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Die
Erfindung betrifft eine Getriebevorrichtung für einen Fahrzeugantriebsstrang
sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Getriebevorrichtung gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 5 näher definierten Art.
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Aus
der Praxis bekannte Getriebevorrichtungen für Fahrzeugantriebsstränge sind
u. a. mit automatisierten Schaltgetriebeeinrichtungen ausgeführt, die
zur Darstellung verschiedener Übersetzungsstufen
mit über
formschlüssige
Schaltelemente in einen Kraftfluss zuschaltbaren und aus diesem
abschaltbaren Zahnradpaarungen ausgebildet sind. Um während Hochschaltungen
Drehzahldifferenzen im Bereich wenigstens eines zur Darstellung
der durch die Hochschaltung angeforderten Ziel-Übersetzung zu schließenden Schaltelementes
einer automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung zumindest teilweise
ausgleichen zu können,
sind die Getriebevorrichtungen üblicherweise
jeweils mit einem als Bremse ausgebildeten reibschlüssigen Schaltelement
ausgeführt,
mittels dem ein Drehmoment in den Kraftfluss der Getriebevorrichtung
einleitbar ist, um die automatisierte Schaltgetriebeeinrichtungen
jeweils für
den angeforderten Übersetzungswechsel
in Bezug auf die einzulegende Ziel-Übersetzung
zu synchronisieren.
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Nachteilig
dabei ist jedoch, dass während der
durch die Hochschaltanforderungen ausgelösten Synchronisierung der Getriebevorrichtungen
im Bereich der Bremsen Verlustleistungen entstehen, welche die Wirkungsgrade
von Fahrzeugantriebssträngen
in unerwünschtem
Umfang herabsetzen.
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Aus
diesem Grund ist dazu übergegangen worden,
Fahrzeugantriebsstränge
mit mit automatisierten Schaltgetriebeeinrichtungen ausgeführten Getriebevorrichtungen
anstatt mit einer Bremse mit einer elektrischen Maschine auszuführen, um
Drehzahldifferenzen im Bereich wenigstens eines zur Darstel lung
der durch eine Hochschaltung angeforderten Ziel-Übersetzung zu schließenden Schaltelementes zumindest
teilweise auszugleichen. Hierfür
werden die elektrischen Maschinen jeweils generatorisch betrieben
und die im Bereich der elektrischen Maschinen erzeugte elektrische
Energie wird in ein Bordnetz eines Fahrzeuges eingespeist und/oder
zum Laden einer der elektrischen Maschine zugeordneten elektrischen
Speichereinrichtung verwendet.
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Sind
im Bereich des zur Darstellung der durch die Hochschaltung angeforderten
Ziel-Übersetzung
zu schließenden
Schaltelementes vorliegenden Drehzahldifferenzen aufgrund einer
eingeschränkten
Funktionalität
der elektrischen Maschine über
die elektrische Maschine nicht in gewünschtem Umfang ausgleichbar,
sind vordefinierte Schaltzeiten für die jeweils angeforderten Übersetzungswechsel in
der automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung nicht realisierbar,
da bei einem Ausfall der elektrischen Maschine der Übersetzungswechsel
erst zu einem Zeitpunkt durchführbar
ist, zu dem die Drehzahldifferenzen aufgrund von im Fahrzeugantriebsstrang
wirkenden Reibmomenten selbstständig
abgebaut sind.
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Weisen
die bekannten Getriebevorrichtungen im Bereich der automatisierten
Schaltgetriebeeinrichtung sogenannte Synchronisierungen auf und stellt
eine elektrische Maschine aufgrund eines ungünstigen Betriebszustandes ein
für die
gewünschte aktive
Synchronisierung der Getriebevorrichtung nicht ausreichendes Drehmoment
zur Verfügung, sind
die Drehzahldifferenzen im Bereich der Synchronisierungen auszugleichen,
wobei die Trägheitsmasse
der elektrischen Maschine im Bereich der Synchronisierungen mit
zu synchronisieren ist. Dies führt jedoch
unter Umständen
zu unerwünscht
hohen Belastungen der Synchronringe der Synchronisierungen und zu
einer Verkürzung
der Lebensdauer der Synchronisierungen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Getriebevorrichtung
für einen
Fahrzeugantriebsstrang mit einer automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung
und mit einer elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer
Getriebevorrichtung zur Verfügung
zu stellen, mittels welchen vordefinierte Schaltzeiten auch während Betriebszuständen der
Getriebevorrichtung, zu den die Funktionalität der elektrischen Maschine nicht
vollständig
zur Verfügung
steht, wenigstens annähernd
darstellbar sind.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einer Getriebevorrichtung und mit einem Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 5 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Getriebevorrichtung für einen
Fahrzeugantriebsstrang ist mit einer automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung,
die zur Darstellung verschiedener Übersetzungsstufen mit über formschlüssige Schaltelemente
in einen Kraftfluss zuschaltbaren und aus diesem abschaltbaren Zahnradpaarungen
ausgebildet ist, und mit einer elektrischen Maschine, mittels der
bei Hochschaltungen ein Drehmoment in den Kraftfluss einleitbar
ist, um Drehzahldifferenzen im Bereich wenigstens eines zur Darstellung
der durch die Hochschaltung angeforderten Ziel-Übersetzung zu schließenden Schaltelementes zumindest
teilweise auszugleichen, ausgeführt.
