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Die Erfindung betrifft ein Mehrstufengetriebe für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
US 6,551,208 ist bereits ein Mehrstufengetriebe für ein Kraftfahrzeug mit drei entlang einer Hauptrotationsachse hintereinander angeordneten Planetenradstufen, mit einer Getriebeeingangswelle zur Anbindung eines Verbrennungsmotors, mit einer Getriebeausgangswelle zur Anbindung eines Achsantriebs, mit einer ersten Zwischenwelle zur Anbindung eines ersten Elektromotors, mit einer zweiten Zwischenwelle zur Anbindung eines zweiten Elektromotors und mit zumindest vier Schalteinheiten bekannt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Mehrstufengetriebe zur Ausbildung eines Hybridantriebsmoduls mit hoher Flexibilität und hohem Wirkungsgrad bereitzustellen. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein Mehrstufengetriebe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten Planetenradstufe, einer zweiten Planetenradstufe und einer dritten Planetenradstufe, die wirkungsmäßig miteinander verbunden sind und die zumindest konstruktiv zur Schaltung von zumindest fünf verbrennungsmotorischen Vorwärtsgetriebegängen, zumindest drei elektromotorischen Vorwärtsgetriebegängen und zumindest vier EVT-Fahrbereichen vorgesehen sind, mit einer Getriebeeingangswelle zur drehfesten Anbindung eines Verbrennungsmotors, mit einer Getriebeausgangswelle zur drehfesten Anbindung eines Achsantriebs, mit einer ersten Zwischenwelle zur Anbindung eines ersten Elektromotors, mit einer zweiten Zwischenwelle zur Anbindung eines zweiten Elektromotors und mit fünf Schalteinheiten, die jeweils zwei wirkungsmäßig zwischen den Planetenradstufen angeordnete Kopplungselemente aufweisen, wobei die Getriebeausgangswelle permanent drehfest mit zumindest einem der Kopplungselemente verbunden ist und eine der Schalteinheiten dazu vorgesehen ist, die dritte Planetenradstufe zu verblocken, vorgeschlagen.
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Dadurch kann ein Mehrstufengetriebe mit einer sehr hohen Flexibilität bereitgestellt werden, da zum einen eine hohe Lastschaltbarkeit und zum anderen ein hoher Wirkungsgrad, insbesondere auch in Verbindung mit den Elektromotoren, erreicht werden kann. Zudem können durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung Übersetzungsverhältnisse insbesondere in den EVT-Fahrbereichen und den elektromotorischen Vorwärtsgetriebegängen besser dargestellt werden. Bauteilbelastungen in dem Mehrstufengetriebe können durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung zumindest teilweise gesenkt werden, wodurch insbesondere ein Leichtbau vereinfacht werden kann. Zudem können Belastungen für die Elektromotoren durch die verbesserten Übersetzungsverhältnisse reduziert werden, wodurch kleinere Elektromotoren verwendet werden können. Dadurch können insbesondere Kosten reduziert werden. Weiter kann durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung insbesondere bei einer leistungsneutralen Fahrt ein geringer Leistungsfluss zwischen den beiden Elektromotoren erreicht werden, wodurch elektrische Übertragungsverluste gesenkt und somit der Wirkungsgrad weiter verbessert werden können.
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Unter einer „Schalteinheit” soll dabei im Folgenden insbesondere sowohl eine Kupplungseinheit als auch eine Bremseinheit verstanden werden. Unter einer „Kupplungseinheit” soll insbesondere eine Schalteinheit verstanden werden, die in einem Leistungsfluss zwischen zwei der Planetenradstufen angeordnet ist und die dazu vorgesehen ist, ihre zwei drehbar angeordneten Kopplungselemente, die in einem geöffneten Zustand unabhängig voneinander verdrehbar sind, in einem geschlossenen Zustand drehfest miteinander zu verbinden. Unter einer „Bremseinheit” soll insbesondere eine Schalteinheit verstanden werden, die wirkungsmäßig zwischen einer der Planetenradstufen und einem Gehäuse angeordnet ist und die dazu vorgesehen ist, ihr drehbares Kopplungselement in einem geschlossenen Zustand mit ihrem feststehenden Kopplungselement zu verbinden, wobei das feststehende Kopplungselement drehfest mit dem Getriebegehäuse verbunden und/oder einstückig mit dem Getriebegehäuse ausgeführt sein kann. Unter „drehfest verbunden” soll insbesondere eine Verbindung verstanden werden, bei der ein Leistungsfluss über eine vollständige Umdrehung gemittelt mit einem unveränderten Drehmoment, einer unveränderten Drehrichtung und/oder einer unveränderten Drehzahl übertragen wird.
