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Die
Erfindung betrifft ein Lastschaltgetriebe zwischen einer Antriebswelle
und einer Abtriebswelle, vorzugsweise für die Anwendung
als Fahrgetriebe in Antriebssträngen von Fahrzeugen. Die
als Automatikgetriebe bekannten Fahrzeuggetriebe sind Lastschaltgetriebe
nach diesem Oberbegriff. Aber auch die unter dem Gattungsbegriff
Doppelkupplungsgetriebe bekannten Getriebe fallen unter diesen Oberbegriff.
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Automatikgetriebe
bestehen aus gekoppelten Planetenradstufen, bei denen sich durch
schaltbare Verbindungen zwischen einzelnen Wellen und/oder schaltbare
Anbindungen einzelner Wellen an das Getriebegehäuse unterschiedliche Übersetzungen
zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle ergeben. Nachteilig
bei diesen Automatikgetrieben ist die relativ große Zahl
solcher Kupplungen und Bremsen für eine bestimmte Zahl
von Vorwärts- und Rückwärtsgängen.
Nach dem Stand der Technik braucht man mindestens fünf
Schaltelemente für acht Vorwärtsgänge
und einen Rückwärtsgang. Damit diese Gänge
ohne Zugkraftunterbrechung schaltbar sind, sind die Schaltelemente
als Reibungskupplungen oder Reibungsbremsen ausgelegt. In jedem Gang
sind jedoch nur einige dieser Schaltelemente geschlossen. Die anderen
erzeugen je nach den konstruktiven Gegebenheiten und den Relativbewegungen
in den Schaltelementen Verlustleistungen, die den Wirkungsgrad der
Leistungsübertragung reduzieren. Die lastschaltbaren Kupplungen
dieser Automatikgetriebe werden meist durch Öldruck betätigt. Das
Drucköl gelangt über Drehdurchführungen
auf die drehenden Wellen. Auch dabei entstehen nennenswerte Verluste,
da der Öldruck in dem Schaltelement wirken muss, solange
es geschlossen ist. Eine Betätigung solcher Schaltelemente über
Schaltgabeln, Synchronisierungen und selbst haltende Zahnkupplungen,
wie dies von Handschaltgetrieben bekannt ist, gelingt meist nicht,
weil die Schaltelemente oft für so eine Art der Betätigung
nicht zugänglich sind und die Reibleistungen und Verlustenergien
für die heute bekannten Synchronisierungen zu groß sind.
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Es
wäre also wünschenswert, ein Lastschaltgetriebe
mit einem Minimum an Lastschaltelementen für ausreichend
viele Gänge zu finden, bei dem die Schaltelemente mit möglichst
geringem Energieaufwand betätigt werden können.
Diese Überlegungen haben zur Entwicklung von Doppelkupplungsgetrieben
geführt. Doppelkupplungsgetriebe nach dem Stand der Technik
bestehen aus zwei ineinander verschachtelten Teilgetrieben, eines
für die ungeraden Gänge (1, 3, 5, ...) und eines
für die geraden Gängen (2, 4, 6, ...). Jedes dieser
Teilgetriebe ist über eine reibschlüssige und
damit lastschaltfähige Kupplung mit der Antriebswelle verbindbar.
Während die Leistung über eines dieses Teilgetriebe
fließt, kann in dem anderen Teilgetriebe schon der als
nächstes zu schaltende Gang vorbereitet werden. Dazu werden
in diesen Doppelkupplungsgetrieben Zahnkupplungen mit Synchronisierungen
eingesetzt, wie sie bereits aus Handschaltgetrieben bekannt sind.
Diese Schaltelemente bauen sehr klein und haben sehr geringe Verlustmomente
im offenen Zustand.
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Nachteilig
bei diesen Doppelkupplungsgetrieben ist aber, dass es sie bisher
nur in Vorgelegebauweise mit Stirnradstufen gibt. Mit Stirnradstufen lassen
sich nicht so einfach verschiedene Leistungspfade mit verschiedenen Übersetzungen
konfigurieren, wie dies mit gekoppelten Planetenradstufen möglich
ist. Für eine große Anzahl von Gängen
benötigen deshalb Doppelkupplungsgetriebe in Vorgelegebauart
viele Synchronisierungen und Zahnkupplungen. Bei sehr hohen Drehmomenten
bauen Stirnradstufen außerdem größer
als Planetenradstufen, bei denen sich die Leistung auf mehrere Planetenräder
verzweigen kann. Es gab aber auch schon Versuche, die Teilgetriebe
von Doppelkupplungsgetrieben in Planetenradbauweise darzustellen.
Da aber auch schon drei oder vier Gänge in so einem Teilgetriebe mindestens
zwei Planetenradstufen erfordern, bauten solche Getriebestrukturen
relativ groß.
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Aus
dem Stand der Technik sind auch schon Getriebe bekannt, bei denen
ein Vorschaltgetriebe in Vorgelegebauweise mit einem Nachschaltgetriebe
in Planetenradbauweise zusammen wirkt. Die Gänge des Vorschaltgetriebes
lassen sich so mehrfach nutzen. Besonders vorteilhaft ist so eine
Getriebestruktur, wenn die hohen Abtriebsdrehmomente erst in diesem
Nachschaltgetriebe erzeugt werden. Das Vorschaltgetriebe kann dann
klein bleiben.
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Aus
der
DE 10 2004
031 463 A1 ist sogar schon ein Lastschaltgetriebe bekannt,
bei dem die Abtriebswellen eines Vorschaltgetriebes in Planetenradbauweise
mit zwei oder drei lastschaltbaren Schaltelementen über
ein Nachschaltgetriebe ebenfalls in Planetenradbauweise auf eine
Abtriebswelle wirken. In Ergänzung des Oberbegriffs besteht
dieses Lastschaltgetriebe aus einem Vorschaltgetriebe, das von der
Antriebswelle angetrieben wird, und einem Überlagerungsgetriebe
mit mindestens drei Wellen, von denen eine abtriebsseitige Überlagerungswelle
mit der Abtriebswelle in Verbin dung steht, von denen eine Abstützwelle
mit dem Getriebegehäuse oder mindestens einer der Wellen
des Vorschaltgetriebes verbindbar ist und von denen eine Hauptkoppelwelle über
das Vorschaltgetriebe mit der Antriebswelle verbindbar ist.
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In
einer ersten Schaltstellung wirkt dieses Nachschaltgetriebe als
feste Übersetzung für hohe Abtriebsdrehmomente.
In einer anderen Schaltstellung wirkt dieses Nachschaltgetriebe
als Überlagerungsgetriebe, in dem Abtriebsdrehzahlen des
Vorschaltgetriebes jeweils mit einer zur Antriebsdrehzahl proportionalen
Drehzahl überlagert werden. Zwischen diesen beiden Schaltstellungen
gibt es noch einen dritten Schaltzustand, in dem das Nachschaltgetriebe
umgangen wird. In diesem Schaltzustand können vorbereitende
Umschaltungen im Nachschaltgetriebe erfolgen.
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Nachteilig
an diesem Getriebevorschlag ist, dass das Vorschaltgetriebe nur
drei verschiedene Abtriebsdrehzahlen aufweist, mit denen sich in
Verbindung mit dem Nachschaltgetriebe „nur” sieben
gut gestufte Gänge ergeben. Für mehr Gänge
müsste das Vorschaltgetriebe erweitert werden, was aber
in Planetenradbauweise insgesamt zu aufwendig ist.
