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Die
Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe sowie ein Verfahren
zum Betrieb eines Getriebes.
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Stufenlose
Getriebe, die Planetenradsätze verwenden, sind aus der
Praxis bekannt. Solche Getriebe weisen beispielsweise eine Primär-Kegelscheibe
und eine Sekundär-Kegelscheibe auf, welche über
ein Schubgliederband verbunden sind. Eine Übersetzungsänderung,
d. h. eine Einstellung des Drehzahlverhältnisses zwischen
einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle wird dabei durch eine Änderung
des Wirkdurchmessers der Kegelscheiben erreicht.
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Neben
den aus der Praxis bekannten stufenlosen Getrieben sind aus der
DE 696 10 809 T2 und
der
DE 10 2005
048 938 A1 Schaltgetriebe für Hybridantriebe bekannt,
bei denen zur Leistungsein- und/oder -auskoppelung zu einer E-Maschine
Planetenradsätze verwendet werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein stufenloses Getriebe zur
Verfügung zu stellen, welches aus wenigen Komponenten aufgebaut
ist. Ferner soll der Antrieb von Hybridfahrzeugen verbessert werden.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 9.
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Gemäß der
Erfindung ist bei einem stufenlosen Getriebe mit einer Eingangswelle
und einer Ausgangswelle sowie einem dazwischen angeordneten, Getrieberäder
aufweisenden Planetenradsatz eine E-Maschine vorgesehen, mit der
zur Einstellung des Drehzahlverhältnisses zwischen der
Eingangswelle und der Ausgangswelle mindestens eines der Getrieberäder
antreibbar ist. Mit der Erfindung wird durch Antreiben eines der Getrieberäder
dessen Drehzahl vorgegeben, sodass unter Berücksichtigung
der Drehzahl eines anderen Getrieberades sich die Drehzahl der Ausgangswelle
und damit das Drehzahlverhältnis zwischen der Eingangswelle
und der Ausgangswelle bestimmen lässt. Die Erfindung erfordert
also lediglich einen Planetenradsatz, um beliebige Drehzahlen zu
erzeugen. Mit der Erfindung ist so in einfacher Weise auch die Darstellung
eines Rückwärtsganges möglich, ohne dass
dazu die Drehrichtung einer Antriebmaschine, insbesondere einer
auf die Eingangswelle wirkenden Brennkraftmaschine verändert
werden müsste. Dazu weist der Planetenradsatz des Getriebes
vorzugsweise ein Sonnenrad sowie ein Hohlrad auf.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hohlrad
verdrehfest, insbesondere unlösbar verdrehfest mit der
E-Maschine verbunden. Dies erlaubt eine besonders kompakte Bauweise
des erfindungsgemäßen Getriebes. Dies gilt insbesondere
für eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung,
gemäß der das Hohlrad und ein Läufer
der E-Maschine koaxial ausgebildet sind.
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Gemäß weiteren
bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist das Sonnenrad verdrehfest
mit der Eingangswelle verbunden, wobei an der Eingangswelle vorzugsweise
eine Kupplung zum Anschluss einer Brennkraftmaschine vorgesehen
ist. Diese Ausgestaltungen erlauben eine besonders einfache Umsetzung der
Erfindung in der Praxis. Dies gilt auch für eine weitere
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gemäß der an
der Ausgangswelle des Getriebes eine Kupplung zum Anschluss eines
Kfz-Triebstrangs vorgesehen ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Planetenradsatz
mehrere Planetenräder auf, die von einem Planetenträger
getragen werden. Dadurch ist es möglich, hohe Drehmomente
mit dem erfindungsgemäßen Getriebe zu übertragen,
denn die von den einzelnen Planetenrädern, insbesondere
mindestens drei Planetenrädern jeweils einzeln zu übertragenden
Momente lassen sich dadurch gering halten.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die
E-Maschine des Getriebes als Hybridantriebsmaschine und Hybridgenerator
ausgebildet. Bei einer solchen Ausgestaltung lässt sich
gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein
Antrieb von Hybridfahrzeugen verbessern.