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Erfindungsgemäß ist der
elektrischen Maschine ein als Bremse ausgebildetes reibschlüssiges Schaltelement
zugeordnet, mittels welchem zur Synchronisierung der in Bezug auf
eine durch eine Hochschaltanforderung einzulegenden Ziel-Übersetzung zu
synchronisierenden automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung ebenfalls
ein Drehmoment in den Kraftfluss einleitbar ist, wobei das über die
elektrische Maschine und das über
die Bremse in den Kraftfluss eingeleitete Drehmoment im Bereich
einer die elektrische Maschine und die Bremse betätigenden Steuer-
und Regeleinrichtung vorgebbar ist.
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Das
bedeutet, dass die Getriebevorrichtung nach der Erfindung zusätzlich zu
der elektrischen Maschine mit einer der automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung
zugeordneten Bremse bzw. Getriebebremse ausgebildet ist, mittels der
die elektrische Maschine während
einer durch eine Hochschaltanforderung ausgelösten Synchronisierung der automatisierten
Schaltgetriebeeinrichtung betriebszustandsabhängig unterstützbar ist.
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So
ist beispielsweise das bei Hochschaltungen zum Synchronisieren der
Getriebevorrichtung bzw. der automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung
in den Kraftfluss der Getriebevorrichtung 1 einzuleitende
Drehmoment mittels der der Steuer- und Regeleinrichtung betriebszustandsabhängig zumindest teilweise
im Bereich der elektrischen Maschine und zum anderen Teil im Bereich
der Bremse erzeugbar, wobei das im Bereich der Bremse erzeugte Synchronisierungsdrehmoment
zur Verkürzung
der Synchronisationszeit verwendbar ist, wenn im Bereich der elektrischen
Maschine das maximal mögliche
Synchronisationsmoment erzeugt wird und das zusätzliche Synchronisationsmoment
der Bremse einen Überschuss
zu einem Synchronisationsmoment eines herkömmlichen Synchronisationsvorganges
darstellt.
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Darüber hinaus
sind mittels der erfindungsgemäßen Getriebevorrichtungen
Hochschaltungen mit reproduzierbaren Schaltzeiten durchführbar, da über die
Getriebebremse Schwankungen des im Bereich der elektrischen Maschine
erzeugbaren Synchronisationsdrehmomentes auf einfache Art und Weise
ausgleichbar sind.
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Die
Ausführung
der Getriebevorrichtung mit der elektrischen Maschine und der zusätzlichen
Getriebebremse bietet darüber
hinaus auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, sowohl die elektrische Maschine
als auch eine vorzugsweise zugeordnete elektrische Speichereinrichtung
sowie die Getriebebremse kleiner als bei aus der Praxis bekannten Fahrzeugantriebssträngen, welche
nur mit einer elektrischen Maschine oder nur mit einer Getriebebremse
ausgeführt
sind, zu dimensionieren und die Schaltgetriebeeinrichtung in gewünschtem
Umfang vor einem durch eine Hochschaltung angeforderten Über setzungswechsel
zu synchronisieren und die Hochschaltung innerhalb vordefinierter
Schaltzeiten durchführen
zu können.
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Zudem
sind Hochschaltungen hinsichtlich ihrer Schaltzeiten in verbessertem
Umfang reproduzierbar, da über
die Bremse Schwankungen des betriebszustandsabhängig maximal zur Verfügung stellbaren
Drehmomentes der elektrischen Maschine, welches u. a. vom Ladezustand
einer zugeordneten elektrischen Speichereinrichtung und einer Betriebstemperatur
der elektrischen Maschine abhängig
ist, ausgleichbar ist.
