DE102010000142B4

DE102010000142B4 - Lastschaltgetriebe

Info

Publication number: DE102010000142B4
Application number: DE102010000142.2A
Authority: DE
Inventors: Donald Edward Hoffman
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: CN101818796A; US8257217B2; DE102010000142A1; US20100197448A1

Abstract

Lastschaltgetriebe, mit: einer Eingangswelle (10); einer Vorlegewelle (14); einer Ausgangswelle (12); einem Variator zur Übertragung von Antriebsenergie von der Eingangswelle (10) auf die Vorlegewelle (14); einem ersten Außenzahnrad (42), welches fest an die Vorlegewelle (14) gekoppelt ist; einem ersten Innenzahnrad (44), welches sich in kontinuierlichem direktem Eingriff mit dem ersten Außenzahnrad (42) befindet; und einer ersten Kupplung (58), welche das erste Innenzahnrad (44) an die Ausgangswelle (12) lösbar koppelt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet automatischer Getriebe für Kraftfahrzeuge. Insbesondere betrifft die Erfindung Getriebe, welche einen kontinuierlichen Bereich von Übersetzungsverhältnissen einschließlich Null zwischen der Ausgangsdrehzahl und der Eingangsdrehzahl bereitstellen.
Aus der DE 693 03 171 T2 ist ein Lastschaltgetriebe mit einer Eingangswelle, einer Vorlegewelle und einer Ausgangswelle bekannt, bei dem die Übertragung von Antriebsenergie von der Eingangswelle auf die Vorlegewelle mittels eines Variators erfolgt. Ferner sind bei dem bekannten Lastschaltgetriebe ein Außenzahnrad, ein Innenzahnrad und eine Kupplung vorgesehen, wobei die Kupplung das Außenzahnrad selektiv mit der Vorlegewelle kuppelt, wobei das Außenzahnrad nicht fest mit der Vorlegewelle gekoppelt ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Effizienz der Antriebsenergieübertragung des Lastschaltgetriebes insbesondere im Einrückzustand einer sog. ”High Mode”-Kupplung zu verbessern.
Durch die Erfindung wird ein Lastschaltgetriebe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 bereitgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Lastschaltgetriebe mit einer Eingangswelle, welche auf einer ersten Achse angeordnet ist, einer Vorlegewelle, welche auf einer zweiten Achse angeordnet ist, die im Wesentlichen parallel zur ersten Achse ist, einem Variator, welcher Antriebsenergie von der Eingangswelle auf die Vorlegewelle überträgt, und einer Ausgangswelle, welche auf einer dritten Achse angeordnet ist, wobei die dritte Achse parallel zur ersten Achse angeordnet ist und wobei der Abstand zwischen der ersten Achse und der dritten Achse kleiner ist als der Abstand zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen der ersten Achse und der dritten Achse weniger als 50% des Abstandes zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Variator auf: eine erste Variator-Eingangsscheibe und eine zweite Variator-Eingangsscheibe, welche an die Eingangswelle gekoppelt sind, eine Variator-Ausgangsscheibe, welche um die Eingangswelle drehbar gelagert ist, einen ersten Satz Antriebsscheiben, welche in kraftschlüssiger Verbindung mit der ersten Variator-Eingangsscheibe und der Variator-Ausgangsscheibe stehen, und einen zweiten Satz Antriebsscheiben, welche in kraftschlüssiger Verbindung mit der zweiten Variator-Eingangsscheibe und der Variator-Ausgangsscheibe stehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lastschaltgetriebe ferner auf: ein erstes Außenzahnrad, welches an die Variator-Ausgangsscheibe gekoppelt ist, ein zweites Außenzahnrad, welches an die Vorlegewelle gekoppelt ist und in kontinuierlichem Eingriff mit dem ersten Außenzahnrad steht, ein drittes Außenzahnrad, welches an die Vorlegewelle gekoppelt ist, ein erstes Innenzahnrad, welches um die dritte Achse drehbar gelagert ist und in kontinuierlichem Eingriff mit dem dritten Außenzahnrad steht, und eine erste Kupplung, welche das erste Innenzahnrad an die Ausgangswelle lösbar koppelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lastschaltgetriebe ferner eine zweite Kupplung auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lastschaltgetriebe ferner eine epizyklische Zahnradanordnung mit einem ersten Element, einem zweiten Element und einem dritten Element auf, wobei die Drehzahl des zweiten Elements so eingeschränkt ist, dass sie einem gewichteten Mittelwert der Drehzahlen des ersten Elements und des dritten Elements entspricht, die Drehzahl des ersten Elements proportional zur Drehzahl der Vorlegewelle ist, wann immer die zweite Kupplung eingerückt ist, die Drehzahl des zweiten Elements gleich der Drehzahl der Ausgangswelle ist, wann immer die zweite Kupplung eingerückt ist, und die Drehzahl