DE102008031456B4

DE102008031456B4 - Lastschaltgetriebe

Info

Publication number: DE102008031456B4
Application number: DE102008031456.0A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Egs Entw Fuer Getriebesysteme Mbh; EGS Entwicklungsgesellschaft fur Getriebesysteme mbH
Current assignee: Egs Entwicklungsgesellschaft fur Getriebesyst De
Priority date: 2008-07-05
Filing date: 2008-07-05
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2028-07-06
Also published as: DE102008031456A1

Abstract

Lastschaltgetriebe (1) zwischen einer Antriebswelle (an) und einer Abtriebswelle (ab), bestehend aus einem Vorschaltgetriebe (2), das von der Antriebswelle (an) angetrieben wird, und einem Überlagerungsgetriebe (3) mit mindestens drei Wellen, von denen eine abtriebsseitige Überlagerungswelle (z) mit der Abtriebswelle (ab) in Verbindung steht, von denen eine Abstützwelle (y) mit dem Getriebegehäuse (0) oder mindestens einer der Wellen des Vorschaltgetriebes (2) verbindbar ist und von denen eine Hauptkoppelwelle (x) über das Vorschaltgetriebe (2) mit der Antriebswelle (an) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgetriebe (2) eine Doppelkupplung (4) mit einer ersten Lastschaltkupplung (A) und einer zweiten Lastschaltkupplung (B) aufweist, wobei die Antriebswelle (an) mittels der ersten Lastschaltkupplung (A) mit einer ersten Welle (a) auf einem ersten Wellenstrang (WS1) verbindbar ist, und wobei die Antriebswelle (an) mittels der zweiten Lastschaltkupplung (B) mit einer zweiten Welle (b) auf einem zweiten Wellenstrang (WS2) verbindbar ist, und wobei das Vorschaltgetriebe (2) eine dritte Welle (c) aufweist, die über eine feste Übersetzung mit der Antriebswelle (an) in Verbindung steht und mit der Abstützwelle (y) verbindbar ist.

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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 Verbindung 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Nach Anspruch 4 weist das Vorschaltgetriebe einen dritten direkten Leistungspfad zwischen der ersten Welle und der Hauptkoppelwelle auf.
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.
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.
Nach Anspruch 6 ist die erste Welle über einen fünften Leistungspfad direkt mit der Abtriebswelle verbindbar.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Ansprüche 9 bis 15 beziehen sich auf die Ausgestaltung der Stirnradstufen und die Schaltelemente für alle vorbereitenden Schaltungen von Leistungspfaden.
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.
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.
Nach Anspruch 11 ist die erste Welle mittels einer fünften Zahnkupplung mit der Abtriebswelle verbindbar ist.
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.
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.
Nach Anspruch 14 weist das Lastschaltgetriebe ein Vorwärtsschaltelement auf, mit dem die Abstützwelle des nachgeschalteten Überlagerungsgetriebes mit dem Getriebegehäuse verbindbar ist.
Und nach Anspruch 15 weist das Lastschaltgetriebe eine Rückwärtsschaltwelle auf und ein Rückwärtsschaltelement, mit dem die Rückwärtsschaltwelle mit dem Getriebegehäuse verbindbar ist.
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.
Die Ansprüche 16 bis 18 betreffen die Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes.
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.
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.
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.
Nach Anspruch 19 weist das Lastschaltgetriebe eine Ölpumpe auf, die direkt und permanent von der Antriebswelle angetrieben wird.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:

1 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen und Achsversatz zwischen An- und Abtrieb,
2 eine Ausführungsvariante des nachgeschalteten Überlagerungsgetriebes,
3 die Schaltlogik des Lastschaltgetriebes nach 1
4 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit sieben Vorwärtsgängen und Achsversatz zwischen An- und Abtrieb,
5 die Schaltlogik des Lastschaltgetriebes nach 4,
6 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen und koaxialem An- und Abtrieb,
7 eine alternative Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen und koaxialem An- und Abtrieb,
8 die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung für Frontquerantriebe mit acht Vorwärtsgängen,
9 Auslegungsvarianten einiger Getriebestrukturen mit acht Vorwärtsgängen,
10 eine Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit elf Vorwärtsgängen und koaxialem An- und Abtrieb,
11 Auslegungsvarianten einiger Getriebestrukturen mit elf Vorwärtsgängen,
12 eine Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen und Integration eines ersten Elektromotors,
13 eine Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Lastschaltgetriebes in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen und Integration von zwei Elektromotoren.

