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Die Erfindung betrifft eine Getriebebaueinheit, 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 2005/078314 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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Eine gattungsbildende Getriebebaueinheit in Form eines Mehrbereichsgetriebes, bei welchem ein stufenloser Getriebeteil in Form eines hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlers vorgesehen ist, welcher im Kraftfluß überbrückbar ist, ist aus der Druckschrift
EP 0843 111 A1 vorbekannt.
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Die weiteren Druckschriften offenbaren ebenfalls Mehrbereichsgetriebe, bei welchen zwei dreiwellige Planetenradsätze zu einem vierwelligen zusammengefasst wurden.
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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 des 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, weicher vom zweiten Leistungszweig gebildet wird, erfolgen muss. Beim stufenlosen Getriebe 5 in Form des Zugmitteigetriebes 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 Wehe. Die beiden dreiwelligen Planetengetriebe 11 und 12 sind miteinander gekoppelt und bilden ein vierwelliges Planentengetriebe. Die erste Weile 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 15 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 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 wären dabei die sogenannten Toroidgetriebe zu nennen.
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Im zweiten Betriebsbereich 11 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 der in diesem Funktionszustand als Eingang 7 des stufenlosen Getriebes 5 fungierenden Welle 32 oder einem drehfest mit der ersten Scheibenanordnung 33 gekoppelten Element 44 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 ist durch Vorsehen von jeweils paarweisen miteinander kämmenden einzelnen Planetenrädern 39.1.1, 39.1.2 bis 39.n.1, 39.n.2 dargestellt. 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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