des dritten Elements proportional zur Drehzahl der Eingangswelle ist, wann immer die zweite Kupplung eingerückt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lastschaltgetriebe ferner auf: eine erste Zwischenwelle, welche an das dritte Element der epizyklischen Zahnradanordnung gekoppelt ist, ein zweites Innenzahnrad, welches an die erste Zwischenwelle gekoppelt ist, ein viertes Außenzahnrad, welches an die Eingangswelle gekoppelt ist und in kontinuierlichem Eingriff mit dem zweiten Innenzahnrad steht, eine zweite Zwischenwelle, welche an das erste Element der epizyklischen Zahnradanordnung gekoppelt ist, und ein fünftes Außenzahnrad, welches an die zweite Zwischenwelle gekoppelt ist und in kontinuierlichem Eingriff mit dem dritten Außenzahnrad steht.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Lastschaltgetriebe mit einer Eingangswelle, welche auf einer ersten Achse angeordnet ist, einem Toroid-Variator und einer Ausgangswelle, welche auf einer zweiten Achse angeordnet ist, wobei die zweite Achse im Wesentlichen parallel zur ersten Achse ist und relativ zu der ersten Achse um einen Abstand versetzt ist, welcher kleiner als der Außenradius der Eingangsscheiben des Toroid-Variators ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lastschaltgetriebe ferner eine Vorlegewelle mit einer Drehzahl, welche proportional zur Ausgangsdrehzahl des Toroid-Variators ist, eine erste Kupplung und eine Verzahnung auf, welche die Vorlegewelle, die erste Kupplung und die Ausgangswelle so miteinander koppelt, dass die Drehzahl der Ausgangswelle proportional zur Drehzahl der Vorlegewelle ist, wann immer die erste Kupplung eingerückt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lastschaltgetriebe ferner eine zweite Kupplung und eine Verzahnung auf, welche die Eingangswelle, die Vorlegewelle, die zweite Kupplung und die Ausgangswelle so miteinander koppelt, dass die Drehzahl der Ausgangswelle eine Linearkombination der Drehzahl der Eingangswelle und der Drehzahl der Vorlegewelle ist, wann immer die zweite Kupplung eingerückt ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines Getriebes gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Tabelle, welche vorgeschlagene Zahnzahlen für die Zahnräder des in 1 dargestellten Getriebes angibt;
3 eine Tabelle, welche die Drehzahlen diverser Elemente in diversen Betriebszuständen für den Fall angibt, dass die Zahnräder die in 2 angegebenen Zahnzahlen besitzen; und
4 eine Tabelle, welche den Zustand der Kupplungen für jeden Betriebsmodus angibt.
Ein Getriebe gemäß der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 1 dargestellt. Eine Eingangswelle 10 wird über den Fahrzeugmotor angetrieben, was vorzugsweise über einen Torsionsisolator erfolgt, welcher Drehmomentfluktuationen infolge unterschiedlicher bzw. separater Zylinderzündungen glättet. Eine Ausgangswelle 12 reibt die Fahrzeugräder an, was vorzugsweise über ein Differential erfolgt.
Ein zweizügiger bzw. zwei Hohlräume aufweisender Toroid-Variator überträgt Antriebsenergie von der Eingangswelle 10 auf eine Vorlegewelle 14. Der Variator ist dazu in der Lage, Antriebsenergie mit einem beliebigen Übersetzungsverhältnis innerhalb seines Verhältnisbereichs zu übertragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Verhältnisbereich des Variators 2.211:1 Übersetzung und 0.463:1 Untersetzung. Zwei Variator-Eingangsscheiben 26 und 28 werden von der Eingangswelle 10 angetrieben. Eine Variator-Ausgangsscheibe 30 ist zwischen den Variator-Eingangsscheiben 26, 28 angeordnet und treibt die Vorlegewelle 14 über ein externes Zahnrad an. Zwei Sätze von Antriebsscheiben 32 und 34 übertragen Antriebsenergie zwischen den Variator-Eingangsscheiben 26, 28 und der Variator-Ausgangsscheibe 30. Die Variator-Ausgangsscheibe 30 rotiert immer in entgegengesetzter Richtung zu den Variator-Eingangsscheiben 26 und 28. Die Achsen, um welche die Antriebsscheiben 32, 34 rotieren, sind zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses des Variators gekippt bzw. geneigt. In dem in 1 gezeigten Zustand ist der Radius der Grenzfläche zwischen den Antriebsscheiben 32, 34 und den Variator-Eingangsscheiben 26, 28 kleiner als der Radius der Grenzfläche zwischen den Antriebsscheiben 32, 34 und der Variator-Ausgangsscheibe 30, was dazu führt, dass die Variator-Ausgangsscheibe 30 mit einer geringeren Drehzahl als die Variator-Eingangsscheiben 26, 28 rotiert. Wenn die Antriebsscheiben in der entgegengesetzten Richtung gekippt sind, rotiert die Variator-Ausgangsscheibe 30 schneller als die Variator-Eingangsscheiben 26, 28.
