreiwelliges
Planetengetriebe
- 12
- dreiwelliges
Planetengetriebe
- 13
- erste
Welle
- 14
- zweite
Welle
- 15
- dritte
Welle
- 16
- erste
Welle
- 17
- zweite
Welle
- 18
- dritte
Welle
- 19
- Übersetzungsstufe
- 20
- Übersetzungsstufe
- 21
- erste
schaltbare Kupplung
- 22
- zweite
schaltbare Kupplung
- 23
- Steg
- 24
- Hohlrad
- 25
- Sonnenrad
- 26
- Steg
- 27
- Sonnenrad
- 28
- Hohlrad
- 29
- erstes
Stirnrad
- 30
- zweites
Stirnrad
- 31
- Mittel
zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses
- 32
- Welle
- 33
- erste
Scheibenanordnung
- 34
- Zugmittel
- 35
- zweite
Scheibenanordnung
- 37
- erstes
Stirnrad
- 38
- zweites
Stirnrad
- 39.n.1–39.n.2
- Planetenräder
- E
- Eingang
- A
- Ausgang