DE102007006651A1

DE102007006651A1 - Getriebeanordnung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102007006651A1
Application number: DE102007006651A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Kube; Nils Lindenkamp; Michael Herchenhan; Norbert Scholz; Henning Wöhl-Bruhn; Jacob Eelkema; Lars Dr. Hofmann; Hendrik Schröder
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2007-10-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung für Fahrzeuge, umfassend - eine mit einem Verbrennungsmotor gekoppelte oder koppelbare Getriebeeingangswelle (12) - eine mit einer Fahrzeugachse gekoppelte oder koppelbare Getriebeausgangswelle (50) und - einen zwischen der Getriebeeingangswelle (12) und der Getriebeausgangswelle (50) angeordneten Ravigneaux-Planetensatz mit einem Hohlrad (16) und einem ersten Sonnenrad (20) und einem zweiten Sonnenrad (24), die über eine Mehrzahl von Planetenrädern mit dem Hohlrad (16) gekoppelt sind, wobei das erste Sonnenrad (20) mit einem Rotor (26) einer ersten Elektromaschine (28) gekoppelt ist und das zweite Sonnenrad (24) mit einem Rotor (30) einer zweiten Elektromaschine (32) gekoppelt ist und die Mehrzahl von Planetenrädern (18; 22) eine erste Gruppe von Planetenrädern (18) und eine zweite Gruppe von Planetenrädern (22) umfasst, wobei die Planetenräder (18; 22) einer der Gruppen von Planetenrädern mit dem ersten Sonnenrad (20) kämmen und die Planetenräder (22; 18) der anderen der Gruppen Planetenrädern mit dem zweiten Sonnenrad (24) kämmen und wobei nur Planetenräder (18) einer der Gruppen von Planetenrädern (18, 22) mit dem Hohlrad (16) kämmen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Planetenräder der zweiten Gruppe jeweils zwei axiale Abschnitte (220; 222) unterschiedlichen Durchmessers aufweisen und mit einem ersten Abschnitt (220) geringeren Durchmessers mit den Planetenrädern (18) der ersten Gruppe kämmen ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Getriebeanordnung für Fahrzeuge, umfassend

– eine mit einem Verbrennungsmotor gekoppelte oder koppelbare Getriebeeingangswelle
– eine mit einer Fahrzeugachse gekoppelte oder koppelbare Getriebeausgangswelle und
– einen zwischen der Getriebeeingangswelle und der Getriebeausgangswelle angeordneten Ravigneaux-Planetensatz mit einem Hohlrad und einem ersten und einem zweiten Sonnenrad, die über eine Mehrzahl von Plaretenrädern mit dem Hohlrad gekoppelt sind,

Eine derartige Getriebeanordnung ist bekannt aus der DE 2005 014 332 A1 . Dort wird ein Automatikgetriebe mit einem Ravigneaux-Planetensatz offenbart, bei dem beide Sonnenräder des Ravigneaux-Satzes mit dem Rotor jeweils einer Elektromaschine gekoppelt sind.
Unter einem Ravigneaux-Planetensatz versteht man eine Anordnung, bei der ein innenverzahntes Hohlrad über eine Mehrzahl von außenverzahnten Planetenrädern mit zwei ebenfalls außenverzahnten Sonnenrädern gekoppelt ist. Die Kopplung zwischen dem Hohlrad und dem ersten Sonnenrad erfolgt dabei über eine erste Gruppe von Planetenrädern. Die Kopplung zwischen dem Hohlrad und dem zweiten Sonnenrad erfolgt hingegen über Planetenräder der ersten Gruppe und Planetenräder einer zweiten Gruppe, die mit Planetenrädern der ersten Gruppe kämmen. Dabei ist üblicherweise eine Gruppe von Planetenrädern axial so lang ausgebildet, dass sie in einem ersten axialen Abschnitt mit dem ihnen zugeordneten Sonnenrad und in einem zweiten axialen Abschnitt mit den Planetenrädern der anderen Gruppe kämmen.
Bei der bekannten Ausführungsform ist jeder Rotor der Elektromaschinen drehfest mit derjenigen Welle verbunden, die auch das diesem Rotor zugeordnete Sonnenrad trägt. Mit anderen Worten sind die einander zugeordneten Sonnenräder und Elektromaschinen-Rotoren drehfest miteinander verbunden.
Bei der bekannten Ausführungsform werden die Elektromaschinen als Ersatz für jeweils ein Schaltelement, wie beispielsweise eine Schaltkupplung oder eine Bremse, verwendet, um ein ansonsten unverändertes Automatik-Stufengetriebe im Hybridbetrieb einsetzbar zu machen: Durch geeignete Ansteuerung der Elektromaschinen, die sowohl als Generator als auch als Motor betreibbar sind, kann innerhalb jeder Schaltstufe ein begrenzter Übersetzungsbereich stufenlos geregelt werden. Der Vorteil der bekannten Ausführungsform liegt darin, den Aufwand für die Umrüstung eines herkömmlichen Automatikgetriebes für die Eignung zum Hybridbetrieb zu minimieren. D.h., es wird ein für den herkömmlichen Automatikbetrieb optimiertes Getriebe ohne erhebliche konstruktive Änderungen für den Hybridbetrieb geeignet gemacht.