Zwei Varianten des Toroid-Variators sind allgemein bekannt: Ein Voll-Toroid-Variator und ein Halb-Toroid-Variator. In einem Voll-Toroid-Variator weist der Hohlraum zwischen einer Eingangsscheibe und einer Ausgangsscheibe die Form eines Torus auf. In einem Halb-Toroid-Variator, wie er in 1 dargestellt ist, wird nur der innere Abschnitt des Torus genutzt. Die vorliegende Erfindung ist auf jede der Varianten eines Toroid-Variators anwendbar.
Ein Paar aus einem Innenzahnrad 44 und einem Außenzahnrad 42 überträgt Antriebsenergie von der Vorlegewelle 14 auf die auf einer Ausgangsachse 22 befindliche Ausgangswelle 12. Das Innenzahnrad 44 treibt die Ausgangswelle 12 über eine Hülse 56 an, wann immer eine sog. ”High Mode”-Kupplung 58 eingerückt ist. Das Ineinandergreifen eines Innenzahnrades mit einem Außenzahnrad ist effektiver als das Ineinandergreifen eines Außenzahnrades mit einem Außenzahnrad. Autobahnfahrten sowie ein hoher Prozentsatz innerstädtischer Fahrten erfolgen in einem sog. ”High Mode”, so dass eine effiziente Übertragung der Antriebsenergie besonders wichtig ist.
Wenn die Ausgangswelle 12 koaxial zu der Eingangswelle 10 angeordnet ist, weist das Innenzahnrad 44 einen Radius auf, welcher größer als derjenige des Variators ist. Wenn eine gegenseitige Störung mit anderen Fahrzeugkomponenten problematisch ist, kann ein kleineres Innenzahnrad realisiert werden, indem die Ausgangsachse 22 relativ zu der Eingangsachse 20 versetzt angeordnet ist.
Ein Paar aus einem Innenzahnrad 40 und einem Außenzahnrad 38 überträgt Antriebsenergie von der Eingangswelle 10 an eine Zwischenwelle 16, welche um die Ausgangsachse 22 rotiert. Ein Paar aus einem Außenzahnrad 42 und einem Außenzahnrad 46 überträgt Antriebsenergie von der Vorlegewelle 14 auf eine hohle Zwischenwelle 18, welche koaxial zu der Zwischenwelle 16 angeordnet ist. Die Zwischenwelle 16 dreht sich in der gleichen Richtung wie die Eingangswelle 10, während sich die Zwischenwelle 18 in der entgegengesetzten Richtung dreht. Die Drehzahl der Zwischenwelle 16 steht in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Eingangswelle 10, während die Drehzahl der Zwischenwelle 18 auch variiert, basierend auf dem Übersetzungsverhältnis des Variators. Ein Sonnenrad 48 ist an die hohle Zwischenwelle 18 gekoppelt. Ein Hohlrad 50 ist an die massive Zwischenwelle 16 gekoppelt. Ein Träger 54 trägt eine Gruppe von Planetenrädern 52, welche sowohl mit dem Sonnenrad 48 als auch mit dem Hohlrad 50 in Eingriff stehen. Der Träger 54 rotiert um die Ausgangsachse 22 mit einer Drehzahl, die einem gewichteten Mittelwert der Drehzahlen der beiden Zwischenwellen 16 und 18 entspricht. Der Träger 54 treibt die Ausgangswelle 12 über die Hülse 56 an, wann immer eine sog. ”Low Mode”-Kupplung 60 eingerückt ist.