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Der
Erfindung liegt damit die Aufgabenstellung zugrunde, eine Getriebestruktur,
bestehend aus einem Vorschaltgetriebe in Vorgelegebauweise und einem
nachgeschalteten Überlagerungsgetriebe im Planetenradbauweise,
für höchste Antriebsdrehmomente und mindestens
acht gut abgestufte Vorwärtsgänge zu finden, bei
der nur zwei Schaltelemente reibschlüssig und damit lastschaltbar
sein müssen. Für vorbereitende Schaltungen sollen
möglichst wenige weitere Schaltelemente formschlüssig
ausgeführt sein und Synchronisiereinrichtungen aufweisen. Zumindest
alle Schaltungen aufeinander folgender Gänge sollen ohne
Zugkraftunterbrechung möglich sein. Das Getriebe soll natürlich
hinsichtlich Bauraum, Gewicht, Herstellungs- und Montagekomplexität
wettbewerbsfähig sein.
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Derzeit
entwickeln sich die Fahrzeuggetriebe weiter von einem reinen Kennungswandler
zu einem Leistungsknoten für ein hybrides Energiemanagement.
Nach dem Stand der Technik gibt es Fahrzeuggetriebe mit vorgeschalteten
oder auch integrierten Elektromotoren, um über das Fahrzeuggetriebe
eine elektrisch-mechanische Leistungsverzweigung zu steuern. Dies
bringt Vorteile bei der Fahrdynamik und beim Kraftstoffverbrauch.
Daraus leitet sich die zusätzliche Aufgabenstellung ab,
dass das erfindungsgemäße Lastschaltgetriebe mindestens
ein Element, eine Welle oder ein Zahnrad, aufweisen soll, das sich besonders
gut für die Anbindung mindestens eines zusätzlichen
Elektromotors anbietet. Ein oder mehrere dort angebundene Elektromotoren
sollen sich bei kleiner Baugröße sowohl für
einen Start des Verbrennungsmotors, als auch zum Rekuperieren, das
heißt elektrisches Bremsen und elektrisches Boosten, eignen.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dadurch
gelöst, dass das Vorschaltgetriebe eine Doppelkupplung
mit einer ersten Lastschaltkupplung und einer zweiten Lastschaltkupplung
aufweist, wobei die Antriebswelle mittels der ersten Lastschaltkupplung mit
einer ersten Welle auf einem ersten Wellenstrang verbindbar ist,
und wobei die Antriebswelle mittels der zweiten Lastschaltkupplung
mit einer zweiten Welle auf einem zweiten Wellenstrang verbindbar
ist, und wobei das Vorschaltgetriebe eine dritte Welle aufweist,
die über eine feste Übersetzung mit der Antriebswelle
in Verbindung steht und mit der Abstützwelle verbindbar
ist.
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Das
Vorschaltgetriebe beinhaltet somit ein Doppelkupplungsgetriebe,
mit dem in mehreren Gängen abwechselnd über die
erste und die zweite Kupplung Leistung übertragen wird.
Parallel dazu hat das Vorschaltgetriebe einen weiteren Leistungspfad, über
den Leistung mit fester Übersetzung zur Abstützwelle
des Nachschaltgetriebes übertragen werden kann. In einem
ersten Fahrbereich wird dieser weitere Leistungspfad nicht benötigt.
Die Abtriebsdrehzahlen werden dann im Nachschaltgetriebe mit fester Übersetzung
auf den Abtrieb überragen. In einem zweiten Fahrbereich
fließt über diesen weiteren Leistungspfad aber
eine Teilleistung ins Nachschaltgetriebe, die das Doppelkupplungsgetriebe
entlastet. Die Abtriebsdrehzahl dieses weiteren Leistungspfades
wird dann im Nachschaltgetriebe in jedem Gang mit einer anderen
Abtriebsdrehzahl des Doppelkupplungsgetriebes überlagert.
Dadurch werden die Schaltstellungen im Doppelkupplungsteil für
die Gänge des ersten Fahrbereiches im zweiten Fahrbereich für
weitere Gänge nochmals genutzt.
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Die
weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft erst einmal den Aufbau
des Doppelkupplungsgetriebes innerhalb des Vorschaltgetriebes mit
dem Ziel, mit möglichst wenigen Elementen vier Gänge abwechselnd
von den Kupplungen A und B schalten zu können.
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Nach
Anspruch 2 weist das Vorschaltgetriebe einen ersten Leistungspfad
auf zwischen der ersten Welle und der Hauptkoppelwelle und dieser
erste Leistungspfad führt über eine erste Stirnradstufe
vom ersten Wellenstrang zum zweiten Wellenstrang und über
eine zweite Stirnradstufe vom zweiten Wellenstrang zurück
zum ersten Wellenstrang.
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Nach
Anspruch 3 weist das Vorschaltgetriebe einen zweiten Leistungspfad
auf zwischen der zweiten Welle und der Hauptkoppelwelle und dieser zweite
Leistungspfad führt nur über die zweite Stirnradstufe
vom zweiten Wellenstrang zum ersten Wellenstrang.
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Nach
Anspruch 4 weist das Vorschaltgetriebe einen dritten direkten Leistungspfad
zwischen der ersten Welle und der Hauptkoppelwelle auf.
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Und
nach Anspruch 5 weist das Vorschaltgetriebe einen vierten Leistungspfad
auf zwischen der zweiten Welle und der Hauptkoppelwelle und dieser vierte
Leistungspfad führt über die erste Stirnradstufe vom
zweiten Wellenstrang zum ersten Wellenstrang.
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Mit
den Ansprüchen 1 bis 5 ist ein Doppelkupplungsgetriebe
mit 4 Leistungspfaden beschrieben, von denen zwei Leistungspfade
für die Übersetzungen eines ersten und eines dritten
Ganges von der ersten Lastschaltkupplung geschaltet werden und von
denen zwei weitere Leistungspfade für einen zweiten und
einen vierten Gang von der zweiten Lastschaltkupplung geschaltet
werden. Im dritten Gang führt die erste Welle direkt ohne
Ausnutzung von Stirnradstufen ins Nachschaltgetriebe.
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Nach
Anspruch 6 ist die erste Welle über einen fünften
Leistungspfad direkt mit der Abtriebswelle verbindbar.
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Dieser
fünfte Leistungspfad wird im fünften Gang geschaltet.
Dabei fließt dann die Leistung am Nachschaltgetriebe vorbei.
Das Nachschaltgetriebe ist dann lastfrei und kann für weitere
Gänge von einem Zustand mit fester Übersetzung
auf einen Zustand mit Drehzahlüberlagerung umgeschaltet
werden.
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Nach
Anspruch 7 hat das Vorschaltgetriebe (mindestens) eine dritte Stirnradstufe,
mittels derer die dritte Welle über einen parallelen Leistungspfad mit
der Abstützwelle des nachgeschalteten Überlagerungsgetriebes
verbindbar ist.
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Um
im Nachschaltgetriebe eine Drehzahlüberlagerung einer Abtriebsdrehzahl
des Doppelkupplungsgetriebes mit einer zur Antriebsdrehzahl proportionalen
Drehzahl zu erreichen, muss die Antriebswelle über mindestens
eine Stirnradstufe mit der Abstützwelle verbindbar sein.
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Nach
Anspruch 8 weist das Vorschaltgetriebe eine vierte Stirnradstufe
zwischen der Antriebswelle und der ersten Welle oder zwischen der
Antriebswelle und der zweiten Welle auf.