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Generell
erfolgt die Dimensionierung der elektrischen Maschine und der Getriebebremse
bei aus der Praxis bekannten Fahrzeugantriebssträngen jeweils in Abhängigkeit
der während
einer durch eine Hochschaltanforderung durchzuführenden Synchronisierung der
automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung maximal abzustützenden
Last, welche jedoch nur in besonders ungünstigen Betriebszuständen eines
Fahrzeugantriebsstranges abzustützen
ist, weshalb die elektrische Maschine oder die Getriebebremse jeweils
für unerwünscht hohe
Leistungen ausgelegt wird und daher unnötig hohe Herstellkosten sowie
ein großer
Bauraumbedarf verursacht werden.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Getriebevorrichtung nach der Erfindung weist eine Kupplungseinrichtung
auf, in deren Bereich eine Verbindung zwischen einer Antriebsmaschine
eines Fahrzeugantriebsstranges und der elektrischen Maschine sowie
der Schaltgetriebeeinrichtung trennbar ist. Damit ist die Getriebevorrichtung
unabhängig vom
Einfluss der Antriebsmaschine über
die elektrische Maschine und/oder die Getriebebremse synchronisierbar.
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Eine
durch einen konstruktiv einfachen Aufbau gekennzeichnete und kostengünstige Ausführungsform
der Getriebevorrichtung ist im Bereich der automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung
mit als Klauenkupplungen ausgeführten
formschlüssigen Schaltelementen
ausgebildet.
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Die
Synchronisierung des zur Darstellung der durch die Hochschaltung
angeforderten Ziel-Übersetzung
zu schließenden
Schaltelementes ist im Bereich der Schaltelemente bei einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform
der Getriebevorrichtung nach der Erfindung zusätzlich unterstützbar, da die
Schaltelemente der automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung als
Synchronisierungen ausgeführt sind.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betreiben einer Getriebevorrichtung nach der Erfindung wird
das zur Darstellung der angeforderten Ziel-Übersetzung
zu schließende
Schaltelement der automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung durch
Einleiten eines von der elektrischen Maschine und/oder der Bremse
erzeugten Drehmomentes in den Kraftfluss der Getriebevorrichtung
wenigstens teilweise synchronisiert, um vordefinierte Hochschaltzeiten
der Getriebevorrichtung selbst bei eingeschränkter Funktionalität der elektrischen
Maschine einhalten und im Bereich der Bremse erzeugte Verlustleistungen
betriebszustandsabhängig
auf ein Minimum reduzieren zu können.
Letztgenannter Vorteil wird dadurch erzielt, dass die zum Synchronisieren
aufzubringende Bremsenergie im verschleißfreien und generatorischen
Betrieb der elektrischen Maschine zur Verfügung stellbar ist und die aufzubringende
Bremsenergie zur Erzeugung elektrischer Energie nutzbar und in einen
Energiespeicher einspeisbar ist.
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Zusätzlich sind
vordefinierte Schaltzeiten bei parallelem Betrieb der elektrischen
Maschine und der Bremse betriebszustandsabhängig verkürzbar, wenn im Bereich der
elektrischen Maschine das maximal mögliche Drehmoment in den Kraftfluss
der Getriebevorrichtung eingeleitet wird und zusätzlich im Bereich der Bremse
Drehmoment erzeugt und ebenfalls in den Kraftfluss eingeleitet wird.
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Darüber hinaus
besteht mittels der erfindungsgemäßen Vorgehensweise auch die
Möglichkeit,
die Getriebevorrichtung im Bereich der automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung
bei einem kompletten Ausfall der Funktionalität der elektrischen Maschine über die
Bremse alleine zu synchronisieren, womit angeforderte Hochschaltungen
trotz eines Ausfalls der elektrischen Maschine mit akzeptablen Schaltzeiten
durchführbar
sind.
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Die
Kupplungseinrichtung wird bei einer Variante des Verfahrens nach
der Erfindung bei Vorliegen einer Hochschaltanforderung geöffnet, um
die Synchronisierung des Schaltelementes der automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung
ohne antriebsmaschinenseitigen Einfluss durchführen zu können.