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Zu
dem erfindungsgemäßen stufenlosen Getriebe korrespondiert
ein Verfahren zum Betrieb eines Getriebes, bei dem durch eine elektrische
Beaufschlagung der Wicklung oder einer Feststellkupplung einer E-Maschine
Drehzahlen- und Momente einer Ausgangswelle des Getriebes eingestellt
werden. Daher wird auch für ein solches Verfahren und die
sich aus der Beschreibung ergebenden besonders bevorzugten Ausgestaltungen
dieses Verfahrens Schutz beansprucht.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung
im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
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Dabei
zeigt:
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1 Eine
besonders bevorzugte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Getriebes.
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Das
in 1 in einer schematischen Darstellung gezeigte
stufenlose Getriebe 100 gemäß einer besonders
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist als ein Getriebe
für einen Personkraftwagen mit Hybridantrieb ausgebildet.
Das Getriebe 100 weist eine Eingangswelle 102 auf,
die über eine Kupplung K1 an eine Kurbelwelle 104 einer
Brennkraftmaschine ankoppelbar ist. Darüber hinaus weist
das Getriebe eine Ausgangswelle 106 auf, die über
eine Kupplung K3 an einen Kfz-Triebstrang 108 ankoppelbar
ist.
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Zwischen
der Eingangswelle 102 und der Ausgangswelle 106 ist
ein Planetenradsatz 110 angeordnet, welcher ein mit der
Eingangswelle 102 verdrehfest verbundenes Sonnenrad 112,
mehrere Planetenräder 114 sowie ein Hohlrad 116 aufweist.
Die Planetenräder 114 werden von einem Planetenträger 118 getragen,
welcher verdrehfest mit der Ausgangswelle 106 ausgebildet
ist. An dem Planetenträger 118 ist darüber
hinaus ein erster Teil 120 einer Kupplung K2 ausgebildet,
wobei ein zweiter Teil 122 dieser Kupplung K2 verdrehfest
mit der Eingangswelle 102 verbunden ist.
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Das
Hohlrad 116 ist als Läufer 124 einer
E-Maschine 126 ausgebildet, wobei die E-Maschine 126 einen
Statur 128 aufweist, welcher verdrehfest in einem Gehäuse 130 ausgebildet,
welches gleichzeitig ein Getriebe- und E-Maschinen-Gehäuse
ist. Über eine Kupplung K4, die als Feststellkupplung bezeichnet
werden kann, können der Läufer 124 und
damit das damit einstückig ausgebildete Hohlrad 116 gegenüber
dem Gehäuse 130 festgelegt werden.
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Das
zuvor beschriebene Getriebe 100 ermöglicht einen
sehr differenzierten Betrieb des Getriebes 100, bei dem
insbesondere durch eine elektrische Beaufschlagung der Wicklungen
der E-Maschine 126 Drehzahlen und Momente der Ausgangswelle 106 des
Getriebes 100 eingestellt werden können.
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Ist
ein Antrieb eines Kraftfahrzeuges, d. h. ein Rotieren des Triebstrangs 108 durch
Nutzung des Drehmoments der Brennkraftmaschine (des Verbrennungsmotors)
gewünscht, sind ein erster und ein zweiter Verfahrensmodus
möglich, bei welchen die E-Maschine jeweils gespeicherte
Energie nicht verbraucht.
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In
einem ersten Verfahrenmodus sind die Kupplungen K3 und K4 geschlossen,
und die Kupplung K2 ist offen. D. h., dass das Hohlrad 116 verdrehfest
mit dem Gehäuse und der Kfz-Triebstrang 108 verdrehfest mit
dem Planetenträger 118 verbunden ist. Das Schließen
der Kupplung K4 ist dabei äquivalent mit einem Antrieb
der E-Maschine 126 mit 0 Umdrehungen/min. Wegen der offenen
Kupplung K2 kann der Planetenträger 118 gegenüber
dem Sonnenrad 112 rotiert werden. Wird nun die Anfahrkupplung
K1 geschlossen, dreht die Kurbelwelle 104 die Eingangswelle 102 und
damit das Sonnenrad 112, welches die Planetenräder 114,
die sich an dem Hohlrad 116 abstützen, in Drehung
versetzt, womit der Kfz-Triebstrang 108 rotiert wird. Das
Drehzahlverhältnis zwischen der Eingangswelle 102 und
der Ausgangswelle 106 ergibt sich dabei durch die Verzahnungen
des Planetenradsatzes 110, wobei eine Fahrzeuggeschwindigkeit
daraus resultierend in einem festen Verhältnis zur Drehzahl
der Brennkraftmaschine ist.