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Die
erste und die zweite Welle liegen auf verschiedenen Wellensträngen,
von denen nur einer koaxial zur Antriebswelle liegen kann. Deshalb
muss entweder die erste Welle auf dem ersten Wellenstrang oder die
zweite Welle auf dem zweiten Wellenstrang über eine vierte
Stirnradstufe mit der Antriebswelle verbindbar sein.
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Die
Ansprüche 9 bis 15 beziehen sich auf die Ausgestaltung
der Stirnradstufen und die Schaltelemente für alle vorbereitenden
Schaltungen von Leistungspfaden.
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Nach
Anspruch 9 weist die erste Stirnradstufe die Zahnräder
eins/eins und eins/zwei auf, wobei das Zahnrad eins/eins mittels
einer ersten Zahnkupplung mit der ersten Welle verbindbar ist, und
wobei das Zahnrad eins/zwei mittels einer zweiten Zahnkupplung mit
der zweiten Welle verbindbar ist.
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Nach
Anspruch 10 weist die zweite Stirnradstufe die Zahnräder
zwei/eins und zwei/zwei auf, wobei das Zahnrad zwei/eins fest mit
der Hauptkoppelwelle verbunden ist und mittels einer dritten Zahnkupplung
mit dem Zahnrad eins/eins verbindbar ist, und wobei das Zahnrad
vier mittels einer vierten Zahnkupplung mit der zweiten Welle verbindbar
ist.
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Nach
Anspruch 11 ist die erste Welle mittels einer fünften Zahnkupplung
mit der Abtriebswelle verbindbar ist.
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Nach
Anspruch 12 weist die dritte Stirnradstufe die Zahnräder
drei/eins und drei/zwei auf, wobei das Zahnrad drei/eins fest mit
der Abstützwelle in Verbindung steht, und wobei das Zahnrad
drei/zwei mittels einer sechsten Zahnkupplung mit der dritten Welle
verbindbar ist.
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Nach
Anspruch 13 weist die vierte Stirnradstufe die Zahnräder
vier/eins und vier/zwei auf, wobei das Zahnrad vier/eins auf dem
ersten Wellenstrang sitzt und wobei das Zahnrad vier/zwei auf dem
zweiten Wellenstrang sitzt.
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Nach
Anspruch 14 weist das Lastschaltgetriebe ein Vorwärtsschaltelement
auf, mit dem die Abstützwelle des nachgeschalteten Überlagerungsgetriebes
mit dem Getriebegehäuse verbindbar ist.
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Und
nach Anspruch 15 weist das Lastschaltgetriebe eine Rückwärtsschaltwelle
auf und ein Rückwärtsschaltelement, mit dem die
Rückwärtsschaltwelle mit dem Getriebegehäuse
verbindbar ist.
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Mit
den Wellen, den Stirnradstufen und den Schaltelementen ist eine
vorzugsweise Getriebestruktur für ein Doppelkupplungsgetriebe
mit erst einmal vier Vorwärtsgängen beschrieben.
Diese vier Vorwärtsgänge werden in einem ersten
Fahrbereich genutzt, in dem im nachgeschalteten Überlagerungsgetriebe
eine feste Übersetzung zwischen der Hauptkoppelwelle und
der Abtriebswelle geschaltet ist. Dazu ist die Abtriebswelle des
Doppelkupplungsgetriebes jeweils mit der Hauptkoppelwelle des Überlagerungsgetriebes
verbunden. Die Abstützwelle des Überlagerungsgetriebes
ist in diesem ersten Fahrbereich mit dem Getriebegehäuse
verbunden. In einem fünften Gang wird das Überlagerungsgetriebe
umgangen. Während des Betriebs im fünften Gang
kann das Überlagerungsgetriebe umgeschaltet werden. Dazu
wird die Abstützwelle vom Getriebegehäuse gelöst
und über eine feste Übersetzung mit der dritten
Welle verbunden. Der zweite Fahrbereich ermöglicht dann
die Gänge sechs, sieben und acht, in denen die Abtriebsdrehzahlen
des Doppelkupplungsgetriebes aus den Gängen zwei, drei
und vier der Drehzahl an der Abstützwelle überlagert
werden.
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Die
Ansprüche 16 bis 18 betreffen die Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes.
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Nach
Anspruch 16 ist das Überlagerungsgetriebe in Planetenradbauweise
aufgebaut und nach Anspruch 17 ist das Überlagerungsgetriebe
eine vierwellige Planetenradstufe. Nach Anspruch 18 steht ein erstes
Sonnenrad des Überlagerungsgetriebes mit der Hauptkoppelwelle
in Verbindung, ein zweites Sonnenrad ist die Abstützwelle,
ein Hohlrad ist die Rückwärtsschaltwelle, ein
Planetenradträger stellt die abtriebsseitige Überlagerungswelle
dar und der Planetenradträger weist mehrere Sätze
miteinander kämmender Planetenräder auf, von denen
jeweils ein erster Planet mit dem ersten Sonnenrad kämmt
und von denen der zweite Planet mit dem zweiten Sonnenrad und dem
Hohlrad kämmt.
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Für
alle Vorwärtsgänge sind nur drei Wellen des Überlagerungsgetriebes
an der Drehmomentübertragung beteiligt, nämlich
die Hauptkoppelwelle, die Abstützwelle und die mit dem
Abtrieb verbundene abtriebsseitige Überlagerungswelle.
Die vierte Welle des Überlagerungsgetriebes ist die vorzugsweise
als Hohlrad ausgebildete Rückwärtsschaltwelle.
Wenn diese Rückwärtsschaltwelle anstelle der Abstützwelle
mit dem Getriebegehäuse verbunden ist, dann hat das Überlagerungsgetriebe
eine feste negative Übersetzung zwischen der Hauptkoppelwelle
und dem Abtrieb. Das Lastschaltgetriebe hat demnach genauso viele
Rückwärtsgänge wie Vorwärtsgänge
im ersten Fahrbereich.
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Die
Rückwärtsschaltwelle im Überlagerungsgetriebe
könnte auch entfallen, wenn das Doppelkupplungsgetriebe
in einem seiner Teilgetriebe eine weitere Vorgelegestufe mit einer
passenden Übersetzung für mindestens einen Rückwärtsgang
hätte.
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Nach
Anspruch 19 weist das Lastschaltgetriebe eine Ölpumpe auf,
die direkt und permanent von der Antriebswelle angetrieben wird.
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Lastschaltgetriebe
haben Schaltelemente, die vorzugsweise hydraulisch betätigt
werden, weil die Hydraulik eine höhere Kraftdichte erreicht
als z. B. elektromechanische Steller. Die Versorgung der Hydraulik
mit Öldruck übernimmt eine Ölpumpe, die vorzugsweise
direkt von der Antriebswelle angetrieben ist. Das hydraulische System
kann auch einen Druckspeicher aufweisen, um auch bei stehender Antriebswelle
für eine bestimmte Zeit Druck zur Verfügung zu
haben. Alternativ ist auch eine nach dem Stand der Technik bekannte
elektrisch angetriebene Ölpumpe denkbar oder eine mechanisch
angetrieben Pumpe mit einstellbarem Verdrängungsvolumen.
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Die
Ansprüche 20 und 21 betreffen eine Hybridisierung des Lastschaltgetriebes.
Dazu soll mindestens ein Elektromotor mit möglichst hohem
zusätzlichen Nutzen in die Struktur des erfindungsgemäßen
Lastschaltgetriebes integriert werden können.