Nachteilig hierbei ist jedoch, dass das Getriebe nach wie vor für den herkömmlichen Automatikbetrieb optimiert ausgelegt ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Getriebeanordnung besser für den Hybridbetrieb anzupassen.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Planetenräder der zweiten Gruppe jeweils zwei axiale Abschnitte unterschiedlichen Durchmessers aufweisen und mit einem ersten Abschnitt geringeren Durchmessers mit den Planetenrädern der ersten Gruppe kämmen und mit einem zweiten Abschnitt größeren Durchmessers mit dem zweiten Sonnenrad kämmen.
Dabei kann je nach Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Planetenräder der ersten Gruppe mit dem ersten Sonnenrad und die Planetenräder der zweiten Gruppe mit dem zweiten Sonnenrad kämmen oder auch dass die Planetenräder der zweiten Gruppe mit dem ersten Sonnenrad und die Planetenräder der ersten Gruppe mit dem zweiten Sonnenrad kämmen.
Anders als beim Stand der Technik ragen die Planetenräder der zweiten Gruppe mit ihren ersten Abschnitten geringeren Durchmessers in den axialen Überlappungsbereich der Planetenräder der ersten Gruppe mit dem zugeordneten Sonnenrad hinein. Es versteht sich, dass der Durchmesser des ersten Abschnitts der Planetenräder der zweiten Gruppe kleiner ist als der Durchmesser der Planetenräder der ersten Gruppe. Auf diese Weise wird es möglich, die beiden Sonnenräder ähnlich groß im Durchmesser zu gestalten, wobei mittels Wahl des Durchmessers des zweiten Abschnitts der Planetenräder der zweiten Gruppe die Anpassung an den gewünschten Durchmesser der Sonnenräder vorgenommen werden kann. Diese Anordnung wird nachfolgend als "erweiterter Ravigneaux-Satz" bezeichnet. Diese Ausgestaltung führt weg von der Anpassung eines herkömmlichen Automatikgetriebes an den Hybridbetrieb und ermöglicht eine für den Hybridbetrieb optimierte Getriebeanordnung mit im Wesentlichen nur zwei Betriebsmoden innerhalb derer Übersetzungen stufenlos regelbar sind.
Diese Möglichkeit kann insbesondere, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, vorteilhaft genutzt werden, indem das Hohlrad drehfest mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist. Dies kehrt den Kraftfluss im Getriebe gegenüber dem bekannten Stand der Technik um. Wird das Moment des Verbrennungsmotors über das Hohlrad des erweiterten Ravigneaux-Satzes in das Getriebe eingeleitet, ergeben sich zwei mögliche Kraftflusswege sowie eine zusätzliche elektrische Verzweigung, sodass mechanische Energie in unterschiedlicher Wichtung über die verschiedenen Zweige zur Getriebeausgangswelle geführt werden kann.
Bevorzugt sind Kupplungsmittel vorgesehen, mit denen alternativ eines der Sonnenräder oder ein Planetenträger, auf dem wenigstens die Mehrzahl von Planetenrädern der zweiten Gruppe drehbar gelagert sind, mit der Getriebeausgangswelle koppelbar ist. Diese Kupplungsmittel bestehen im einfachsten Fall aus zwei mechanischen Kupplungen, von denen eine erste eines der Sonnenräder zusätzlich zu dessen Kopplung mit der zugeordneten Elektromaschine über eine Zahnradverbindung mit der Getriebeausgangswelle koppelt. Die zweite mechanische Kupplung koppelt den Planetenträger über eine Zahnradverbindung mit der Getriebeausgangswelle. Die beiden mechanischen Kupplungen arbeiten dabei einander ergänzend, sodass jeweils genau eine Kupplung geschlossen und eine geöffnet ist. Im Rahmen dieser Offenbarung wird dasjenige Sonnenrad als zweites Sonnenrad angesprochen, das auf diese Weise mit der Getriebeausgangswelle koppelbar ist.
Zusätzlich zu den mechanischen Kupplungsmitteln sind vorzugsweise Steuermittel vorgesehen, die die Elektromaschinen untereinander und mit einem elektrischen Energiespeicher in elektrische Energie austauschender Weise koppeln. Diese Steuermittel realisieren die oben angesprochene elektrische Verzweigung sowie die stufenlose Verstellung der Übersetzung durch jeweiliges Bremsen bzw. Antreiben der mit den angesteuerten Elektromaschinen gekoppelten Sonnenräder des erweiterten Ravigneaux-Satzes. Details der mechanischen und elektrischen Verzweigungen werden im speziellen Teil der Beschreibung anhand konkreter Ausführungsbeispiele diskutiert.