Alternativ kann der Träger 54 auch starr mit der Ausgangswelle 12 und der ”Low Mode”-Kupplung verbunden sein, welche zum Entkuppeln einer der anderen Verbindungen zum Planetengetriebesatz eingesetzt wird. Insbesondere kann eine Kupplung, welche das Sonnenrad 48 an das Außenzahnrad 46 lösbar ankuppelt, oder eine Kupplung, welche das Hohlrad 50 an das Innenzahnrad 40 lösbar ankuppelt, die gleiche Funktion wie die Kupplung 60 erfüllen.
Durch eine Anzahl epizyklischer Zahnradanordnungen werden drei Elemente bereit gestellt, welche um eine gemeinsame Achse rotieren, wobei die Drehzahl eines der Elemente einem gewichteten Mittelwert der Drehzahlen der verbleibenden zwei Elemente entspricht. Zu diesen gehören Planetengetriebesätze in Doppelritzelbauart (”double pinion”), Planetengetriebesätze mit Stufenritzel (”Stepped Pinion”) und koplanare Getriebeschleifen (”Gear-Loops”), wie sie in US 50 30 184 und US 61 26 566 beschrieben sind. Jede dieser epizyklischen Zahnradanordnungen ist als Äquivalent zu dem einfachen Planetengetriebesatz der beschriebenen Ausführungsform anzusehen.
Die Zahnzahlen an den diversen Zahnrädern sind so gewählt, dass sich der Träger 54 für ein Drehzahlverhältnis innerhalb des verfügbaren Verhältnisbereichs des Variators stationär verhält. Dieses Variatordrehzahlverhältnis wird als Leerlaufverhältnis bezeichnet. Für die in 2 gezeigten Zahnzahlen beträgt das Leerlaufverhältnis ungefähr 1:642:1. Im Ergebnis führen in einem ”Low Mode” Variatorverhältnisse in Richtung ”Übersetzung”, bezogen auf das Leerlaufverhältnis zu einer Rückwärtsfahrt, und Variatorverhältnisse in Richtung ”Untersetzung” führen zu einer Vorwärtsfahrt. Des Weiteren sind bei einem Variatorverhältnis in der Nahe der Untersetzungsgrenze des Variators die Drehzahlen des Trägers 54 und des Innenzahnrades 44 identisch. Dies erleichtert den Übergang von einem ”Low Mode”-Betrieb zu einem ”High Mode”-Betrieb. Ein Beispiel für Zahnzahlen, welche diese Eigenschaften liefern, ist in 2 angegeben.
Das Fahrzeug wird für einen Start in Rückwärtsrichtung vorbereitet, indem beide Kupplungen ausgerückt werden und das Variatorverhältnis leicht in Richtung ”Übersetzung” bezogen auf das Leerlaufverhältnis eingestellt wird, so dass der Träger 54 langsam rückwärts rotiert. In Reaktion auf eine Fahreranforderung wird die Kupplung 60 schrittweise eingerückt, wobei das Fahrzeug in Rückwärtsrichtung beschleunigt wird. Der Startvorgang ist beendet, wenn die Drehzahl der Ausgangswelle 12 mit der Drehzahl des Trägers 54 übereinstimmt und die Kupplung 60 vollständig eingerückt ist. Wenn das Fahrzeug weiter beschleunigt wird, wird das Variatorverhältnis so eingestellt, dass eine gewünschte Motordrehzahl basierend auf den Fahrtbedingungen eingestellt wird.
In ähnlicher Weise wird das Fahrzeug für einen Start in Vorwärtsrichtung vorbereitet, indem beide Kupplungen ausgerückt werden und das Variatorverhältnis leicht in Richtung ”Untersetzung” bezogen auf das Leerlaufverhältnis eingestellt wird, so dass der Träger 54 langsam vorwärts rotiert. In Reaktion auf einen Fahrerbefehl wird die Kupplung 60 schrittweise eingerückt. Der Startvorgang ist beendet, wenn die Kupplung 60 vollständig eingerückt ist. Wenn das Fahrzeug weiter beschleunigt wird, wird das Variatorverhältnis so eingestellt, dass eine gewünschte Motordrehzahl erhalten wird.