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Nach
Anspruch 20 weist das Lastschaltgetriebe einen ersten Elektromotor
auf, der direkt mit der Hauptkoppelwelle oder mit einem der Zahnräder der
Stirnradstufen eins oder zwei verbunden ist.
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Ein
Elektromotor an der Hauptkoppelwelle wirkt in allen Gängen
mit der gleichgroßen Drehmomentübersetzung auf
den Abtrieb. Sind die beiden Lastschaltkupplungen der Doppelkupplung
geöffnet und ist die Abstützwelle mit dem Getriebegehäuse verbunden,
so kann dieser Elektromotor alleine den Abtrieb vorwärts
oder rückwärts drehen. Ein Fahrzeug könnte
auf diese Weise rein elektrisch gefahren werden. Eine zusätzliche
Trennkupplung zwischen dem Lastschaltgetriebe und dem Verbrennungsmotor,
wie dies von anderen Getrieben nach dem Stand der Technik bekannt
ist, ist bei dieser Anordnung des Elektromotors nicht nötig.
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Ist
die Abstützwelle mit der positiv drehenden Antriebswelle
verbunden und dreht der Elektromotor mit negativer Drehzahl, so
kann über das Überlagerungsgetriebe auch der Stillstand
der Abtriebswelle (geared neutral) eingeregelt werden. In diesem Schaltzustand
kann das Fahrzeug aus dem Stillstand heraus bei kleinen Abtriebsleistungen
feinfühlig und stufenlos beschleunigt werden.
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In
einem Lastschaltgetriebe nach dieser Erfindung sind prinzipbedingt
nur Schaltungen zwischen geraden und ungeraden Gängen lastschaltbar. Schaltungen
zwischen zwei geraden Gängen oder zwei ungeraden Gängen
erfordern eine Lastunterbrechung an der in beiden Gängen
beteiligten Lastschaltkupplung. Wenn während so einer Schaltung der
Elektromotor über das Überlagerungsgetriebe auf
den Abtrieb wirkt, so bleibt auch während so einer Schaltung
ein gewisses Maß an Zugkraft an den Antriebsrädern
bestehen. Da Elektromotoren kurzzeitig stark überlastet
werden können, ist mit diesem Lastschaltgetriebe plus Elektromotor
zumindest im Teillastbereich jede Schaltung ohne Zugkraftunterbrechung
möglich.
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Wenn
die Abstützwelle und die Rückwärtsschaltwelle
mit keiner anderen Welle oder dem Getriebegehäuse verbunden
sind, ist keine Drehmomentübertragung über das Überlagerungsgetriebe auf
die Abtriebswelle möglich. In so einem Schaltzustand kann
der Elektromotor über verschiedene Leistungspfade und eine
der Lastschaltkupplungen der Doppelkupplung auf den Verbrennungsmotor
wirken. Dies lässt sich für einen Start des Verbrennungsmotors
nutzen. Die verschiedenen Übersetzungen der Leistungspfade
können dann entweder für den Start eines kalten
Verbrennungsmotors oder für den Schnellstart eines betriebswarmen
Verbrennungsmotors ausgewählt werden.
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Der
erste Elektromotor kann auch an einem der Zahnräder der
Stirnradstufen eins oder zwei angreifen, weil diese Stirnradstufen
direkt mit der Hauptkoppelwelle verbindbar sind und sich dann die gleichen
oben beschriebenen Wirkungen dieses Elektromotors ergeben.
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Nach
Anspruch 21 weist das Lastschaltgetriebe einen zweiten Elektromotor
auf, der direkt mit der abtriebsseitigen Überlagerungswelle
bzw. der Abtriebswelle oder direkt mit der Antriebswelle verbunden
ist.
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Mit
dieser optionalen Erweiterung des Lastschaltgetriebes um einen weiteren
Elektromotor erhält man ein Vollhybridgetriebe mit elektromechanischer
Leistungsverzweigung, wie dies nach dem Stand der Technik bereits
bekannt ist. Neu ist aber die Kombination eines bekannten Vollhybridgetriebes mit
einer Planetenradstufe und zwei Elektromotoren mit einem ebenfalls
bekannten kleinen kompakten Doppelkupplungsgetriebe mit eigentlich
nur vier Vorwärtsgängen zu einem neuartigen Lastschaltgetriebe mit
acht Vorwärtsgängen und allen denkbaren Hybridfunktionen.
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Die
Erfindung ist nicht nur auf die Merkmale ihrer Ansprüche
beschränkt. Denkbar und vorgesehen sind auch Kombinationsmöglichkeiten
einzelner Anspruchsmerkmale und Kombinationsmöglichkeiten
einzelner Anspruchsmerkmale mit dem in den Vorteilsangaben und zu
den Ausgestaltungsbeispielen Offenbarten.
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Das
erfindungsgemäße Getriebe besteht aus einem Vorschaltgetriebe
mit nur zwei Lastschaltelementen in Form einer Doppelkupplung und
mehreren, vorzugsweise drei, vier oder fünf Gängen
in Vorgelegebauweise sowie einem nachgeschalteten Überlagerungsgetriebe
in Planetenradbauweise. Die Erfindung betrifft hierzu im Wesentlichen
die besondere Art der Kopplung dieser beiden Getriebeteile, um die
meisten Gänge des Vorschaltgetriebes mehrfach zu nutzen
und um das Überlagerungsgetriebe in einem Gang zu umgehen,
um dann hier Umschaltungen vornehmen zu können. Die Erfindung
bezieht sich insbesondere auch auf nach dem Stand der Technik hierzu
gleichwertige Lösungen. So ist zum Beispiel nach dem Stand
der Technik bekannt, dass man zur Umschaltung von Gängen
Leistungspfade in Doppelkupplungsgetrieben an verschiedenen Stellen trennen
kann.
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Durch
die Anbindung eines zusätzlichen Elektromotors an eine
Welle, die immer über das Überlagerungsgetriebe
auf den Abtrieb wirkt, kann in dem hier beschriebenen Lastschaltgetriebe
immer, auch während der Schaltungen innerhalb eines Teilgetriebes
des Vorschaltgetriebes, ein Abtriebsdrehmoment erzeugt werden. So
eine Anbindung kann durch Zwischenschaltung weiterer Elemente in
sehr vielfältiger Form erfolgen, die aber im Sinne der
Erfindung als gleichwertig anzusehen sind.
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Einige
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Lastschaltgetriebes sind in den 1 bis 13 dargestellt
und bezüglich der Schaltzustände, der Drehmomentverhältnisse
und Leistungsflüsse vom Anfahren bis zum Overdrive einschließlich des
Startens des Verbrennungsmotors, des elektro-mechanischen Hybridbetriebs
und aller anderen Betriebszustände erläutert.
Dabei zeigen:
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1 die
Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes
in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen
und Achsversatz zwischen An- und Abtrieb,
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2 eine
Ausführungsvariante des nachgeschalteten Überlagerungsgetriebes,
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3 die
Schaltlogik des Lastschaltgetriebes nach 1
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4 die
Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes
in einer Ausführung mit sieben Vorwärtsgängen
und Achsversatz zwischen An- und Abtrieb,
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5 die
Schaltlogik des Lastschaltgetriebes nach 4,
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6 die
Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes
in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen
und koaxialem An- und Abtrieb,
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7 eine
alternative Getriebestruktur des erfindungsgemäßen
Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen
und koaxialem An- und Abtrieb,
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8 die
Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes
in einer Ausführung für Frontquerantriebe mit
acht Vorwärtsgängen,
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9 Auslegungsvarianten
einiger Getriebestrukturen mit acht Vorwärtsgängen,
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10 eine
Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes
in einer Ausführung mit elf Vorwärtsgängen
und koaxialem An- und Abtrieb,
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11 Auslegungsvarianten
einiger Getriebestrukturen mit elf Vorwärtsgängen,
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12 eine
Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes
in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen
und Integration eines ersten Elektromotors,
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13 eine
Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes
in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen
und Integration von zwei Elektromotoren.