Um auch eine Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs zu ermöglichen, kann es ausreichend sein, die oben genannten Kupplungs- und Steuermittel geeignet anzusteuern. Soll das Fahrzeug jedoch in der Lage sein, sehr große Steigungen dauerhaft rückwärts befahren zu können, kann es vorteilhaft sein, wenn die Kopplung der Getriebeausgangswelle mit einem der Elemente des Ravigneaux-Planetensatzes, d.h. mit einem der Sonnenräder oder dem Planetenträger, über ein schaltbares Drehrichtungsumkehrungselement erfolgt. Derartige Elemente, die beispielsweise durch zwei geeignete zusätzliche Stirnräder und eine mechanische Kupplung realisiert werden können, sind im Stand der Technik hinreichend bekannt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, der Rotor wenigstens einer Elektromaschine drehfest mit derjenigen Welle, die das mit diesem Rotor gekoppelte Sonnenrad trägt, verbunden sein. Dies bietet sich insbesondere bei einer koaxialen Anordnung der Elektromaschine mit dem Rest des Getriebes an. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Rotor wenigstens einer Elektromaschine über eine Mehrzahl dauerhaft miteinander kämmender Zahnräder mit derjenigen Welle, die das mit dem Rotor gekoppelte Sonnenrad trägt, gekoppelt ist. Diese Variante bietet sich insbesondere an, wenn die Elektromaschine so groß ausgestaltet werden muss, dass eine koaxiale Anordnung aus Bauraumgründen unvorteilhaft ist und die Elektromaschinen stattdessen parallel zueinander angeordnet sind.
Sowohl bei der koaxialen als auch bei der parallelen Anordnung der Elektromaschinen kann wenigstens eine Elektromaschine koaxial zu der Getriebeausgangswelle angeordnet sein.
Je nach Auslegung der Getriebeanordnung in Anpassung an die speziellen Bauraumvorgaben können beide Elektromaschinen auf einer Seite des Achsgetriebe-Stirnrades angeordnet sein. Alternativ kann auf jeder Seite des Achsgetriebe-Stirnrades je eine Elektromaschine vorgesehen sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen
1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
2: den Leistungsfluss in einem ersten Betriebsmodus der Getriebeanordnung von 1.
3: den Leistungsfluss in einem zweiten Betriebsmodus der Getriebeanordnung von 1.
4: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
5: eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
6: eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
7: eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
8: eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
9: eine siebte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
10: eine achte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
11: eine neunte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
12: eine zehnte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
13: den Leistungsfluss in einem ersten Betriebsmodus der Getriebeanordnung von 12.
14: den Leistungsfluss in einem zweiten Betriebsmodus der Getriebeanordnung von 12.
15: eine elfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
16: eine zwölfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
17: eine dreizehnte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
18: eine vierzehnte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung.
19: ein schematisches Diagramm der Drehzahlverhältnisse bei einer Getriebeanordnung gemäß einer der Ausführungsformen der 1, 4-9, 12-14 und 16.
20: ein schematisches Diagramm der Drehzahlverhältnisse bei einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung gemäß einer Ausführungsform der 10, 11, 15, 17 und 18.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung 10. Das Moment eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors wird über eine Antriebswelle 11 zu der Anordnung 10 geleitet. Über Kupplungsmittel 14, die vorzugsweise als Einscheibentrockenkupplung ausgeführt sind, ist die Antriebswelle 11 mit der Getriebeeingangswelle 12, die das Hohlrad 16 eines erweiterten Ravigneaux-Planetensatzes trägt, koppelbar. Das Hohlrad 16 kämmt mit einem Satz erster Planetenräder 18, die ihrerseits mit einem ersten Sonnenrad 20 kämmen. Weiter kämmen die ersten Planetenräder mit ersten axialen Abschnitten 220 eines Satzes zweiter Planetenräder 22. Die ersten axialen Abschnitte 220 der zweiten Planetenräder 22 sind im Durchmesser kleiner als die ersten Planetenräder 18, sodass sie weder mit dem Hohlrad 16 noch mit dem ersten Sonnenrad 20 kämmen. Der bislang beschriebene Teil des erweiterten Ravigneaux-Satzes ist in der Teilfigur b) als schematischer Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B der Hauptzeichnung von 1 illustriert.