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Unter einer Schalteinheit, die zwei „wirkungsmäßig zwischen den Planetenradstufen angeordnete Kopplungselemente” aufweist, soll insbesondere eine Schalteinheit verstanden werden, durch deren Schließen zumindest zwei Getriebeelemente der Planetenradstufen miteinander oder zumindest ein Getriebeelement der Planetenradstufen mit einem Getriebegehäuse verbunden wird. Unter einer solchen Schalteinheit soll insbesondere keine Schalteinheit verstanden werden, die der ersten Planetenradstufe vorgeschaltet oder der dritten Planetenradstufe nachgeschaltet ist. Unter einer „der ersten Planetenradstufe vorgeschaltete Schalteinheit” soll insbesondere eine Schalteinheit verstanden werden, die in zumindest einem Getriebegang in einem Leistungsfluss zwischen der Getriebeeingangswelle und der ersten Planetenradstufe oder dem Verbrennungsmotor und der Getriebeeingangswelle angeordnet ist. Unter einer „der dritten Planetenradstufe nachgeschaltete Schalteinheit” soll insbesondere eine Schalteinheit verstanden werden, die in zumindest einem Getriebegang in einem Leistungsfluss zwischen der Getriebeausgangswelle und einem Achsantrieb angeordnet ist, wie beispielsweise eine Allradkupplung.
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Unter „konstruktiv zur Schaltung eines Getriebegangs vorgesehen” soll insbesondere verstanden werden, dass mittels der Schalteinheiten mechanisch ein entsprechender Getriebegang grundsätzlich bildbar ist, unabhängig davon, ob im Rahmen einer Schaltstrategie auf die Schaltung des Getriebegangs verzichtet wird oder nicht. Beispielsweise sind bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Schalteinheiten konstruktiv zur Schaltung von mehr EVT-Fahrbereichen vorgesehen, als es sinnvoll sein kann, sie im Rahmen einer Betriebsstrategie für das Mehrstufengetriebe vorzusehen. Beispielsweise ist es denkbar, in einer Betriebsstrategie lediglich zwei oder sogar nur einen der konstruktiv schaltbaren EVT-Fahrbereiche zu nutzen. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell programmiert, ausgestattet und/oder ausgelegt verstanden werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind dabei zumindest zwei der Schalteinheiten als rein formschlüssig schließende Schalteinheit ausbildbar. Dadurch kann ein Leistungsverlust innerhalb des Mehrstufengetriebes vorteilhaft verringert werden. Unter einer „formschlüssig schließenden Schalteinheit” soll dabei insbesondere eine Schalteinheit verstanden werden, die zur Verbindung ihrer Kopplungselemente bzw. zur Anbindung ihres Kopplungselements eine Verzahnung und/oder Klauen aufweist, die zur Herstellung einer drehfesten Kopplung formschlüssig ineinander greifen, wie insbesondere eine über eine Schiebemuffe schaltbare Klauenschalteinheit. Grundsätzlich ist aber auch eine Ausgestaltung denkbar, in der sämtliche Schalteinheiten als rein formschlüssige Schalteinheiten ausgebildet sind. Die Schalteinheiten können grundsätzlich jeweils als reibschlüssige Schalteinheiten, beispielsweise als Lamellenschalteinheiten, als rein formschlüssige Schalteinheiten, beispielsweise als unsynchronisierte Klauenschalteinheiten, oder reib- und formschlüssige Schalteinheiten, beispielsweise als synchronisierte Klauenschalteinheiten, ausgeführt werden. Vorzugsweise umfasst das Mehrstufengetriebe Aktuatoren zur automatisierten Schaltung der Schalteinheiten. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Schalteinheiten zumindest teilweise als selbstständig schaltende Schalteinheiten, insbesondere als Freiläufe, auszubilden.
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Unter „einer ersten, einer zweiten und einer dritten Planetenradstufe” soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Anordnung von drei Planetenradstufen verstanden werden, die zur Schaltung der Getriebegänge wirkungsmäßig miteinander verbunden sind. Vorzugsweise sind die Planetenradstufen entlang einer Hauptrotationsachse hintereinander angeordnet, wobei vorteilhafterweise die erste Planetenradstufe der Getriebeeingangswelle zugewandt ist. Grundsätzlich ist aber auch eine räumliche Umordnung der Planetenradstufen, beispielsweise in einer gestapelten Anordnung, denkbar. Ebenfalls ist grundsätzlich eine räumliche Umordnung durch eine geänderte Anordnung der Schalteinheiten oder eine geänderte Anordnung der Zwischenwellen zur Anbindung der Elektromotoren denkbar.
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Zur Vereinfachung sollen weiter unter einem „ersten, zweiten oder dritten Planetenradträger” ein der ersten, zweiten oder dritten Planetenradstufe zugeordneter Planetenradträger verstanden werden. Entsprechend soll unter einem „ersten, zweiten oder dritten Sonnenrad” und einem „ersten, zweiten oder dritten Hohlrad” ein der ersten, zweiten oder dritten Planetenradstufe zugeordnetes Sonnenrad oder ein der ersten, zweiten oder dritten Planetenradstufe zugeordnetes Hohlrad verstanden werden. Beispielsweise soll unter dem ersten Planetenradträger ein Planetenradträger der ersten Planetenradstufe verstanden werden.