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1 zeigt
die Struktur eines ersten Ausführungsbeispieles dieses
erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes 1 zwischen
einer Antriebswelle an und einer Abtriebswelle ab. Das Getriebe
besteht aus einem Vorschaltgetriebe 2 und einem nachgeschalteten Überlagerungsgetriebe 3.
Die Antriebswelle an ist über einen Schwingungsdämpfer
mit einer Doppelkupplung 4 verbunden, die die beiden Kupplungen
A und B umfasst. Über die erste Lastschaltkupplung A lässt
sich eine erste Welle a antreiben, die auf einem ersten Wellenstrang
WS1 sitzt. Über die zweite Lastschaltkupplung B lässt
sich eine zweite Welle b antreiben, die auf einem zweiten Wellenstrang
WS2 sitzt. In diesem Ausführungsbeispiel liegt der zweite Wellenstrang
WS2 koaxial zur Antriebswelle an und der erste Wellenstrang WS1
parallel dazu koaxial zur Abtriebswelle ab. In dieser Ausführungsvariante
geht eine vierte Stirnradstufe S4 von der ersten Lastschaltkupplung
A der Doppelkupplung 4 zur ersten Welle a auf dem parallelen
ersten Wellenstrang WS1. Diese Stirnradstufe umfasst das Zahnrad
vier/eins z41 auf dem ersten Wellenstrang WS1 und das Zahnrad vier/zwei
z42 auf dem zweiten Wellenstrang WS2.
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Zum
Doppelkupplungsgetriebe innerhalb des Vorschaltgetriebes gehören
noch die erste Stirnradstufe S1 und die zweite Stirnradstufe S2.
Die erste Stirnradstufe S1 umfasst das Zahnrad eins/eins z11 auf
dem ersten Wellenstrang WS1 und das Zahnrad eins/zwei z12 auf dem
zweiten Wellenstrang WS2. Die zweite Stirnradstufe S2 umfasst das
Zahnrad zwei/eins z21 auf dem ersten Wellenstrang WS1 und das Zahnrad
zwei/zwei z22 auf dem zweiten Wellenstrang WS2.
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Das
Zahnrad zwei/eins z21 der zweiten Stirnradstufe S2 ist mit der Hauptkoppelwelle
x des nachgeschalteten Überlagerungsgetriebes 3 verbunden.
Dieses Überlagerungsgetriebe 3 ist als vierwellige
Planetenradstufe ausgeführt und umfasst die Hauptkoppelwelle
x, die Abstützwelle y, die abtriebsseitige Überlagerungswelle
z und die Rückwärtsschaltwelle r.
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Die
Antriebswelle an ist über das Doppelkupplungsgetriebe des
Vorschaltgetriebes 2 in mehreren Gängen mit der
Hauptkoppelwelle x des nachgeschalteten Überlagerungsgetriebes 3 verbindbar.
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Im
ersten Gang ist die erste Lastschaltkupplung A geschlossen und die
Leistung fließt von der ersten Welle a über die
erste Stirnradstufe S1 vom Zahnrad eins/eins z11 zum Zahnrad eins/zwei
z12 und über die zweite Stirnradstufe S2 vom Zahnrad zwei/zwei
z22 zum Zahnrad zwei/eins z21 und von dort zur Hauptkoppelwelle
x. Für diesen Leistungsfluss verbindet eine erste Zahnkupplung
C die erste Welle a mit dem Zahnrad eins/eins z11, eine zweite Zahnkupplung
D die zweite Welle b mit dem Zahnrad eins/zwei z12 und eine vierte
Zahnkupplung F die zweite Welle b mit dem Zahnrad zwei/zwei z22.
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Im
zweiten Gang ist die zweite Lastschaltkupplung B geschlossen und
die Leistung fließt von der zweiten Welle b nur noch über
die zweite Stirnradstufe S2 vom Zahnrad zwei/zwei z22 zum Zahnrad
zwei/eins z21 und von dort zur Hauptkoppelwelle x. Für
diesen Leistungsfluss verbindet nur die vierte Zahnkupplung F die
zweite Welle b mit dem Zahnrad zwei/zwei z22.
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Im
dritten Gang ist wieder die erste Lastschaltkupplung A geschlossen
und die Leistung fließt von der ersten Welle a nur über
die Welle des Zahnrades eins/eins z11 zur Hauptkoppelwelle x. Für
diesen Leistungsfluss verbindet die erste Zahnkupplung C die erste
Welle a mit dem Zahnrad eins/eins z11 und eine dritte Zahnkupplung
E verbindet dieses Zahnrad eins/eins z11 mit der Hauptkoppelwelle
x.
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Im
vierten Gang ist wieder die zweite Lastschaltkupplung B geschlossen
und die Leistung fließt von der zweiten Welle b nur noch über
die erste Stirnradstufe S1 vom Zahnrad eins/zwei z12 zum Zahnrad eins/eins
z11 und von dort zur Hauptkoppelwelle x. Für diesen Leistungsfluss
verbindet nur die zweite Zahnkupplung D die zweite Welle b mit dem
Zahnrad eins/zwei z12 und die dritte Zahnkupplung E verbindet das
Zahnrad eins/eins z11 mit der Hauptkoppelwelle x.
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Für
diese ersten vier Gänge benötigt das Doppelkupplungsgetriebe
innerhalb des Vorschaltgetriebes die Doppelkupplung 4 und
gerade mal 4 Zahnkupplungen mit zugehörigen Synchronisierungen
für die vorbereitenden Schaltungen sowie die Stirnradstufen
S1, S2 und S4. Nach dem Stand der Technik ist keine Struktur eines
Doppelkupplungsgetriebes mit weniger Elementen für vier
Vorwärtsgänge bekannt.
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In
diesen ersten vier Vorwärtsgängen wird das nachgeschaltete Überlagerungsgetriebe 3 als Nachschaltgetriebe
mit fester Übersetzung benutzt. Dazu wird im Überlagerungsgetriebe
die Abstützwelle y mittels einer siebten Zahnkupplung V
mit dem Getriebegetriebe 0 verbunden. Die abtriebsseitige, mit
dem Abtrieb ab verbundene Überlagerungswelle z dreht dann
langsamer als die Hauptkoppelwelle x, so dass in allen vier Gängen
die Abtriebswelle ab langsamer dreht als die erste Welle a.
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Im
fünften Gang wird die erste Welle a mittels einer weiteren
fünften Zahnkupplung G direkt mit der Abtriebswelle ab
verbunden. Dazu ist die Abtriebswelle ab innerhalb des ersten Wellenstranges
WS1 so bis zur ersten Welle a verlängerbar, dass Abschnitte
dieser Wellen so nahe bei einander liegen, dass diese mittels der
fünften Zahnkupplung G direkt miteinander verbunden werden
können.
-
In
diesem fünften Gang fließt die Leistung an dem
nachgeschalteten Überlagerungsgetriebe 3 vorbei.