An die zuvor beschriebenen ersten axialen Abschnitte 220 der zweiten Planetenräder 22 schließt sich jeweils ein zweiter Abschnitt 222 größeren Durchmessers an. Dieser kämmt mit einem zweiten Sonnenrad 24, das vorzugsweise einen ähnlichen Durchmesser aufweist wie das erste Sonnenrad 20. Der hier beschriebene Teil des Ravigneaux-Satzes ist in der Teilfigur a) als Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A der Hauptzeichnung von 1 illustriert. Die nicht in der Ebene A-A liegenden Elemente, wie etwa das Hohlrad 16 und die ersten Abschnitte 222 der zweiten Planetenräder 22 sind in Teilfigur a) gestrichelt angedeutet. Beide Sonnenräder 20 und 24 sind jeweils mit einem Rotor einer von zwei Elektromaschinen gekoppelt und zwar das erste Sonnenrad 20 mit dem Rotor 26 einer ersten Elektromaschine 28 und das zweite Sonnenrad 24 mit dem Rotor 30 einer zweiten Elektromaschine 32. Die Kopplung zwischen den Sonnenrädern 20 bzw. 24 und den Rotoren 26 bzw. 30 ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform durch drehfeste Verbindung der jeweils einander zugeordneten Elemente mit derselben Welle, d.h. durch starre Kopplung von Rotor und zugeordnetem Sonnenrad, realisiert.
Die Elektromaschinen 28 und 32 stehen mit einer elektronischen Getriebesteuerung 34 in elektrischer Verbindung. Die elektronische Getriebesteuerung 34 ist ihrerseits elektrisch mit einer Fahrzeugbatterie 36 gekoppelt. Die elektrische Verbindung bzw. Kopplung der Elektromaschinen 28, 32 mit der elektronischen Getriebesteuerung 34 und weiter mit der Batterie 36 ist nicht nur eine Steuersignale austauschende Kopplung sondern eine Kopplung über die auch elektrische Energie in erheblichem Maße ausgetauscht werden kann.
Wie erläutert, wird mechanische Leistung des nicht dargestellten Verbrennungsmotors über das Hohlrad 16 in den erweiterten Ravigneaux-Satz eingeleitet. Zur Ableitung der mechanischen Leistung an nachfolgende Komponenten eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs stehen zwei alternative Ableitungswege zur Verfügung, die alternativ geschaltet werden können und nachfolgend beschrieben werden sollen. Zur Realisierung der alternativen Schaltung sind erste Kupplungsmittel 38 und zweite Kupplungsmittel 40 vorgesehen.
Bei Schaltung des ersten Ableitungsweges ist die zweite Kupplung 40 geöffnet, sodass der Steg 42 der zweiten Planetenräder 22 frei rotiert. Im Gegensatz dazu ist die erste Kupplung 38 geschlossen. Diese verbindet über ein auf der Welle des zweiten Sonnenrades 24 angeordnetes erstes Kupplungsstirnrad 43 ein mit dem zweiten Sonnenrad 24 gekoppeltes zweites Kupplungsstirnrad 44 mit einem ersten Eingangsstirnrad 46 des Achsgetriebes, umfassend ein Achsgetriebe-Stirnrad 48 und die Getriebeausgangswelle 50. Die mechanische Leistung wird somit über das zweite Sonnenrad 24 aus dem erweiterten Ravigneaux-Satz ab- und über die erste Kupplung 38 in das Achsgetriebe eingeleitet.
Der alternative, zweite Ableitungsweg wird geschaltet, indem die erste Kupplung 38 geöffnet und die zweite Kupplung 40 geschlossen wird. In diesem Fall wird mechanische Leistung aus dem erweiterten Ravigneaux-Satz über den Steg 42 der zweiten Planetenräder 22 und die Kupplung 40 auf ein zweites Eingangsstirnrad 52 des Achsgetriebes geleitet, das einerseits mit einem Verbindungsstirnrad 54 und anderseits mit dem Achsgetriebe-Stirnrad 48 kämmt.
Die oben beschriebenen Verhältnisse sind in Teilfigur c) nochmals als Querschnitt entlang der Schnittlinie C-C in der Hauptzeichnung von 1 dargestellt, wobei die außerhalb der Schnittebene C-C liegenden Elemente, nämlich die miteinander kämmenden Kupplungsräder 43 und 44 in Teilfigur c) gestrichelt dargestellt sind.
Zur Erläuterung der Funktion der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung sind die beiden alternativen Leistungsflüsse in den 2 und 3 illustriert. Dargestellt als Linien verbreiteter Strichstärke sind die alternativen Leistungsflüsse beim rein verbrennungsmotorischen Betrieb (Batterieleistung Null). Dies stellt jedoch keine Einschränkung der Erfindung dar.
Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Getriebeanordnung auch im teilweise oder vollständig elektrischen Betrieb einsetzbar. Der Fachmann wird die in diesen Fällen resultierenden Leistungsflüsse anhand der hier offenbarten Lehre leicht herleiten können.