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Die im Folgenden beschriebene Ausgestaltung eines Mehrstufengetriebes stellt ein spezielles Ausführungsbeispiel dar, zu dem es grundsätzlich noch weitere kinematisch gleichwertige Ausführungsbeispiele gibt. Beispielsweise können die Planetenradstufen durch Einfachplanetenradsätze ausgebildet werden, wie es im Folgenden dargestellt ist. In kinematisch äquivalenter Weise kann die Planetenradstufe aber auch durch einen Doppelplanetenradsatz ausgebildet werden, wodurch für eine gleiche Wirkweise lediglich eine Standübersetzung der Planetenradstufe angepasst werden muss. Zudem kann auch eine Anbindung von einem Sonnenrad und einem Planetenradträger oder von einem Hohlrad und einem Planetenradträger getauscht werden, ohne dass sich eine Kinematik des Mehrstufengetriebes ändert.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 ein Getriebeschema eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes,
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2 ein Schaltschema für das Mehrstufengetriebe und
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3 ein Getriebeschema eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes mit vorgeschalteten Schalteinheiten und einer alternativen Verblockungsvariante.
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Die 1 und 2 zeigen ein Getriebeschema eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes sowie ein Schaltschema für das in 1 gezeigte Getriebeschema. Das Mehrstufengetriebe ist als ein Kraftfahrzeuggetriebe ausgestaltet. Es weist genau drei Planetenradstufen P1a, P2a, P3a auf. Die erste Planetenradstufe P1a, die zweite Planetenradstufe P2a und die dritte Planetenradstufe P3a sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel entlang einer Hauptrotationsachse hintereinander angeordnet. Sämtliche Planetenradstufen P1a, P2a, P3a des Mehrstufengetriebes sind in dieser Ausgestaltung als Einfachplanetenradsätze ausgebildet.
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Das Mehrstufengetriebe ist zur Anbindung von zwei Elektromotoren EM1a, EM2a vorgesehen. In Verbindung mit den zwei Elektromotoren EM1a, EM2a und einem Verbrennungsmotor bildet das Mehrstufengetriebe ein Hybridantriebsmodul aus, das unterschiedliche Fahrmodi aufweist, in denen Leistungsflüsse aus dem Verbrennungsmotor und/oder den Elektromotoren EM1a, EM2a unterschiedlich kombiniert oder geleitet werden. Zur Schaltung der Fahrmodi und zur Schaltung von unterschiedlichen Getriebegängen und Fahrbereichen in den Fahrmodi weist das Mehrstufengetriebe genau fünf Schalteinheiten S1a, S2a, S3a, S4a, S5a auf, die wirkungsmäßig innerhalb eines durch die Planetenradstufe P1a, P2a, P3a ausgebildeten Zahnradsatzes angeordnet sind.
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Das Mehrstufengetriebe ist konstruktiv dazu vorgesehen, fünf verbrennungsmotorische Vorwärtsgetriebegänge V1a–V5a, drei elektromotorische Vorwärtsgetriebegänge E1a–E3a und acht leistungsverzweigte EVT-Fahrbereiche EVT1a–EVT8a zu schalten. Ein Rückwärtsgetriebegang ist insbesondere mittels eines der EVT-Fahrbereiche EVT1a–EVT8a oder mittels eines der elektromotorischen Vorwärtsgetriebegänge E1a–E3a darstellbar. Eine Anzahl der tatsächlich verwendeten verbrennungsmotorischen Vorwärtsgetriebegänge V1a–V5a, der tatsächlich verwendeten elektromotorischen Vorwärtsgetriebegänge E1a–E3a und der tatsächlich verwendeten leistungsverzweigten EVT-Fahrbereiche EVT1a–EVT8a kann dabei in Abhängigkeit von einer Betriebsstrategie eingeschränkt sein, beispielsweise elektronisch durch eine entsprechend programmierte Steuer- und Regeleinheit.
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Die elektromotorischen Vorwärtsgetriebegänge E1a–E3a sind untereinander zumindest sequentiell lastschaltbar. Mögliche weitere Lastschaltungen zwischen den elektromotorischen Vorwärtsgetriebegängen E1a–E3a untereinander oder zwischen den elektromotorischen Vorwärtsgetriebegängen E1a–E3a und den verbrennungsmotorischen Vorwärtsgetriebegängen V1a–V5a ergeben sich unmittelbar aus dem Schaltschema in 2. Eine Lastschaltung ist dabei insbesondere immer dann möglich, wenn ein Leistungsfluss von genau einer an genau eine andere der Schalteinheiten S1a–S5a übergeben wird oder wenn ein Schaltzustand von lediglich einer der Schalteinheiten S1a–S5a verändert wird. Schaltvorgänge, bei denen der Leistungsfluss von einer an eine andere Schalteinheit S1a–S5a übergeben wird, sind dabei insbesondere Schaltvorgänge, in denen eine der Schalteinheiten S1a–S5a geschlossen werden muss, während gleichzeitig eine andere der Schalteinheiten S1a–S5a geöffnet wird.