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Das
zu schließende
formschlüssige
Schaltelement wird bei einer weiteren vorteilhaften Variante des
Verfahrens nach der Erfindung vorrangig durch die elektrische Maschine
synchronisiert, um die abzubremsende Rotationsenergie im generatorischen Betrieb
der elektrischen Maschine verschleißfrei in elektrische Energie
umzuwandeln und in einen der elektrischen Maschine zugeordneten
elektrischen Energiespeicher einzuspeisen.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Patentansprüchen
und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispiel.
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt eine stark schematisierte Darstellung
eines mit einer erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung
ausgebildeten Fahrzeugantriebsstranges.
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In
der Figur ist ein Fahrzeugantriebsstrang 1 dargestellt,
der eine als Verbrennungsmotor ausgeführte Antriebsmaschine 2 und
eine Getriebevorrichtung 3 umfasst. Die Getriebevorrichtung 3 ist
vorliegend mit einer automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung 4,
einer elektrischen Maschine 5, einem als Bremse ausgebildeten
reibschlüssigen
Schaltelement 6 und einer Kupplungseinrichtung 7 ausgebildet.
Die automatisierte Schaltgetriebeeinrichtung 4 ist zur
Darstellung verschiedener Übersetzungsstufen
mit über
formschlüssige
Schaltelemente in den Kraftfluss des Fahrzeugantriebsstranges 1 zuschaltbaren
und aus diesem abschaltbaren Zahnradpaarungen ausgebildet und in
Vorgelegebauweise ausgeführt.
Mittels der elektrischen Maschine 5 ist bei Vorliegen einer
Anforderung für
eine Hochschaltung ein Drehmoment in den Kraftfluss des Fahrzeugantriebsstranges 1 einleitbar,
um Drehzahldifferenzen im Bereich wenigstens eines zur Darstellung
der durch die Hochschaltung angeforderten Ziel-Übersetzung zu schließenden formschlüssigen Schaltelementes
zumindest teilweise ausgleichen zu können.
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Die
Bremse 6 ist der elektrischen Maschine 5 zugeordnet,
um zur Synchronisierung der durch eine Hochschaltanforderung einzulegenden
Ziel-Übersetzung
ebenfalls ein Drehmoment in den Kraftfluss des Fahrzeugantriebsstranges 1 einleiten
zu können,
wobei das über
die elektrische Maschine 5 und das über die Bremse 6 in
den Kraftfluss eingeleitete Drehmoment im Bereich einer die elektrische
Maschine 5 und die Bremse 6 betätigenden
Steuer- und Regeleinrichtung 8 vorgebbar ist.
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Im
Bereich der Kupplungseinrichtung 7 ist eine Verbindung
zwischen der Antriebsmaschine 2 des Fahrzeugantriebsstranges 1 und
der direkt auf einer Getriebeeingangswelle 9 angeordneten
elektrischen Maschine 5 sowie der Schaltgetriebeeinrichtung 4 trennbar,
um die Synchronisierung des Schaltelementes der Schaltgetriebeeinrichtung 4 unabhängig vom
Betriebszustand der Antriebsmaschine 2 über die elektrische Maschine 5 und/oder
die Bremse 6 durchführen
zu können.
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Der
ein sogenanntes integriertes Starter-Generator-System mit einer
Kupplungseinrichtung aufweisende Fahrzeugantriebsstrang 1 ist
bei Vorliegen einer Hochschaltanforderung vor dem Einlegen der angeforderten
Ziel- Übersetzung
im Bereich der Getriebeeingangswelle 9 bzw. im Bereich
der automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung 4 der Getriebevorrichtung 3 über die
elektrische Maschine 5 und/oder die Bremse 6 aktiv
zu synchronisieren, wobei die Synchronisierung der Schaltgetriebeeinrichtung 4 bzw.
der Getriebeeingangswelle 9 vorrangig über die elektrische Maschine 5 erfolgt,
da die Getriebeeingangswelle 9 während des Synchronisierungsvorganges
im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 5 durch
Aufprägen
eines Bremsmomentes verschleißfrei
abbremsbar ist und die im Bereich der elektrischen Maschine 5 erzeugte
elektrische Energie in eine der elektrischen Maschine 5 zugeordnete elektrische
Speichereinrichtung 10 und/oder in ein Bordnetz einspeisbar
ist.