2 stellt den Leistungsfluss bei geschlossener erster Kupplung 38 und geöffneter zweiter Kupplung 40 dar. Dieser Betriebszustand soll nachfolgend als erster Betriebsmodus bezeichnet werden. Die Verbrennungsmotorleistung wird in diesem ersten Modus über die Motorkupplungsmittel 14 und das Hohlrad 16 in den erweiterten Ravigneaux-Planetensatz eingeleitet. Damit das Drehmoment auf das zweite Sonnenrad 24 übertragen werden kann, muss das Moment des Verbrennungsmotors über das erste Sonnenrad 20 abgestützt werden. Da die erste Elektromaschine 28 mit dem ersten Sonnenrad 20 verbunden ist und in der Regel eine Drehzahl verschieden von Null aufweist, nimmt die erste Elektromaschine 28 Leistung auf, die über den elektrischen Zweig, d.h. über die elektronische Getriebesteuerung 34 zur zweiten Elektromaschine 32 übertragen wird. Da die zweite Elektromaschine 32 mit dem zweiten Sonnenrad 20 verbunden ist, wird die elektrische Leistung über die erste Kupplung 38 an das erste Eingangsrad 46 des Achsgetriebes und über dieses an die Getriebeausgangswelle 50 weitergeleitet. Die über den elektrischen Zweig übertragene Leistung bildet aber nur einen geringen Teil der vom Verbrennungsmotor an den Abtrieb übertragenen Leistung. Der wesentliche Anteil der Leistung wird mit hohem Wirkungsgrad mechanisch über die ersten Planetenräder 18 und die zweiten Planetenräder 22 auf das zweite Sonnenrad 24 übertragen, das bei geschlossener erster Kupplung 38 fest mit dem ersten Eingangsrad 46 des Achsgetriebes verbunden ist.
3 stellt den Leistungsfluss im nachfolgend als zweiter Betriebsmodus bezeichneten Betriebszustand dar, in dem die erste Kupplung 38 geöffnet und die zweite Kupplung 40 geschlossen ist. Auch in diesem Fall erfolgt die Einleitung der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors über die Motorkupplung 14 und das Hohlrad 16 in den erweiterten Ravigneaux-Planetensatz. Auch hier wird das Moment des Verbrennungsmotors über das erste Sonnenrad 20 abgestützt. Es ergibt sich auch in diesem zweiten Betriebsmodus ein elektrischer Zweig über die erste Elektromaschine 28, die elektronische Getriebesteuerung 34 und die zweite Elektromaschine 32, deren mechanische Leistung jedoch in diesem Fall über das zweite Sonnenrad 24 und die zweiten Planetenräder 22 auf den Steg 42 sowie nachfolgend über die zweite Kupplung 40 und das zweite Eingangsrad 52 des Achsgetriebes auf die Getriebeausgangswelle 50 übertragen wird. Der Hauptteil der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors wird jedoch mit hohem mechanischem Wirkungsgrad über die ersten Planetenräder 18 und die zweiten Planetenräder 22 auf den Steg 42 und zusammen mit der elektrischen Leistung auf dem oben beschriebenen Weg zur Getriebeausgangswelle 50 geleitet.
Man beachte, dass die 2 und 3 nur schematisch die auftretenden Leistungen im mechanischen und elektrischen Zweig des Getriebes darstellen. Die Höhe der im jeweiligen Zweig übertragenen Leistung hängt neben den Drehzahlen im erweiterten Ravigneaux- Planetensatz aufgrund der nicht linearen Wirkungsgrade der Elektromaschinen 28 und 32 auch von den auftretenden Momenten ab. Ferner kann sich die Richtung des Leistungsflusses im elektrischen Zweig mit Drehzahlverschiebung einer der Elektromaschinen 28, 32 in den negativen Drehzahlbereich umkehren.
Die 4 bis 11 stellen leicht abgewandelte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung dar, die alle wie die Ausführungsform von 1 eine koaxiale Anordnung der Elektromaschinen 28, 32 aufweisen. Zur Vermeidung von Wiederholungen und zur besseren Übersichtlichkeit halber sind in den Figuren gleich oder äquivalente Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und in der nachfolgenden Beschreibung werden lediglich die Unterschiede zu der Ausführungsform von 1 dargestellt.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Motorkupplung 14' am gegenüber 1 anderen Getriebeende angeordnet ist. Eine solche Variation kann im Hinblick auf Bauraumoptimierung erfolgen und ändert nichts an dem zuvor beschriebenen Funktionsprinzip.
5 zeigt eine Ausführungsform mit gegenüber Figur umgekehrten Funktionsanordnung der Planetenräder 18, 22. Bei dieser Anordnung wird das Moment der Verbrennungskraftmaschine über die zweiten Planetenräder 22 eingeleitet. Entsprechend kämmen bei dieser Ausführungsform die zweiten Planetenräder 22 mit dem ersten Sonnenrad 20 und die ersten Planetenräder 18 mit dem zweiten Sonnenrad 24.
6 zeigt eine Ausführungsform, bei der der erweiterte Ravigneaux-Satz funktionell wie bei der Ausführungsform von 5, jedoch räumlich gespiegelt gestaltet ist. Die Elektromaschinen 28 und 32 sind bei dieser Ausführungsform auf zwei unterschiedlichen Seiten des Achsgetriebe-Stirnrades 48 angeordnet sind.
7 zeigt eine Ausführungsform, die sich von derjenigen von 6 im Wesentlichen durch eine räumliche Spiegelung des erweiterten Ravigneaux-Satzes unterscheidet.