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Die EVT-Fahrbereiche EVT1a–EVT8a sind lediglich teilweise sequentiell lastschaltbar. Mögliche Fahrbereichspaarungen mit jeweils zwei untereinander lastschaltbaren EVT-Fahrbereichen EVT1a–EVT8a ergeben sich unmittelbar aus dem in 2 dargestellten Schaltschema. Zudem ergeben sich aus dem in 2 dargestellten Schaltschema und/oder dem in 1 dargestellten Getriebeschema noch weitere mögliche Lastschaltungen jeweils zwischen den verbrennungsmotorischen Vorwärtsgetriebegängen V1a–V5a, den elektromotorischen Vorwärtsgetriebegängen E1a–E3a und den EVT-Fahrbereichen EVT1a–EVT8a.
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Das Mehrstufengetriebe ist dazu vorgesehen, den nicht näher dargestellten Verbrennungsmotor und die Elektromotoren EM1a, EM2a mit zumindest einem nicht näher dargestellten Achsantrieb für einen Antrieb von Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs zu verbinden. Mittels des Mehrstufengetriebes kann ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Verbrennungsmotor, den Elektromotoren EM1a, EM2a und dem Achsantrieb eingestellt werden.
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Das Mehrstufengetriebe weist eine Getriebeeingangswelle 10a auf, die dazu vorgesehen ist, ein Antriebsmoment in das Mehrstufengetriebe einzuleiten. Die Getriebeeingangswelle 10a ist dann drehfest mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Grundsätzlich kann der Getriebeeingangswelle 10a ein Schwingungsdämpfer und/oder eine Schalteinheit vorgeschalten sein. Zur Anbindung der Elektromotoren EM1a, EM2a umfasst das Mehrstufengetriebe zwei Rotoranbindungselemente 16a, 17a, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils permanent drehfest mit einem Rotor des entsprechenden Elektromotors EM1a, EM2a verbunden sind oder die zumindest teilweise einstückig mit dem Rotor ausgebildet sind. Die Rotoranbindungselemente 16a, 17a können auch abkoppelbar ausgestaltet sein, beispielsweise durch eine Kupplung oder einen Freilauf. Grundsätzlich ist es weiter denkbar, dass an das Mehrstufengetriebe lediglich ein einzelner Elektromotor angebunden ist, oder dass auf eine Anbindung von Elektromotoren verzichtet wird.
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Weiter weist das Mehrstufengetriebe eine Getriebeausgangswelle 11a auf, die dazu vorgesehen ist, ein Antriebsmoment aus dem Mehrstufengetriebe auszuleiten. Die Getriebeausgangswelle 11a ist permanent drehfest mit dem Achsantrieb des Kraftfahrzeugs verbunden. Der Getriebeausgangswelle 11a können unterschiedliche Module nachgeschaltet werden, mittels deren das aus dem Mehrstufengetriebe ausgeleitete Moment auf die Antriebsräder verteilt werden kann, wie beispielsweise ein Differentialgetriebe, das für einen Drehzahlausgleich zwischen den Antriebsrädern vorgesehen ist, oder ein Allradantriebsmodul, das das Antriebsmoment auf zwei verschiedene Antriebsachsen verteilt. Die Getriebeeingangswelle 10a und die Getriebeausgangswelle 11a können grundsätzlich beliebig zueinander angeordnet sein. Dabei ist insbesondere eine koaxiale Anordnung auf gegenüberliegenden Seiten des Mehrstufengetriebes vorteilhaft. Aber auch eine Anordnung auf der gleichen Seite des Mehrstufengetriebes ist denkbar. Beispielsweise kann durch eine Umordnung der Planetenradstufen P1a, P2a, P3a das Mehrstufengetriebe für einen Front-Quer-Einbau vorgesehen werden, bei dem ein Abtrieb zwischen den einzelnen Planetenradstufen P1a, P2a, P3a liegt.
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Die erste Planetenradstufe P1a ist entlang der Hauptrotationsachse eingangsseitig angeordnet. Die erste Planetenradstufe P1a ist als ein Einfachplanetenradsatz ausgebildet, der ein erstes Sonnenrad P11a, ein erstes Hohlrad P13a und einen ersten Planetenradträger P12a aufweist. Der Planetenradträger P12a führt Planetenräder P14a auf einer Kreisbahn. Die Planetenräder P14a kämmen mit dem Sonnenrad P11a und mit dem Hohlrad P13a. Die Planetenräder P14a sind drehbar auf dem Planetenradträger P12a gelagert.
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Die zweite Planetenradstufe P2a ist entlang der Hauptrotationsachse mittig angeordnet. Die zweite Planetenradstufe P2a ist als ein Einfachplanetenradsatz ausgebildet, der ein zweites Sonnenrad P21a, ein zweites Hohlrad P23a und einen zweiten Planetenradträger P22a umfasst. Der Planetenradträger P22a führt Planetenräder P24a auf einer Kreisbahn. Die Planetenräder P24a kämmen mit dem Sonnenrad P21a und mit dem Hohlrad P23a. Die Planetenräder P24a sind drehbar auf dem Planetenradträger P22a gelagert.