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Im
Bereich der Steuer- und Regeleinrichtung 8 wird im Betrieb
des Fahrzeugantriebsstranges 1 unter anderem ein aktueller
Betriebszustand der elektrischen Maschine 5, beispielsweise
eine Betriebstemperatur der elektrischen Maschine 5, und ein
Ladezustand des der elektrischen Maschine 5 zugeordneten
elektrischen Speichereinrichtung 10 überwacht.
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Wird
bei Vorliegen einer Hochschaltanforderung eine Betriebstemperatur
der elektrischen Maschine 5 ermittelt, welche oberhalb
einer vordefinierten Temperaturschwelle liegt, ab der über die
elektrische Maschine 5 nicht das maximale Bremsmoment darstellbar
ist, wird die Synchronisierung des zu schließenden Schaltelementes der
automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung 4 durch die Bremse 6 unterstützt, um
eine vordefinierte Schaltzeit gewährleisten zu können oder
eine Hochschaltung in der Getriebevorrichtung 1 mit einer
zumindest akzeptablen Schaltzeit zu ermöglichen.
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Wird
bei Vorliegen einer Hochschaltanforderung ein Ladezustand der der
elektrischen Maschine 5 zugeordneten elektrischen Speichereinrichtung 10 ermittelt,
zu dem die von der elektrischen Maschine 5 während des
Synchronisierungsvorganges des Schaltelementes der Schaltgetriebeeinrichtung 4 er zeugte
elektrische Energie nicht vollständig
an die Speichereinrichtung 10 abgegeben werden kann, ist das
für die
Synchronisierung der Schaltgetriebeeinrichtung 4 erforderliche
Drehmoment im Bereich der elektrischen Maschine 5 nicht
erzeugbar. Dann wird die Synchronisierung des zu schließenden Schaltelementes
der Schaltgetriebeeinrichtung 4 durch entsprechende steuer-
und regeleinrichtungsseitige Betätigung
der Bremse 6 unterstützt.
Darüber
hinaus wird die Synchronisierung des zu schließenden Schaltelementes der
Schaltgetriebeeinrichtung 4 auch bei einem vollständigen Ausfall
der Funktionalität
der elektrischen Maschine 5 durch die Bremse 6 unterstützt.
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Somit
besteht mittels der Getriebevorrichtung 1 die Möglichkeit,
die Schaltgetriebeeinrichtung 4 bzw. die Getriebeeingangswelle 9 bei
Vorliegen einer Anforderung für
eine Hochschaltung auch während
Betriebszuständen
des Fahrzeugantriebsstranges 1 zu synchronisieren, zu dem
die Funktionalität der
elektrischen Maschine 5 beispielsweise aufgrund eines Defektes,
einer zu hohen Betriebstemperatur eines die elektrische Maschine 5 und
die Speichereinrichtung 10 umfassenden elektrischen Systems oder
einer Begrenzung des durch die elektrischen Maschine 5 zur
Verfügung
stellbaren Bremsmomentes aufgrund eines zu hohen Ladezustandes der elektrischen
Speichereinrichtung 10 zumindest eingeschränkt ist.
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Darüber hinaus
besteht mit der vorbeschriebenen Getriebevorrichtung 3 in
bestimmten Betriebszuständen
des Fahrzeugantriebsstranges 1 auf einfache Art und Weise
auch die Möglichkeit,
eine Synchronisationszeit der Getriebeeingangswelle 9 bzw. des
zur Darstellung der angeforderten Ziel-Übersetzung zu schließenden formschlüssigen Schaltelementes
der automatisierten Schaltgetriebeeinrichtung 4 im Vergleich
zu einer alleinigen elektromaschinenseitigen Synchronisierung zu
verkürzen,
indem das von der elektrischen Maschine 5 maximal erzeugbare
Drehmoment in den Kraftfluss des Fahrzeugantriebsstranges 1 eingeleitet
und die Getriebeeingangswelle 9 zusätzlich durch ein im Be reich
der Bremse 6 erzeugtes Bremsmoment abgebremst und synchronisiert
wird.
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- 1
- Fahrzeugantriebsstrang
- 2
- Antriebsmaschine
- 3
- Getriebevorrichtung
- 4
- Schaltgetriebeeinrichtung
- 5
- elektrische
Maschine
- 6
- reibschlüssiges Schaltelement
- 7
- Kupplungseinrichtung
- 8
- Steuer-
und Regeleinrichtung
- 9
- Getriebeeingangswelle
- 10
- Speichereinrichtung