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.
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.
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.
Die Antriebswelle an ist über das Doppelkupplungsgetriebe des Vorschaltgetriebes 2 in mehreren Gängen mit der Hauptkoppelwelle x des nachgeschalteten Überlagerungsgetriebes 3 verbindbar.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Getriebegehäuse 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die vierte Stirnradstufe S4 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Welle 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Wird die Abstützwelle y über die dritte Stirnradstufe S3 mit der Antriebswelle an verbunden, so entsteht eine leistungsverzweigter Hybrid mit einem Fahrbereich.
Über das Doppelkupplungsgetriebe des Vorschaltgetriebes 2 lassen sich die insgesamt acht schon beschriebenen festen Übersetzungen in den Hybridbetrieb integrieren.
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.
Bezugszeichenliste

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

Claims

Lastschaltgetriebe (1) zwischen einer Antriebswelle (an) und einer Abtriebswelle (ab), bestehend aus einem Vorschaltgetriebe (2), das von der Antriebswelle (an) angetrieben wird, und einem Überlagerungsgetriebe (3) mit mindestens drei Wellen, von denen eine abtriebsseitige Überlagerungswelle (z) mit der Abtriebswelle (ab) in Verbindung steht, von denen eine Abstützwelle (y) mit dem Getriebegehäuse (0) oder mindestens einer der Wellen des Vorschaltgetriebes (2) verbindbar ist und von denen eine Hauptkoppelwelle (x) über das Vorschaltgetriebe (2) mit der Antriebswelle (an) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgetriebe (2) eine Doppelkupplung (4) mit einer ersten Lastschaltkupplung (A) und einer zweiten Lastschaltkupplung (B) aufweist, wobei die Antriebswelle (an) mittels der ersten Lastschaltkupplung (A) mit einer ersten Welle (a) auf einem ersten Wellenstrang (WS1) verbindbar ist, und wobei die Antriebswelle (an) mittels der zweiten Lastschaltkupplung (B) mit einer zweiten Welle (b) auf einem zweiten Wellenstrang (WS2) verbindbar ist, und wobei das Vorschaltgetriebe (2) eine dritte Welle (c) aufweist, die über eine feste Übersetzung mit der Antriebswelle (an) in Verbindung steht und mit der Abstützwelle (y) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgetriebe (2) einen ersten Leistungspfad aufweist zwischen der ersten Welle (a) und der Hauptkoppelwelle (x) und dass dieser erste Leistungspfad über eine erste Stirnradstufe (S1) vom ersten Wellenstrang (WS1) zum zweiten Wellenstrang (WS2) führt und über eine zweite Stirnradstufe (S2) vom zweiten Wellenstrang (WS2) zurück zum ersten Wellenstrang (WS1) führt.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgetriebe (2) einen zweiten Leistungspfad aufweist zwischen der zweiten Welle (b) und der Hauptkoppelwelle (x) und dass dieser zweite Leistungspfad über die zweite Stirnradstufe (S2) vom zweiten Wellenstrang (WS2) zum ersten Wellenstrang (WS1) führt.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgetriebe (2) einen dritten direkten Leistungspfad zwischen der ersten Welle (a) und der Hauptkoppelwelle (x) aufweist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgetriebe (2) einen vierten Leistungspfad aufweist zwischen der zweiten Welle (b) und der Hauptkoppelwelle (x) und dass dieser vierte Leistungspfad über die erste Stirnradstufe (S1) vom zweiten Wellenstrang (WS2) zum ersten Wellenstrang (WS1) führt.