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Die dritte Planetenradstufe P3a ist entlang der Hauptrotationsachse ausgangsseitig angeordnet. Die dritte Planetenradstufe P3a ist als ein Einfachplanetenradsatz ausgebildet, der ein drittes Sonnenrad P31a, ein drittes Hohlrad P33a und einen dritten Planetenradträger P32a umfasst. Der Planetenradträger P32a führt Planetenräder P34a auf einer Kreisbahn. Die Planetenräder P34a kämmen mit dem Sonnenrad P31a und mit dem Hohlrad P33a. Die Planetenräder P34a sind drehbar auf dem Planetenradträger P32a gelagert.
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Die drei Schalteinheiten S3a, S4a, S5a sind wirkungsmäßig zwischen den Planetenradstufen P1a, P2a, P3a angeordnet. Die Schalteinheiten S3a, S4a, S5a sind als Kupplungen ausgebildet. Sie weisen jeweils ein erstes drehbares Kopplungselement S31a, S41a, S51a und ein zweites drehbares Kopplungselement S32a, S42a, S52a auf. Die drei Schalteinheiten S3a, S4a, S5a sind jeweils dazu vorgesehen, ihre beiden Kopplungselemente S31a, S32a, S41a, S42a, S51a, S52a drehfest miteinander zu verbinden. Beide Kopplungselemente S31a, S32a, S41a, S42a, S51a, S52a der jeweiligen Schalteinheit S3a, S4a, S5a sind dabei mit zumindest einem der Sonnenräder P11a, P21a, P31a, einem der Planetenradträger P12a, P22a, P32a und/oder einem der Hohlräder P13a, P23a, P33a verbunden.
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Die zwei Schalteinheiten S1a, S2a sind als Bremsen ausgebildet. Sie weisen jeweils nur ein drehbares Kopplungselement S11a, S21a auf. Ein zweites Kopplungselement S12a, S22a der Schalteinheiten S1a, S2a ist permanent drehfest mit einem Getriebegehäuse 12a verbunden. Die Schalteinheiten S1a, S2a sind dazu vorgesehen, ihr drehbares Kopplungselement S11a, S21a zu fixieren, indem sie es drehfest mit dem Getriebegehäuse 12a verbinden. Das drehbare Kopplungselement S11a, S21a der jeweiligen Schalteinheit S1a, S2a ist dabei ebenfalls mit zumindest einem der Sonnenräder P11a, P21a, P31a, einem der Planetenradträger P12a, P22a, P32a und/oder einem der Hohlräder P13a, P23a, P33a verbunden.
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Zwei der insgesamt fünf Schalteinheiten S1a–S5a sind reibschlüssig ausgeführt. Sie weisen jeweils ein nicht näher dargestelltes Kupplungslamellenpaket auf, das zur Herstellung der drehfesten Verbindung zwischen den beiden Kopplungselementen S11a–S52a, der entsprechenden Schalteinheit S1a–S5a vorgesehen ist. Die drei restlichen der insgesamt fünf Schalteinheiten S1a–S5a sind rein formschlüssig ausgeführt. Sie umfassen jeweils eine nicht näher dargestellte Schiebemuffe, die zur Herstellung der drehfesten Verbindung zwischen jeweils zwei Kopplungselementen S11a–S52a der entsprechenden Schalteinheit S1a–S5a vorgesehen ist.
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Die Schalteinheit S4a ist zwischen der ersten Planetenradstufe P1a und der zweiten Planetenradstufe P2a angeordnet. Die Schalteinheit S1a ist in Höhe der zweiten Planetenradstufe P2a angeordnet. Die Schalteinheiten S3a, S5a sind zwischen der zweiten Planetenradstufe P2a und der dritten Planetenradstufe P3a angeordnet. Die Schalteinheit S2a ist in Höhe der dritten Planetenradstufe P3a angeordnet. Sämtliche Schalteinheiten S1a, S2a, S3a, S4a sind außenliegend ausgeführt. Die Schalteinheit S5a ist innenliegend ausgeführt, kann durch eine geänderte Anbindung aber auch außenliegend ausgeführt werden.
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Zur Verbindung der Planetenradstufen P1a, P2a, P3a umfasst das Mehrstufengetriebe drei Zwischenwellen 13a, 14a, 15a. Die Zwischenwellen 13a, 14a, 15a sind zur Übertragung eines Leistungsflusses zwischen den Planetenradstufen P1a, P2a, P3a vorgesehen. Sie sind jeweils mit zumindest zwei der Sonnenräder P11a, P21a, P31a, der Planetenradträger P12a, P22a, P32a, der Hohlräder P13a, P23a, P33a und/oder der Kopplungselemente S31a, S32a, S41a, S42a, S51a, S52a permanent drehfest verbunden.