Die Abstützwelle y des Überlagerungsgetriebes 3 ist
dann lastfrei. Ihre Verbindung über die siebte Zahnkupplung
V zum Getriebegehäuse 0 kann nun gelöst
werden. Mittels einer sechsten Zahnkupplung U kann die Abstützwelle
y mit einer dritten Welle c verbunden werden. Diese dritte Welle
c gehört zum Vorschaltgetriebe 2 und wird über
den Schwingungsdämpfer direkt von der Antriebswelle an
angetrieben.
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Im
sechsten, siebten und achten Gang wiederholen sich im Doppelkupplungsgetriebe
des Vorschaltgetriebes 2 die Schaltungen des zweiten, dritten
und vierten Ganges. Während jedoch im zweiten, dritten
und vierten Gang die Abstützwelle y mit dem Getriebegehäuse 0 verbunden
ist, ist diese Abstützwelle y im sechsten, siebten und
achten Gang über die dritte Stirnradstufe S3 mit der Antriebswelle an
verbunden. Im Überlagerungsgetriebe 3 erfolgt dann
eine Überlagerung der Drehzahlen der dann schnell drehenden
Abstützwelle y mit den drei verschiedenen Drehzahlen der
Hauptkoppelwelle x. Die Stufensprünge zwischen den Gängen
sechs, sieben und acht sind deutlich geringer als die Stufensprünge zwischen
den Gängen zwei, drei und vier.
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Zur
Schaltung mindestens eines Rückwärtsganges weist
das Überlagerungsgetriebe 3 eine Rückwärtsschaltwelle
r auf. Wenn diese mittels einer achten Zahnkupplung R mit dem Getriebegehäuse 0 verbunden
wird, ergibt sich eine negative Übersetzung von der Hauptkoppelwelle
x zur abtriebsseitigen Überlagerungswelle z. In dieser
Schaltstellung im Überlagerungsgetriebe 3 können
alle vier Gänge des Doppelkupplungsgetriebes des Vorschaltgetriebes 2 als
Rückwärtsgänge genutzt werden.
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Wenn
die beiden Lastschaltkupplungen A und B und/oder die acht Zahnkupplungen
C, D, E, F, G, U, V, R hydraulisch betätigt werden sollen,
dann braucht das Lastschaltgetriebe 1 eine Ölpumpe
P, die das hydraulische System mit Druck versorgt. Diese Pumpe könnte
zum Beispiel, wie in 1 gezeigt, über die
dritte Welle c direkt von der Antriebswelle an angetrieben werden.
Sie würde dann auch rotieren, wenn beide Lastschaltkupplungen
A und B geöffnet sind.
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2 zeigt
etwas detaillierter einen möglichen Aufbau des nachgeschalteten Überlagerungsgetriebes 3.
In diesem Ausführungsbeispiel ist dieses Überlagerungsgetriebe
als vierwellige Planetenradstufe mit den Wellen x, y, z und r aufgebaut.
Die abtriebsseitige Überlagerungswelle z stellt einen Planetenträger
Pt dar, der mehrere Sätze miteinander kämmender
Planetenräder Pl_x und Pl_y trägt. Die Planetenräder
Pl_x stehen mit einem Sonnenrad So_x in Eingriff, dass auf der Hauptkoppelwelle
x sitzt. Die Planetenräder Pl_y stehen mit einem Sonnenrad So_y
in Eingriff, dass auf der Abstützwelle y sitzt. Die Rückwärtsschaltwelle
r trägt ein Hohlrad Ho_r, das in die Planetenräder
Pl_y eingreift.
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3 verdeutlicht
die Schaltlogik für die oben beschriebenen acht Vorwärtsgänge
und den ersten Rückwärtsgang. Die mit „X” gekennzeichneten
Lastschaltkupplungen A oder B sind in den jeweiligen Gängen
geschlossen. Ebenso sind die mit „O” gekennzeichneten
Zahnkupplungen C, D, E, F, G, U, V oder R in den jeweiligen Gängen
geschlossen. Wie von anderen Doppelkupplungsgetrieben nach dem Stand
der Technik bekannt, sind während des Betriebs in einem
Gang die Zahnkupplungen für den nächsten Gang
mittels Synchronisierungen vorbereitend zu schalten. Dabei macht
es heute keine Probleme mehr, wenn zur Vorbereitung eines nächsten Ganges
auch mal zwei Zahnkupplungen zu schalten sind. Für acht
Vorwärtsgänge und bis zu vier Rückwärtsgänge
kommt dieses Lastschaltgetriebe mit acht Zahnkupplungen aus. Die
Zahnkupplungen G und C sowie V und R können von je einem
gemeinsamen Aktor betätigt werden, da sich ihre Schaltstellungen
geschlossen nicht überschneiden, Es könnten aber
auch die Zahnkupplungen U und V von einem gemeinsamen Aktor aus
betätigt werden.
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Das
Lastschaltgetriebe nach 4 ist fast identisch mit dem
Lastschaltgetriebe nach 1. Das Getriebe nach 4 verzichtet
nur auf den ersten Gang der Getriebeausführung nach 1.
Es wird auch in Zukunft noch viele Anwendungen geben, für
die ein 7-Gang-Lastschaltgetriebe nach dieser Erfindung völlig
ausreicht. Durch den Verzicht auf einen Gang entfällt die
dritte Zahnkupplung E und die zweite Zahnkupplung D und die vierte
Zahnkupplung F können zu einer weiteren Doppelzahnkupplung
zusammengefasst werden.
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5 verdeutlicht
die durch diese Maßnahme erheblich einfacher gewordene
Schaltlogik. Vor jeder Lastschaltung ist jetzt nur noch eine Zahnkupplung
vorbereitend zu schalten. Für sieben Vorwärtsgänge
und bis zu drei Rückwärtsgänge kommt
dieses Lastschaltgetriebe mit sieben Zahnkupplungen aus, von denen
vorzugsweise die Zahnkupplungen G und C, D und F sowie V und R von
je einem gemeinsamen Aktor betätigt werden können.
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6 zeigt
eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Latschaltgetriebes mit koaxialer Lage von Antrieb an und Abtrieb
ab. So eine Anordnung ist für Standardantriebe mit in Fahrtrichtung längs
eingebautem Verbrennungsmotor und angetriebener Hinterachse vorteilhaft.
Das Vorschaltgetriebe 2 beinhaltet wieder eine Doppelkupplung 4 mit den
Lastschaltkupplungen A und B sowie die zwei Teilgetriebe eines Doppelkupplungsgetriebe
mit der ersten Welle a auf dem ersten Wellenstrang WS1 und der zweiten
Welle b auf dem zweiten Wellenstrang WS2. Der erste Wellenstrang
WS1 liegt wieder koaxial zur Abtriebswelle ab. Der zweite Wellenstrang WS2
liegt parallel dazu.
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Die
vierte Stirnradstufe 54 verbindet nun die zweite Lastschaltkupplung
B auf dem ersten Wellenstrang WS1 mit der zweiten Welle b auf dem
zweiten Wellenstrang WS2. Sie umfasst das Zahnrad vier/eins z41
auf, der Welle der zweiten Lastschaltkupplung B und das Zahnrad
vier/zwei z42 auf der zweite Welle b.
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Die
erste, zweite und dritte Stirnradstufe S1, S2 und S3 haben die gleichen
Zahnräder wie in dem Ausführungsbeispiel nach 1.
Diese Zahnräder sitzen auch auf den gleichen Wellensträngen
an den gleichen Anschlusselementen.