Die Ausführungsform von 8 entspricht im Wesentlichen einer Spiegelung der Ausführungsform von 6 um die Ebene des Achsgetriebe-Stirnrades 48, wobei jedoch der Getriebeeingang auf derselben Seite verbleibt.
Die Ausführungsform von 9 entspricht im Wesentlichen einer Spiegelung der Ausführungsform von 7 um die Ebene des Achsgetriebe-Stirnrades 48, wobei jedoch der Getriebeeingang auf derselben Seite verbleibt.
10 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein eigener Rückwärtsgang realisiert ist. Hierzu ist parallel zu der ersten Kupplung 38 eine alternative erste Kupplung 38' vorgesehen, die das zweite Sonnenrad 24 über ein zusätzliches Drehrichtungs-Umkehrungsrad 56 und ein alternatives erstes Eingangsrad 46' des Achsgetriebes mit der Getriebeausgangswelle 50 koppelt. Man beachte, dass ein Rückwärtsgang grundsätzlich durch geeignete Wahl der Relativdrehzahlen des Verbrennungsmotors und der Elektromaschinen 28, 32 realisierbar ist. Soll das Fahrzeug jedoch auch geeignet sein, große Steigungen, z.B. größer als 35%, dauerhaft rückwärts befahren zu können, ist das Vorsehen eines eigenen Rückwärtsgangs günstig, sodass der gesamte Drehzahlbereich des ersten Betriebsmodus einmal für Vorwärtsfahrt und einmal für Rückwärtsfahrt genutzt werden kann.
11 stellt eine Ausführungsform dar, bei der die von 1 abweichenden Merkmale der Ausführungsformen der 4 und 10 kombiniert sind. D.h. die Motorkupplung 14' ist gegenüber der Ausführungsform von 1 am anderen Getriebeende angeordnet und es ist ein zusätzlicher Rückwärtsgang realisiert.
12 stellt eine Ausführungsform dar, bei der die zweite Elektromaschine als alternative zweite Elektromaschine 32' von ihrer koaxialen Anordnung wie bei den Ausführungsformen der 1 und 4 bis 6 versetzt und parallel zu der ersten Elektromaschine 28 angeordnet ist. Die Abmessungen der elektrischen Maschinen steigen mit zunehmender Maximalleistung und zunehmendem Maximalmoment des Verbrennungsmotors, sodass die parallele Anordnung der zweiten elektrischen Maschine sinnvoll werden kann.
Die 13 und 14 zeigen den Leistungsfluss in den zwei möglichen Betriebsmoden bei einer parallelen Anordnung der Elektromaschinen 28 und 32' und sind analog den 2 und 3 zu lesen.
15 zeigt eine Ausführungsform entsprechend derjenigen von 12, wobei jedoch ein separater, schaltbarer Rückwärtsgang realisiert ist.
Die Ausführungsform von 16 entspricht im Wesentlichen derjenigen von 12, wobei jedoch die zweite Elektromaschine 32' koaxial zur Getriebeausgangswelle 50 angeordnet ist.
17 zeigt eine Variante, die funktional im Wesentlichen der von 15 entspricht, wobei jedoch die zweite Elektromaschine 32' im Bereich Kupplung 38 angeordnet ist.
18 stellt schließlich eine Variante dar, die die Ausführungsform von 17 mit der alternativen Anordnung der Motorkupplung 14' von 4 kombiniert.
Einen Einblick in die im Getriebe auftretenden Drehzahlen gibt die schematische Darstellung von 19. Dort wird als Beispiel eine konstante Drehzahl des Verbrennungsmotors bei geschlossener Motorkupplung 14 gewählt. Man beachte, dass diese Wahl jedoch keine Einschränkung der Erfindung darstellen soll, sondern lediglich zur einfachen Illustration der Erfindung dient. 19 stellt schematisch die Drehzahlen der ersten Elektromaschine 28 und der zweiten Elektromaschine 32 bzw. 32' dar. Die entsprechenden Graphen sind mit den Bezugzeichen der zugehörigen Elektromaschinen gekennzeichnet. Dargestellt ist die Entwicklung der Drehzahlverhältnisse über die Fahrzeuggeschwindigkeit. Die konstante Linie bei 2000 U/min stellt die zuvor erwähnte konstant gehaltene Drehzahl des Verbrennungsmotors dar. Bei Fahrzeuggeschwindigkeit null beträgt auch die Drehzahl der zweiten Elektromaschine 32 bzw. 32', die im ersten Betriebsmodus über die Welle des zweiten Sonnenrades 24 bzw. das Momenteneinleitungsrad 58, die erste Kupplung 38 und das erste Eingangsrad 46 des Achsgetriebes mit der Getriebeausgangswelle 50 verbunden ist, ebenfalls null und steigt bis zu einem Modenwechsel linear mit der Fahrzeuggeschwindigkeit an. Die erste Elektromaschine 28 bestimmt dabei die Drehzahl des Verbrennungsmotors. Ihre Drehzahl fällt entsprechend im ersten Betriebsmodus mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit. Zu einem gegebenen Zeitpunkt, der vorzugsweise von der Getriebesteuerung in Abhängigkeit vorgegebener Betriebsparameter gewählt wird, erfolgt ein Modenwechsel. Bei der gewählten Darstellung von 19 erfolgt dieser bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von etwa 30 km/h. Nach dem Modenwechsel ändern sich bei beiden Elektromaschinen 28, 32 bzw. 32' die Steigungen der Drehzahl-Geraden. Mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit verringert sich nun die Drehzahl der zweiten Elektromaschine 32 bzw. 32', während die Drehzahl der ersten Elektromaschine 28 ansteigt.