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Die Getriebeeingangswelle 10a ist permanent drehfest mit dem ersten Hohlrad P13a verbunden. Die erste Zwischenwelle 13a verbindet das erste Sonnenrad P11a, das erste Rotoranbindungselement 16a und das erste Kopplungselement S41a der vierten Schalteinheit S4a miteinander. Die zweite Zwischenwelle 14a verbindet das zweite Sonnenrad P21a, das zweite Rotoranbindungselement 17a und das erste Kopplungselement S31a der dritten Schalteinheit S3a permanent drehfest miteinander. Die dritte Zwischenwelle 15a verbindet den ersten Planetenradträger P12a, den zweiten Planetenradträger P22a, das dritte Sonnenrad P31a und das erste Kopplungselement S51a der fünften Schalteinheit S5a permanent drehfest miteinander. Das zweite Hohlrad P23a ist permanent drehfest mit dem ersten Kopplungselement S11a der ersten Schalteinheit S1a und dem zweiten Kopplungselement S42a der vierten Schalteinheit S4a verbunden. Das dritte Hohlrad P33a ist permanent drehfest mit dem ersten Kopplungselement S21a der zweiten Schalteinheit S2a verbunden. Die Getriebeausgangswelle 11a ist permanent drehfest mit dem dritten Planetenradträger P32a, dem zweiten Kopplungselement S32a der dritten Schalteinheit S3a und dem zweiten Kopplungselement S52a der fünften Schalteinheit S5a verbunden. Das zweite Kopplungselement S12a der ersten Schalteinheit S1a und das zweite Kopplungselement S22a der zweiten Schalteinheit S2a sind permanent drehfest mit dem Getriebegehäuse 12a verbunden.
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Die erste Zwischenwelle 13a ist zur Anbindung des Rotoranbindungselements 16a für den ersten Elektromotor EM1a und zur Anbindung des Kopplungselements S41a axial zwischen der ersten Planetenradstufe P1a und der zweiten Planetenradstufe P2a radial nach außen geführt. Die Zwischenwelle 14a ist zur Anbindung des Rotoranbindungselements 17a für den zweiten Elektromotor EM2a und des Kopplungselements S31a axial zwischen der zweiten Planetenradstufe P2a und der dritten Planetenradstufe P3a radial nach außen geführt. Die Zwischenwelle 15a ist eingangsseitig der ersten Planetenradstufe P1a an den ersten Planetenradträger P12a angebunden. Zur Anbindung des zweiten Planetenradträgers P22a durchsetzt die Zwischenwelle 15a die erste Planetenradstufe P1a. Zur Anbindung der Kopplungselemente S51a und des dritten Sonnenrads P31a durchsetzt die Zwischenwelle 13a die zweite Planetenradstufe P2a. Die Getriebeausgangswelle 11a ist ausgangsseitig an den dritten Planetenradträger P32a angebunden. Die Kopplungselemente S32a, S52a sind eingangsseitig an den dritten Planetenradträger P32a angebunden.
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In 2 ist dargestellt, wie durch Schließen der einzelnen Schalteinheiten S1a–S5a die verbrennungsmotorischen Vorwärtsgetriebegänge V1a–V5a, die elektromotorischen Vorwärtsgetriebegänge E1a–E3a und die EVT-Fahrbereiche EVT1a–EVT8a geschaltet werden können. Die verbrennungsmotorischen Vorwärtsgetriebegänge V1a–V5a werden durch Schließen von jeweils drei der fünf Schalteinheiten S1a–S5a gebildet. Die Schalteinheit S4a ist dabei in sämtlichen verbrennungsmotorischen Vorwärtsgetriebegängen V1a–V5a geschlossen. Die elektromotorischen Vorwärtsgetriebegänge E1a–E3a werden durch Schließen von ein oder zwei der vier Schalteinheiten S1a, S2a, S3a, S5a geschalten. Die Schalteinheit S4a kann in sämtlichen elektromotorischen Vorwärtsgetriebegängen E1a–E3a geöffnet bleiben. In dem dritten elektromotorischen Vorwärtsgetriebegang E3a kann die Schalteinheit S4a oder eine der Schalteinheiten S1a, S2a, S5a zusätzlich zu der Schalteinheit S3a geschlossen werden, beispielsweise um in einer entsprechenden Schaltstrategie eine Schaltflexibilität zu erhöhen. Die EVT-Fahrbereiche EVT1a–EVT8a werden jeweils durch Schließen von höchsten zwei der fünf Schalteinheiten S1a–S5a gebildet. Die EVT-Fahrbereiche EVT5a–EVT8a dienen dabei ebenfalls insbesondere zur Erhöhung einer Schaltflexibilität. Die EVT-Fahrbereiche EVT5a–EVT8a können grundsätzlich auch ungenutzt bleiben.