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Zusätzlich
weist diese Ausführungsvariante eine fünfte Stirnradstufe
S5 zwischen der Antriebswelle an auf dem ersten Wellenstrang WS1
und der dritten Welle c auf dem zweiten Wellenstrang WS2. Diese
fünfte Stirnradstufe S5 ist nicht schaltbar und umfasst
ein Zahnrad fünf/eins z51 auf dem ersten Wellenstrang WS1
und ein Zahnrad fünf/zwei z52 auf dem zweiten Wellenstrang
WS2.
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Das
Lastschaltgetriebe nach 6 weist die gleichen Schaltelemente
wie das Lastschaltgetriebe nach 1 auf, die
auch die gleichen Bauteile mit der gleichen Schaltlogik miteinander
verbinden.
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Bei
dem Lastschaltgetriebe nach 6 lassen
sich die vierte Stirnradstufe S4 und die fünfte Stirnradstufe
S5 zusammenfassen, wenn die zweite Lastschaltkupplung B auf dem
zweiten Wellenstrang WS2 zwischen dem Zahnrad fünf/zwei
z52 und der zweiten Welle b sitzt. 7 zeigt
dafür ein Ausführungsbeispiel, bei dem dann der
Achsabstand zwischen den beiden Wellensträngen so groß gewählt wird,
dass die zweite Lastschaltkupplung B parallel zum ersten Wellenstrang
WS1 Platz findet. Auf diese Weise erhält man ein Lastschaltgetriebe
nach der Erfindung mit nur vier Stirnradstufen, koaxialem An- und
Abtrieb und acht gut gestuften Vorwärtsgängen.
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8 zeigt
ein aus der Ausführungsvariante nach 1 abgeleitetes
Lastschaltgetriebe 1 für Frontqueranwendungen.
Die innen im ersten Wellenstrang WS1 liegende abtriebsseitige Überlagerungswelle
z kann zu einer Stelle nahe der antriebsseitigen Doppelkupplung 4 geführt
werden, wo sie dann als Abtriebrad ab eine Stirnradstufe der Endübersetzung zum
Differenzial antreibt. Das Vorschaltgetriebe 2 inklusive
der Abtriebsstufe zum Differenzial baut so groß wie bekannte
4-Gang-Handschaltgetriebe. Der Mehraufwand für die Erweiterung
auf acht gut gestufte Vorwärtsgänge umfasst nur
das nachgeschaltete Überlagerungsgetriebe 3 auf
dem Wellenstrang WS1. Insgesamt baut dieses Getriebe so kurz, dass es
sicher in die derzeit verfügbaren Bauräume passt.
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9 zeigt
die Übersetzungsabstufungen für einige Auslegungsvarianten
des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes 1 mit
acht Vorwärtsgängen. Durch den Einsatz der Stirnradstufen
im Vorschaltgetriebe 2 findet man für alle heute
denkbaren Übersetzungsbereiche zwischen 6 < φges < 10 gut abgestufte Übersetzungsreihen.
Prinzipbedingt sind die Stufensprünge φ12 und φ34
gleich groß. Vom zweiten bis zum siebten Gang sind progressiv
gestufte Übersetzungsreihen möglich. Die Stufensprünge
zwischen dem sechsten und dem achten Gang sind aber annähernd
gleich groß.
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Der
Vollständigkeit halber zeigt 10 noch eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Lastschaltgetriebes mit elf Vorwärtsgängen und
koaxialem An- und Abtrieb. Durch eine zusätzliche Stirnradstufe
S0 mit den Zahnrädern null/eins z01 und null/zwei z02 erhält
das Vorschaltgetriebe 2 einen zusätzlichen Gang
mit hoher Übersetzung, der von der zweiten Lastschaltkupplung
B aus angetrieben wird. Die erste Ganggruppe umfasst dann fünf
Gänge. Wie bereits beschrieben wird im sechsten Gang die
erste Welle a direkt mit der Abtriebswelle ab verbunden. Das Getriebe
läuft dann im so genannten Direktgang. Während
des Betriebs in diesem Direktgang wird das nachgeschaltete Überlagerungsgetriebe
von fester Übersetzung auf Drehzahlüberlagerung
mit Leistungssummierung umgeschaltet. Alle fünf Gänge
des Vorschaltgetriebes können dann mit Leistungsverzweigung
ein zweites Mal genutzt werden, so dass sich insgesamt elf weit
gespreizte und gut abgestufte Vorwärtsgänge ergeben.
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11 beinhaltet
eine Tabelle mit der Schaltlogik und zwei beispielhaften Gangabstufungen
des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes 1 nach 10 mit
elf Vorwärtsgängen für Gesamtspreizungen
von φges = 10 und φges = 13,2.
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12 zeigt
eine erste Hybridvariante des erfindungsgemäßen
Lastschaltgetriebes 1 mit nur einem ersten Elektromotor
EM1. Die in diesem Ausführungsbeispiel gewählte
Variante des Lastschaltgetriebes ist stark verwandt mit dem Ausführungsbeispiel
nach 1. Der Unterschied liegt darin, dass die Anordnung
der beiden Lastschaltkupplungen A und B vertauscht ist. Das hat
zur Folge, dass sich im Vorschaltgetriebe 2 auch die Reihenfolge
der Stirnradstufen vertauscht. Die zweite Stirnradstufe S2 ist nun
die erste der insgesamt vier Stirnradstufen von der Doppelkupplung 4 aus
gesehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Zahnrad
zwei/eins z21 dieser zweiten Stirnradstufe S2 fest mit der Hauptkoppelwelle
x auf dem ersten Wellenstrang WS1 verbunden und kämmt mit
dem Zahnrad zwei/zwei z22 auf dem zweiten Wellenstrang WS2. Das
Zahnrad zwei/zwei z22 kann über die vierte Zahnkupplung
F mit der zweiten Weile b verbunden werden. Der erste Elektromotor
EM1 sitzt auf der Welle des Zahnrades zwei/zwei z22 dieser zweiten
Stirnradstufe S2 und steht damit permanent, also auch in jedem Gang,
mit der Hauptkoppelwelle x in Verbindung. Körperlich sitzt
der erste Elektromotor EM1 aber zwischen der Doppelkupplung 4 und
den Stirnradstufen in einem Bereich des Getriebes, wo erfahrungsgemäß für
so einen Elektromotor Platz ist.
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In
einem Hybridmodus für rein elektrisches Fahren wird nur
die Abstützwelle y des nachgeschalteten Überlagerungsgetriebes 3 mit
dem Getriebegehäuse 0 verbunden. Alle anderen
Schaltelemente des Lastschaltgetriebes sind offen. In diesem Betriebsmodus
wirkt ein Drehmoment des Elektromotors EM1 mit der Umlaufübersetzung
von der Hauptkoppelwelle x auf die abtriebsseitige Überlagerungswelle
z. Der erste Elektromotor EM1 kann somit den Abtrieb rein elektrisch
vorwärts oder rückwärts antreiben. Dies
ist zum Beispiel zum Rangieren eines Fahrzeugs in verkehrsberuhigten
Zonen oder in Parkhäusern und Garagen hilfreich.
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Um
aus so einem rein elektrischen Fahrbetrieb heraus den Verbrennungsmotor
für einen Start zu beschleunigen, wird zuerst eine Verbindung
des ersten Elektromotors EM1 zur ersten Welle a oder zur zweiten
Welle b hergestellt. Dazu sind entweder die Zahnkupplungen C und
E für eine Ankopplung zur ersten Welle a mit mittlerer Übersetzung,
oder die Zahnkupplung F für eine direkte Ankopplung zur zweiten
Welle b, oder die Zahnkupplungen D und E für eine Ankopplung
zur zweiten Welle b mit hoher Übersetzung zu schließen.