Selbstverständlich gibt das Diagramm von 19 nur einen groben Einblick in die Drehzahlverhältnisse des Getriebes wieder. Diese hängen im Detail von den einzustellenden Drehzahlen des Verbrennungsmotors ab. Für unterschiedliche Drehzahlen des Verbrennungsmotors ergeben sich unterschiedliche Drehzahlverläufe für die Elektromaschinen 28, 32 bzw. 32'. Man beachte, dass in der praktischen Ausführung die Dimensionierung der einzelnen Elemente der Getriebeanordnung so gewählt ist, dass die Relativdrehzahlen der Schaltelemente beim Modenwechsel etwa null sind. Hierdurch ergibt sich, dass sich die in 19 bei ca. 30 km/h eingezeichnete Modengrenze, bei der vom ersten zum zweiten Betriebsmodus gewechselt wird, mit höherer Drehzahl des Verbrennungsmotors zu höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten hin verschiebt. Somit bleibt die Eigenschaft des Getriebes, dass beim Modenwechsel weder ein Sprung der Drehzahl des Verbrennungsmotors noch der Drehzahlen der elektrischen Maschinen auftritt, erhalten.
Grundsätzlich besitzt das Getriebe in den gezeigten Ausführungsformen drei Basis-Übersetzungen, an denen jeweils eine der Elektromaschinen 28 oder 23 bzw. 32' stillstehen. Diese Basis-Übersetzungsverhältnisse werden vor allem durch die Wahl der Achsgetriebeübersetzung, d.h. der Verzahnungsverhältnisse der Räder 54, 52, und 48, sowie den Standübersetzungen im erweiterten Ravigneaux-Planetensatz bestimmt. Die Basis-Übersetzungen sind in 19 durch die Punkte P1, P2 und P3 gekennzeichnet. Durch eine Verschiebung der Punkte P1, P2 und P3 werden die Steigungen der Drehzahlgeraden mit verändert. Umgekehrt ist es bei den Ausführungsformen mit dem zusätzlichen Momenteneinleitungsrad 58 möglich, durch geeignete Verzahnungswahl die Steigung der Drehzahlgeraden der zweiten Elektromaschine 32' einzustellen, ohne die Punkte P1 bis P3, d.h. die Basis-Übersetzungen verschieben zu müssen. Dies ist in 19 durch den schraffierten Variationsbereich um den Graphen 32, 32' angedeutet.
20 zeigt ein Diagramm der Drehzahlverhältnisse der Elektromaschinen 28, 32 bzw. 32' bei Ausführungsformen mit eigenem Rückwärtsgang, d.h. insbesondere bei Ausführungsformen gemäß den 10, 11, 15, 17 und 18. Wie auch in dem zuvor erläuterten Diagramm von 19 wird beispielhaft ein Verlauf gezeigt, bei dem die Drehzahl des Verbrennungsmotors konstant auf ca. 2000 U/min gehalten wird. Der Übersichtlichkeit halber sind jedoch die Basis-Übersetzungen P1 bis P3 und evtl. realisierbare Variationsbereiche in 20 nicht eingezeichnet.
Natürlich stellen die in den Figuren illustrierten und in der speziellen Beschreibung erläuterten Ausführungsformen nur exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann sind im Rahmen der hier offenbarten Lehre vielfältige Variationsmöglichkeiten anhand gegeben. Insbesondere wird sich die Dimensionierung und Auslegung der einzelnen Elemente und ihrer Verhältnisse zueinander stets an der angestrebten, speziellen Anwendung zu orientieren haben.