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (a) über einen fünften Leistungspfad direkt mit der Abtriebswelle (ab) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgetriebe (2) eine dritte Stirnradstufe (S3) aufweist, mittels derer die dritte Welle (c) über einen parallelen Leistungspfad mit der Abstützwelle (y) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgetriebe (2) eine vierte Stirnradstufe (S4) zwischen der Antriebswelle (an) und der ersten Welle (a) oder zwischen der Antriebswelle (an) und der zweiten Welle (b) aufweist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnradstufe (S1) die Zahnräder eins/eins (z11) und eins/zwei (z12) aufweist, und dass das Zahnrad eins/eins (z11) mittels einer ersten Zahnkupplung (C) mit der ersten Welle (a) verbindbar ist, und dass das Zahnrad eins/zwei (z12) mittels einer zweiten Zahnkupplung (D) mit der zweiten Welle (b) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stirnradstufe (S2) die Zahnräder zwei/eins (z21) und zwei/zwei (z22) aufweist, und dass das Zahnrad zwei/eins (z21) fest mit der Hauptkoppelwelle (x) verbunden ist und mittels einer dritten Zahnkupplung (E) mit dem Zahnrad eins/eins (z11) verbindbar ist, und dass das Zahnrad zwei/zwei (z22) mittels einer vierten Zahnkupplung (F) mit der zweiten Welle (b) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (a) mittels einer fünften Zahnkupplung (G) mit der Abtriebswelle (ab) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Stirnradstufe (S3) die Zahnräder drei/eins (z31) und drei/zwei (z32) aufweist, und dass das Zahnrad drei/eins (z31) fest mit der Abstützwelle (y) in Verbindung steht, und dass das Zahnrad drei/zwei (z32) mittels einer sechsten Zahnkupplung (U) mit der dritten Welle (c) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Stirnradstufe (S4) die Zahnräder vier/eins (z41) und vier/zwei (z42) aufweist, und dass das Zahnrad vier/eins (z41) auf dem ersten Wellenstrang (WS1) sitzt und dass das Zahnrad vier/zwei (z42) auf dem zweiten Wellenstrang (WS2) sitzt.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) ein Vorwärtsschaltelement (V) aufweist, mit dem die Abstützwelle (y) mit dem Getriebegehäuse (0) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe (1) eine Rückwärtsschaltwelle (r) aufweist und ein Rückwärtsschaltelement (R), mit dem die Rückwärtsschaltwelle (r) mit dem Getriebegehäuse (0) verbindbar ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (3) in Planetenradbauweise aufgebaut ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (3) eine vierwellige Planetenradstufe ist.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Sonnenrad (So_x) des Überlagerungsgetriebes (3) mit der Hauptkoppelwelle (x) in Verbindung steht, dass ein zweites Sonnenrad (So_y) die Abstützwelle (y) ist, dass ein Hohlrad (Ho_r) die Rückwärtsschaltwelle (r) ist, dass ein Planetenradträger (Pt) die abtriebsseitige Überlagerungswelle (z) darstellt und dass der Planetenradträger (Pt) mehrere Sätze miteinander kämmender Planetenräder (PI_x, PI_y) aufweist, von denen jeweils ein erster Planet (Pl_x) mit dem ersten Sonnenrad (So_x) kämmt und von denen der zweite Planet (Pl_y) mit dem zweiten Sonnenrad (So_y) und dem Hohlrad (Ho_r) kämmt.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastschaltgetriebe eine Ölpumpe (P) aufweist, die direkt und permanent von der Antriebswelle (an) angetrieben wird.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, das Lastschaltgetriebe (1) einen ersten Elektromotor (EM1) aufweist, der direkt mit der Hauptkoppelwelle (x) oder mit einem der Zahnräder der Stirnradstufen eins (S1) oder zwei (S2) verbunden ist.
Lastschaltgetriebe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, das Lastschaltgetriebe (1) einen zweiten Elektromotor (EM2) aufweist, der direkt mit der abtriebsseitigen Überlagerungswelle (z) bzw. der Abtriebswelle (ab) oder direkt mit der Antriebswelle (an) verbunden ist.