Wenn das Fahrzeug weiter beschleunigt wird, wird ein Punkt erreicht, an dem sich das Variatorverhältnis an seiner Untersetzungsgrenze befindet. An diesem Punkt wird das Getriebe vom ”Low Mode” zum ”High Mode” überführt, indem die Kupplung 60 ausgerückt wird, während die Kupplung 58 eingerückt wird. Anders als bei einem Gangwechsel in einem herkömmlichen Stufengetriebe (”Step Ratio”-Getriebe) beinhaltet dieser Übergang keine Änderung in der Drehzahl zwischen der Ausgangswelle und der Eingangswelle. Sobald der Übergang zum ”High Mode” vollendet ist, nimmt der Controller das Einstellen des Variatorverhältnisses zur Erzielung einer gewünschten Motordrehzahl wieder auf.

Claims

Lastschaltgetriebe, mit: einer Eingangswelle (10); einer Vorlegewelle (14); einer Ausgangswelle (12); einem Variator zur Übertragung von Antriebsenergie von der Eingangswelle (10) auf die Vorlegewelle (14); einem ersten Außenzahnrad (42), welches fest an die Vorlegewelle (14) gekoppelt ist; einem ersten Innenzahnrad (44), welches sich in kontinuierlichem direktem Eingriff mit dem ersten Außenzahnrad (42) befindet; und einer ersten Kupplung (58), welche das erste Innenzahnrad (44) an die Ausgangswelle (12) lösbar koppelt.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator aufweist: eine erste Variator-Eingangsscheibe (26) und eine zweite Variator-Eingangsscheibe (28), welche an die Eingangswelle (10) gekoppelt sind; eine Variator-Ausgangsscheibe (30), welche um die Eingangswelle (10) drehbar gelagert ist; einen ersten Satz (32) von Antriebsscheiben, welche in kraftschlüssiger Verbindung mit der ersten Variator-Eingangsscheibe (26) und der Variator-Ausgangsscheibe (30) stehen; und einen zweiten Satz (34) von Antriebsscheiben, welche in kraftschlüssiger Verbindung mit der zweiten Variator-Eingangsscheibe (28) und der Variator-Ausgangsscheibe (30) stehen.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ferner aufweist: ein zweites Außenzahnrad (31), welches an die Variator-Ausgangsscheibe (30) gekoppelt ist; und ein drittes Außenzahnrad (36), welches an die Vorlegewelle (14) gekoppelt ist und in kontinuierlichem Eingriff mit dem zweiten Außenzahnrad (31) steht.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswellenachse (22) relativ zu der Eingangswellenachse (20) versetzt angeordnet ist.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ferner eine zweite Kupplung (60) aufweist.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ferner eine epizyklische Zahnradanordnung mit einem ersten Element (48), einem zweiten Element (54) und einem dritten Element (50) aufweist, wobei: die Drehzahl des zweiten Elements (54) so eingeschränkt ist, dass sie einem gewichteten Mittelwert der Drehzahlen des ersten Elements (48) und des dritten Elements (50) entspricht; die Drehzahl des ersten Elements (48) proportional zur Drehzahl der Vorlegewelle (14) ist, wann immer die zweite Kupplung (60) eingerückt ist; die Drehzahl des zweiten Elements (54) gleich der Drehzahl der Ausgangswelle (12) ist, wann immer die zweite Kupplung (60) eingerückt ist; und die Drehzahl des dritten Elements (50) proportional zur Drehzahl der Eingangswelle (10) ist, wann immer die zweite Kupplung (60) eingerückt ist.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die epizyklische Zahnradanordnung ein einfacher Planetengetriebesatz ist, welcher aufweist: ein viertes Außenzahnrad als erstes Element (48); ein zweites Innenzahnrad als drittes Element (50); einen Planetenträger als zweites Element (54); und einen Satz Planetenräder (52), welche durch den Planetenträger abgestützt werden und in kontinuierlichem Eingriff sowohl mit dem vierten Außenzahnrad als auch mit dem zweiten Innenzahnrad stehen.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ferner aufweist: eine erste Zwischenwelle (16), welche an das dritte Element (50) der epizyklischen Zahnradanordnung gekoppelt ist; ein drittes Innenzahnrad (40), welches an die erste Zwischenwelle (16) gekoppelt ist; und ein fünftes Außenzahnrad (38), welches an die Eingangswelle (10) gekoppelt ist und in kontinuierlichem Eingriff mit dem dritten Innenzahnrad (40) steht.
Lastschaltgetriebe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ferner aufweist: eine zweite Zwischenwelle (18), welche an das erste Element (48) der epizyklischen Zahnradanordnung gekoppelt ist; und ein sechstes Außenzahnrad (46), welches an die zweite Zwischenwelle (18) gekoppelt ist und in kontinuierlichem Eingriff mit dem ersten Außenzahnrad (42) steht.