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Auch
in einem zweiten Verfahrensmodus zum Antrieb des Fahrzeugs ausschließlich
durch Nutzung des Drehmoments des Verbrennungsmotors ergibt sich
die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem festen Verhältnis
zur Drehzahl der Brennkraftmaschine, wobei in diesem Verfahrensmodus
die Kupplung K2 geschlossen und die Kupplung K4 offen ist. Das Drehzahlverhältnis
ergibt sich aus der Verzahnung des Planetenradsatzes 110.
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Die
vorgenannten Verfahrensmodi können wie folgt zusammengefasst
werden:
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Verfahrensmodus 1a.
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(Antrieb mittels Verbrennungsmotor; E-Motor
steht)
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- K1 = Anfahrkupplung
- K3 = geschlossen
- K4 = geschlossen
- K2 offen
- => Abtriebsdrehzahl
= i V-Motor/i Planetensatz
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Verfahrensmodus 1b.
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(Antrieb mittels Verbrennungsmotor; E-Motor
steht)
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- K1 = Anfahrkupplung
- K3 = geschlossen
- K4 = offen
- K2 = geschlossen
- => Abtriebszahl
= i V-Motor
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Bei
still gesetzter Brennkraftmaschine kann ein Antrieb durch Nutzung
der E-Maschine 126 in zwei Verfahrensmodi erfolgen. Die
Betriebszustände der Kupplungen sind dann wie folgt:
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Verfahrensmodus 2a.
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(Antrieb mittels E-Motor; Brennkraftmaschine
(V-Motor) steht)
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- K1 offen
- K4 = offen
- K3 = geschlossen
- K2 = geschlossen
- => Abtriebsdrehzahl
= i E-Motor
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Verfahrensmodus 2b.
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(Antrieb mittels E-Motor; Brennkraftmaschine
(V-Motor) steht)
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- K1 = geschlossen
- K4 = offen
- K3 = geschlossen
- K2 offen
- => Abtriebsdrehzahl
= i E-Motor i Planetensatz
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In
den Verfahrensmodi 2a und 2b ist eine Fahrtrichtungsänderung
durch umpolen (Drehrichtungsänderung) des der E-Maschine 126 möglich.
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Besonders
vorteilhaft sind Verfahrensmodi, in denen ein Antrieb durch gleichzeitige
Nutzung der Brennkraftmaschine und der E-Maschine erfolgt. Die Betriebszustände
der Kupplungen sind dann wie folgt:
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Verfahrensmodus 3.
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(Antrieb mittels V-Motor und E-Motor)
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- K1 = Anfahrkupplung
- K2 = offen
- K3 = geschlossen
- E-Motor überlagert die Drehzahl des V-Motors
- => V-Motor wird
im optimalen Wirkungsgrad betrieben,
- Geschwindigkeitsregelung erfolgt durch den E-Motor.
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In
diesem Verfahrensmodus 3 kann eine Fahrtrichtungsänderung
durch ein Umpolen (Drehrichtungsänderung) der E-Maschine 126 (des
E-Motors) erfolgen.