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Durch das Schließen der fünften Schalteinheit S5a wird die dritte Planetenradstufe P3a verblockt, d. h. das Sonnenrad P31a, der Planetenradträger P32a und das Hohlrad P33a rotieren mit gleicher Geschwindigkeit und gleicher Drehrichtung um die Hauptrotationsachse. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die fünfte Schalteinheit S5a dazu vorgesehen, das dritte Sonnenrad P31a und den dritten Planetenradträger P32a miteinander zu verbinden. Um die dritte Planetenradstufe P3a zu verblocken, kann die fünfte Schalteinheit S5a alternativ auch dazu vorgesehen sein, den dritten Planetenradträger P32a und das dritte Hohlrad P33a miteinander zu verbinden. Durch eine Anordnung der fünften Schalteinheit S5a auf einer der Getriebeausgangswelle 11a zugewandten Seite der dritten Planetenradstufe P3a könnte die dritte Schalteinheit S3a auch dazu vorgesehen werden, das dritte Sonnenrad P31a und das dritte Hohlrad P33a drehfest miteinander zu verbinden. Alle drei Verblockungsvarianten der Schalteinheit S5a sind kinematisch äquivalent und führen zu einer gleichen Schaltlogik. Sie unterscheiden sich lediglich hinsichtlich ihrer konstruktiven Ausführungen, wie beispielsweise einem erforderlichen Bauraum oder einer möglichen Hydraulikversorgung.
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In den verbrennungsmotorischen Vorwärtsgetriebegängen V1a–V5a, den elektromotorischen Vorwärtsgetriebegängen E1a–E3a und den EVT-Fahrbereichen EVT1a–EVT8a hängen Drehzahlen und Leistungsflüsse von einem aktuell vorliegenden Betriebspunkt ab. In den verbrennungsmotorischen Vorwärtsgetriebegängen V1a–V5a sind die Elektromotoren EM1a, EM2a für eine Boost-Funktion und eine Rekuperation vorgesehen. Weiter ist in den verbrennungsmotorischen Vorwärtsgetriebegängen V1a–V5a eine rein verbrennungsmotorische Fahrt möglich. In den elektrischen Vorwärtsgetriebegängen E1a–E3a ist insbesondere der zweite Elektromotor EM2a als Antriebsmotor vorgesehen. In den elektromotorischen Vorwärtsgetriebegängen E1a–E3a ist zudem ein Start des Verbrennungsmotors möglich. Der Start des Verbrennungsmotors kann in den elektromotorischen Vorwärtsgetriebegängen E1a–E3a rückwirkungsfrei erfolgen, indem lediglich ein Teil der von dem oder den Elektromotoren EM1a, EM2a abgegebenen Leistung an den Verbrennungsmotor geleitet wird.
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In den EVT-Fahrbereichen EVT1a–EVT8a stellen sich Drehzahlen und Leistungsflüsse insbesondere in Abhängigkeit von einer Leistung ein, die von den Elektromotoren EM1a, EM2a abgegeben oder aufgenommen wird. In den EVT-Fahrbereichen EVT1a–EVT8a ist ein Drehzahlverhältnis zwischen der Getriebeeingangswelle 10a und der Getriebeausgangswelle 11a mittels der Elektromotoren EM1a, EM2a zumindest in Teilbereichen stufenlos verstellbar. Dazu wird in den EVT-Fahrbereichen EVT1a–EVT8a vorzugsweise jeweils einer der Elektromotoren EM1a, EM2a als Generator betrieben, während der andere Elektromotor EM1a, EM2a eine Antriebsleistung bereitstellt. In den EVT-Fahrbereichen EVT1a–EVT8a wird je nach Betriebszustand eine elektrische Leistung aus einer Batterie entnommen oder es wird der Batterie elektrische Leistung zugeführt. Die EVT-Fahrbereiche EVT1a–EVT8a ermöglichen zudem zumindest teilweise ein Anfahren aus einem Fahrzeugstillstand bei laufendem Verbrennungsmotor, d. h. bei geeigneter Drehzahl der Rotoranbindungselemente 16a, 17a weist die Getriebeeingangswelle 10a eine Drehzahl ungleich Null auf, während gleichzeitig die Getriebeausgangswelle 11a eine Drehzahl von Null aufweist. Durch eine Veränderung der Drehzahlen der Rotoranbindungselemente 16a, 17a kann dann die Drehzahl der Getriebeausgangswelle 11a verändert werden. Zudem sind die EVT-Fahrbereiche EVT1a–EVT8a zumindest teilweise für eine leistungsneutrale Fahrt vorgesehen, d. h. einer der Elektromotoren EM1a, EM2a läuft in einem Generatorbetrieb und stellt dabei eine Leistung, die von dem anderen der Elektromotoren EM1a, EM2a aufgenommen wird, vollständig bereit. Mittels zumindest eines Teils der EVT-Fahrbereiche EVT1a–EVT8a ist zudem ein Rückwärtsgetriebegang darstellbar. Die EVT-Fahrbereiche EVT1a–EVT8a sind dabei zum Teil insbesondere ohne Drehzahlsprünge und/oder Leistungssprünge schaltbar, was sich positiv auf einen Schaltkomfort auswirkt.
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In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 durch den Buchstaben b in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 3 ersetzt. Bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, kann grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 verwiesen werden.