Je nach Wahl der Ankopplung ist dann die Lastschaltkupplung A oder
die Lastschaltkupplung B zu schließen um den Antrieb an zu
beschleunigen. Für den Start eines kalten Verbrennungsmotors
ist eine hohe Übersetzung zwischen dem Elektromotor EM1
und der Doppelkupplung 4 hilfreich. Für den Start
eines betriebswarmen Verbrennungsmotors reicht meist eine direkte
Ankopplung des Elektromotors EM1 an die Doppelkupplung 4 aus.
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Im
verbrennungsmotorischen Betrieb des Lastschaltgetriebes kann der
Leistungsfluss über den elektrischen Zweig jederzeit zwischen
dem Verbrennungsmotor, einem elektrischen Speicher (Batterie oder
Kondensator) und dem mechanischen Antrieb ab aufgeteilt werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil dieser Anordnung des ersten Elektromotors EM1
im Vergleich zu anderen nach dem Stand der Technik bekannten Anordnungen
ist, dass hier kein zusätzliches Schaltelement zwischen
dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor nötig ist. Diese
Hybridvariante des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes
braucht keine weiteren Schaltelemente.
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Von
Doppelkupplungsgetrieben ist bekannt, dass mit ihnen nur Lastschaltungen
von einem geraden Gang zu einem ungeraden Gang möglich
sind, da dann beide Lastschaltkupplungen A und B an der Schaltung
beteiligt sind. Lastschaltungen innerhalb der geraden Ganggruppe
oder der ungeraden Ganggruppe erfordern eine Unterbrechung des Leistungsflusses,
weil der Leistungsfluss in beiden an der Schaltung beteiligten Gängen über
die gleiche Lastschaltkupplung geht. Bei so einer Schaltung mit
Lastunterbrechung kann der erste Elektromotor EM1 über
seine Wirkung auf die Abtriebswelle ab ein Abtriebsdrehmoment aufrechterhalten.
Zumindest im Teillastbereich sind dann alle Schaltungen in so einem
Getriebe ohne Zugkraftunterbrechung an den Rädern möglich.
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13 zeigt
schließlich eine Erweiterung der Hybridvariante des Lastschaltgetriebes 1 nach 12 um
einen zweiten Elektromotor EM2. In dieser Ausführungsform
steht der zweite Elektromotor mit der Antriebswelle an in Verbindung.
Es ist aber auch möglich, den zweiten Elektromotor EM2
an die Abtriebswelle ab zu koppeln. In beiden Fällen entsteht
ein Vollhybridgetriebe, bei dem die Leistung für den ersten
Elektromotor EM1 an anderer Stelle auf dem Antriebsstrang über
den zweiten Elektromotor EM2 entnommen wird.
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Das
erfindungsgemäße Lastschaltgetriebe 1 nach 13 kann
als serieller Hybrid betrieben werden, wenn beide Lastschaltkupplungen
A und B geöffnet sind und der Leistungsfluss von der Antriebswelle
an über den zweiten Elektromotor EM2 als Generator und
eine elektrische Leistungssteuerung zum ersten Elektromotor EM1
geht und von dort über das Überlagerungsgetriebe
mit gehäusefester Abstützwelle y zur Abtriebswelle
ab.
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Wird
die Abstützwelle y über die dritte Stirnradstufe
S3 mit der Antriebswelle an verbunden, so entsteht eine leistungsverzweigter
Hybrid mit einem Fahrbereich.
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Über
das Doppelkupplungsgetriebe des Vorschaltgetriebes 2 lassen
sich die insgesamt acht schon beschriebenen festen Übersetzungen
in den Hybridbetrieb integrieren.
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Beide
Hybridvarianten des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes 1 ermöglichen
alternative Leistungspfade. Sollte in einem dieser Pfade ein Problem,
zum Beispiel infolge eines defekten Schaltelementes, auftreten,
so wäre immer noch eine Leistungsübertragung über
den anderen Leistungspfad möglich. Sicherheitsrelevante
Bauteile brauchen dann nicht mehr redundant aufgebaut zu werden, wenn
alternative Leistungsübertragungen sicher möglich
sind. Dadurch reduziert sich der Aufwand im Sicherheitskonzept.
-
Zusammenfassend
kann man festhalten, dass dieses erfindungsgemäße
Lastschaltgetriebe ein Vorschaltgetriebe 2 mit einem Doppelkupplungsgetriebe
für vorzugsweise drei, vier oder fünf Gänge enthält,
das jeweils ein Minimum an Bauteilen aufweist. Weiterhin beinhaltet
das Lastschaltgetriebe 1 ein nachgeschaltetes Überlagerungsgetriebe 3,
das in Verbindung mit einem oder zwei Elektromotoren EM1/2 alle
Hybridfunktionen erfüllen kann und dafür keine
zusätzlichen Schaltelemente benötigt. Diese beiden
Teilgetriebe sind gemäß der Erfindung so miteinander
verbunden, dass sich die Anzahl der Getriebegänge ca. verdoppelt.
Lastschaltgetriebe nach dieser Erfindung mit bis zu elf Vorwärtsgängen
und Stellbereichen größer als 13 reichen für
die allermeisten Anwendungen in PKW und leichten NKW aus. Das Lastschaltgetriebe
ist in Ausführungen für Standardantriebe und Frontqueranwendungen
in den verfügbaren Bauräumen darstellbar.
-
- 0
- Getriebegehäuse
- 1
- Lastschaltgetriebe
- 2
- Vorschaltgetriebe
- 3
- Überlagerungsgetriebe
= Nachschaltgetriebe
- 4
- Doppelkupplung
- an
- Antriebswelle
(vom Verbrennungsmotor)
- ab
- Abtriebswelle
- a
- erste
Welle
- b
- zweite
Welle
- c
- dritte
Welle
- r
- Rückwärtsschaltwelle
- x
- Hauptkoppelwelle
- y
- Abstützwelle
- z
- abtriebsseitige Überlagerungswelle
- A
- erste
Lastschaltkupplung
- B
- zweite
Lastschaltkupplung
- C
- erste
Zahnkupplung
- D
- zweite
Zahnkupplung
- E
- dritte
Zahnkupplung
- F
- vierte
Zahnkupplung
- G
- fünfte
Zahnkupplung (Überbrückung Nachschaltgetriebe)
- U
- sechste
Zahnkupplung (Überlagerungsschaltung)
- V
- siebte
Zahnkupplung (Vorwärtsschaltelement)
- R
- achte
Zahnkupplung (Rückwärtsschaltelement)
- P
- Ölpumpe
- z11,
z12, z21, usw.
- Zahnrad
von Stirnradstufe s auf Wellenstrang w
- S1,
S2, S3, S4, S5
- Stirnradstufe
eins, Stirnradstufe zwei, ..., Stirnradstufe 5
- So_x
- erstes
Sonnenrad Überlagerungsgetriebe
- So_y
- zweites
Sonnenrad Überlagerungsgetriebe
- Ho_r
- Hohlrad Überlagerungsgetriebe
- Pt
- Planetenträger Überlagerungsgetriebe
- Pl_x
- erster
Planet Überlagerungsgetriebe
- Pl_y
- zweiter
Planet Überlagerungsgetriebe
- EM1
- erster
Elektromotor
- EM2
- zweiter
Elektromotor
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004031463
A1 [0006]