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In
der nachfolgenden Tabelle sind die erzielbaren Drehzahlen und sich
daraus ergebende Fahrzeuggeschwindigkeiten zusammengefasst, wobei
für den Planetenradsatz folgende Vorgaben gewählt
worden sind:
| Sonnerad 112: | 31 z1 |
| Planetenräder
114: | 71 z4 |
| Hohlrad 116: | 171 z4 |
Tabelle 1
| n Eingangswelle 1/min | n Hohlrad 1/min | n Ausgangswelle 1/min | Fahrzeuggeschwindigkeit
km/h |
| 5000 | 5500 | 5432 | 251,1 |
| 4000 | 5500 | 5269 | 244,0 |
| 3500 | 5250 | 4981 | 230,6 |
| 3000 | 5000 | 4693 | 217,3 |
| 2500 | 4500 | 4193 | 194,1 |
| 2500 | 4000 | 3769 | 174,5 |
| 2500 | 3500 | 3346 | 154,9 |
| 2500 | 3000 | 2932 | 135,3 |
| 1500 | 2500 | 2346 | 108,8 |
| 1500 | 1750 | 1711 | 79,2 |
| 1500 | 1000 | 1076 | 48,8 |
| 1500 | 500 | 653 | 30,3 |
| 1500 | 250 | 441 | 20,5 |
| 1500 | Steht | 230 | 10,7 |
| 1000 | Steht | 153 | 7,1 |
| 600 | Steht | 92 | 4,3 |
| 600 | Rückwärtsfahrt
500 | –77 | –3,6 |
| 1000 | Rückwärtsfahrt
500 | –269 | –12,5 |
| 2000 | Rückwärtsfahrt
2000 | –1386 | –54,2 |
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Die
Erfindung erlaubt in einem weiteren Verfahrensmodus auch eine Rückgewinnung
von Energie bei einem Abbremsen des Kraftfahrzeuges. Die Betriebszustände
der Kupplungen sind dann wie folgt:
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Verfahrensmodus 4.
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(Rekuperation):
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- K1 = offen
- K2 = geschlossen
- K3 = geschlossen
- K4 = offen
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Die
Erfindung erlaubt in einem weiteren Verfahrensmodus auch ein Starten
der Brennkraftmaschine unter Verwendung der E-Maschine 126.
Die Betriebszustände der Kupplungen sind dann wie folgt:
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Verfahrensmodus 5.
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(Starter für V-Motor)
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- K1 = geschlossen
- K2 = geschlossen
- K3 = offen
- K4 = offen
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Die
Erfindung erlaubt in einem weiteren Verfahrensmodus auch eine Funktion „Parksperre".
Die Betriebszustände der Kupplungen sind dann wie folgt:
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Verfahrensmodus 6.
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(Rückrollverhinderung beim Anfahren
(Parksperre))
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- K1 = offen/geschlossen
- K2 = geschlossen
- K3 = geschlossen
- K4 = geschlossen
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Gemäß besonders
bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden einzelne der vorgenannten Verfahrensmodi, mehrere
Verfahrensmodi oder alle Verfahrensmodi durchgeführt.
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Kurz
zusammengefasst ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile
gegenüber anderen Systemen:
- – kompakte
Bauweise (D = 300/500 mm, L = 200/300 mm je nach Leistung)
- – geringeres Gewicht
- – wenige Bauteile, dadurch insbesondere Kosteneinsparung
- – für Längs- und Quereinbau geeignet
(Baukasten)
- – als stufenloses Getriebe für konventionellen
Antrieb, E-Motor ist dann nur zur Drehzahlregelung und Fahrtrichtungsänderung
nötig.
- – der Verbrennungsmotor kann in optimalen, verbrauchs-
und schadenstoffemissionsgünstigen Drehzahlbereich auch
mit konstanter Drehzahl betrieben werden.
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- 100
- Getriebe
- 102
- Eingangswelle
- 104
- Kurbelwelle
- 106
- Ausgangswelle
- 108
- Kfz-Triebstrang
- 110
- Planetenradsatz
- 112
- Sonnenrad
- 114
- Planetenräder
- 116
- Hohlrad
- 118
- Planetenträger
- 120
- erster
Teil
- 122
- zweiter
Teil
- 124
- Läufer
- 126
- E-Maschine
- 128
- Stator
- 130
- Gehäuse
- K1
- Kupplung
- K2
- Kupplung
- K3
- Kupplung
- K4
- Kupplung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 69610809
T2 [0003]
- - DE 102005048938 A1 [0003]