10: Getriebeanordnung
11: Antriebswelle
12: Getriebeeingangswelle
14: Kupplung zum Verbrennungsmotor
14': alternative Kupplung zum Verbrennungsmotor
16: Hohlrad
18: erste Planetenräder
20: erstes Sonnenrad
22: zweite Planetenräder
220: erster Abschnitt von 22
222: zweiter Abschnitt von 22
24: zweites Sonnenrad
26: Rotor von 28
28: erste Elektromaschine
30: Rotor von 32
32: zweite Elektromaschine
32': alternative zweite Elektromaschine
34: elektronische Getriebesteuerung
36: Batterie
38: erste Kupplung
38': alternative erste Kupplung
40: zweite Kupplung
40': alternative zweite Kupplung
42: Steg
43: erstes Kupplungsstirnrad von 38
44: zweites Kupplungsstirnrad von 38
46: erstes Eingangsstirnrad in Achsgetriebe
46': alternatives erstes Eingangsstirnrad in Achsgetriebe
48: Achsgetriebe-Stirnrad
50: Getriebeausgangswelle
52: zweites Eingangsstirnrad in Achsgetriebe
54: Verbindungsstirnrad
56: Drehrichtungsumkehrrad
58: Momenteneinleitungsrad für 32'

Claims

Getriebeanordnung für Fahrzeuge, umfassend – eine mit einem Verbrennungsmotor gekoppelte oder koppelbare Getriebeeingangswelle (12) – eine mit einer Fahrzeugachse gekoppelte oder koppelbare Getriebeausgangswelle (50) und – einen zwischen der Getriebeeingangswelle (12) und der Getriebeausgangswelle (50) angeordneten Ravigneaux-Planetensatz mit einem Hohlrad (16) und einem ersten Sonnenrad (20) und einem zweiten Sonnenrad (24), die über eine Mehrzahl von Planetenrädern mit dem Hohlrad (16) gekoppelt sind, wobei das erste Sonnenrad (20) mit einem Rotor (26) einer ersten Elektromaschine (28) gekoppelt ist und das zweite Sonnenrad (24) mit einem Rotor (30) einer zweiten Elektromaschine (32) gekoppelt ist und die Mehrzahl von Planetenrädern (18; 22) eine erste Gruppe von Planetenrädern (18) und eine zweite Gruppe von Planetenrädern (22) umfasst, wobei die Planetenräder (18; 22) einer der Gruppen von Plantetenrädern mit dem ersten Sonnenrad (20) kämmen und die Planetenräder (22; 18) der anderen der Gruppen Planetenrädern mit dem zweiten Sonnenrad (24) kämmen und wobei nur Planetenräder (18) einer der Gruppen von Plantetenrädern (18, 22) mit dem Hohlrad (16) kämmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder der zweiten Gruppe jeweils zwei axiale Abschnitte (220; 222) unterschiedlichen Durchmessers aufweisen und mit einem ersten Abschnitt (220) geringeren Durchmessers mit den Planetenrädern (18) der ersten Gruppe kämmen und mit einem zweiten Abschnitt (222) größeren Durchmessers mit dem zweiten Sonnenrad (24) kämmen.
Getriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (18) der ersten Gruppe mit dem ersten Sonnenrad (20) und die Planetenräder (22) der zweiten Gruppe mit dem zweiten Sonnenrad (24) kämmen.
Getriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (22) der zweiten Gruppe mit dem ersten Sonnenrad (20) und die Planetenräder (18) der ersten Gruppe mit dem zweiten Sonnenrad (24) kämmen.
Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (16) mit der Getriebeeingangswelle (12) gekoppelt ist.
Getriebeanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kupplungsmittel (38; 40) vorgesehen sind, mit denen alternativ das zweite Sonnenrad (24) oder ein Planetenträger (42), auf dem wenigstens die Planetenräder (22) der zweiten Gruppe drehbar gelagert sind, mit der Getriebeausgangswelle (50) koppelbar ist.
Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (18) der ersten Gruppe von Planetenrädern (18; 22) mit dem Hohlrad (16) kämmen.
Getriebeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (22) der ersten Gruppe von Planetenrädern (18; 22) mit dem Hohlrad (16) kämmen.
Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel (34) vorgesehen sind, die die Elektromaschinen (28, 32) untereinander und mit einem elektrischen Energiespeicher (36) in elektrische Energie austauschender Weise koppeln.
Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung der Getriebeausgangswelle (50) mit einem der Elemente des Ravigneaux-Planetensatzes über ein schaltbares Drehrichtungsumkehrungselement (38', 46', 56) erfolgt.
Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (26, 30) wenigstens einer Elektromaschine (28, 32) drehfest mit der derjenigen Welle, die das mit diesem Rotor (26, 30) gekoppelte Sonnenrad (20, 24) trägt, verbunden ist.
Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor wenigstens einer Elektromaschine (32') über eine Mehrzahl dauerhaft miteinander kämmender Zahnräder (43, 44, 58) mit derjenigen Welle, die das mit diesem Rotor gekoppelte Sonnenrad (24) trägt, gekoppelt ist.
Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschinen (28, 32) koaxial zueinander angeordnet sind.
Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschinen (28, 32') parallel zueinander angeordnet sind.
Getriebeanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der der Elektromaschinen (32') koaxial zu der Getriebeausgangswelle (50) angeordnet ist.
Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektromaschinen (28, 32, 32') einerseits des Achsgetriebestirnrades (48) angeordnet sind.
Getriebeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Seite des Achsgetriebestirnrades (50) je eine der Elektromaschinen (28, 32, 32') angeordnet ist.