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In 3 ist ein Getriebeschema eines Mehrstufengetriebes gezeigt, das im Wesentlichen dem des vorangegangenen Ausführungsbeispiels entspricht. Das Mehrstufengetriebe umfasst drei Planetenradstufen P1b, P2b, P3b und fünf Schalteinheiten S1b, S2b, S3b, S4b, S5b, die zwei wirkungsmäßig zwischen den Planetenradstufen P1b, P2b, P3b angeordnete Kopplungselemente aufweisen. Das Mehrstufengetriebe unterscheidet sich dabei insbesondere in einer Anbindung einer Getriebeeingangswelle 10b an die erste Planetenradstufe P1b und in einer Anordnung der Schalteinheit S5b zur Verblockung der dritten Planetenradstufen P3b von dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel. Eine Verbindung der Planetenradstufen P1 b, P2b, P3b über die fünf Schalteinheiten S1b–S5b und drei Zwischenwellen 13b, 14b, 15b entspricht der des vorangegangen Ausführungsbeispiels.
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Die erste Planetenradstufe P1b umfasst ein Sonnenrad P11b, einen Planetenradträger P12b und ein Hohlrad P13b. Weiter umfasst das Mehrstufengetriebe zwei Schalteinheiten S6b, S7b, die der ersten Planetenradstufe P1b vorgeschaltet sind. Die Schalteinheiten S6b, S7b sind in einem von einer Brennkraftmaschine ausgehenden Leistungsfluss zwischen einer Getriebeeingangswelle 10b und der ersten Planetenradstufe P1b angeordnet. Die Schalteinheiten S6b, S7b weisen jeweils zwei Kopplungselemente S61b, S62b, S71b, S72b auf. Das erste Kopplungselement S61b der Schalteinheit S6b und das zweite Kopplungselement S72b der Schalteinheit S7b sind permanent drehfest mit der Getriebeeingangswelle 10b verbunden. Das zweite Kopplungselement S62b der sechsten Schalteinheit S6b ist permanent drehfest mit dem ersten Hohlrad P13b verbunden. Das erste Kopplungselement S71b der siebten Schalteinheit S7b ist permanent drehfest mit dem Planetenradträger P12b verbunden. Die Schalteinheiten S6b, S7b sind in axialer Richtung räumlich vor der ersten Planetenradstufe P1b angeordnet.
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Durch Öffnen der beiden Schalteinheiten S6b, S7b kann der Verbrennungsmotor von den Planetenradstufe P1b, P2b, P3b entkoppelt werden. Dadurch kann ein erster Elektromotor EM1b, der entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel an die erste Zwischenwelle 13b angebunden ist, und ein zweiter Elektromotor EM2b, der entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel an die zweite Zwischenwelle 14b angebunden ist, in sämtlichen elektromotorischen Vorwärtsgetriebegängen für eine Boost-Funktion genutzt werden, d. h. eine E-Fahrt kann zumindest teilweise mittels beider Elektromotoren EM1b, EM2b durchgeführt werden.
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Die beiden zusätzlichen Schalteinheiten S6b, S7b sind optional. Neben einer Ausgestaltung ohne die Schalteinheiten S6b, S7b, wie sie in 1 gezeigt ist, ist auch eine Ausgestaltung mit lediglich einer der Schalteinheiten S6b, S7b denkbar. Die Schalteinheit S6b fungiert dabei als ein Trennkupplung, durch die der Verbrennungsmotor von den Planetenradstufen P1b, P2b, P3b und damit den Elektromotoren EM1b, EM2b entkoppelt werden kann. Durch die Schalteinheit S7b ergeben sich weitere mögliche Schaltzustände, wodurch insbesondere eine Anzahl verbrennungsmotorischer Vorwärtsgetriebegänge vergrößert werden kann. Eine Ausgestaltung lediglich mit der zusätzlichen Schalteinheit S6b, bei der die Getriebeeingangswelle 10b über die Schalteinheit S6b drehfest mit dem ersten Hohlrad P13b verbindbar ist, ermöglicht somit insbesondere ein rein elektrisches Fahren mit beiden Elektromotoren. Eine Ausgestaltung mit lediglich der zusätzlichen Schalteinheit S7b, bei der die Getriebeeingangswelle 10b zusätzlich zu einer permanenten drehfesten Verbindung mit dem ersten Hohlrad P13b über die Schalteinheit S7b mit dem ersten Planetenradträger P12b drehfest verbindbar ist, erhöht eine Schaltflexibilität.
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Die fünfte Schalteinheit S5b ist dazu vorgesehen, die dritte Planetenradstufe P3b zu verblocken. Die dritte Planetenradstufe P3b umfasst ein Sonnenrad P31b, einen Planetenradträger P32b und ein Hohlrad P33b. Das erste Kopplungselement S51b der Schalteinheit S5b ist permanent drehfest mit dem Planetenradträger P32b verbunden. Das zweite Kopplungselement S52b der Schalteinheit S5b ist permanent drehfest mit dem Hohlrad P33b verbunden. Eine Getriebeausgangswelle 11b des Mehrstufengetriebes ist permanent drehfest mit dem dritten Planetenradträger P32b verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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