DE102012201377A1

DE102012201377A1 - Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012201377A1
Application number: DE102012201377A
Authority: DE
Inventors: Peter Ziemer; Christian SIBLA; Stefan Beck; Uwe Griesmeier; Johannes Kaltenbach
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-01
Also published as: CN103223852B; CN103223852A; US20130196809A1; US8992362B2

Abstract

Ein Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle (4) und einer Getriebeausgangswelle (5) und zumindest zwei Leistungspfaden (L1, L2) zwischen der Getriebeeingangswelle (4) und einem Hauptradsatz (HRS) mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichneten Wellen (W1, W2, W3, W4), wobei ein erster Leistungspfade (L1) ein erstes festes Übersetzungsverhältnis (i1) und ein zweiter der Leistungspfade (L2) ein zweites festes Übersetzungsverhältnis (i2) aufweist, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis (i1), wobei die erste Welle (W1) über ein erstes Schaltelement (C) festsetzbar und über ein zweites Schaltelement (B) mit dem ersten Leistungspfad (L1) verbindbar ist, wobei die zweite Welle (W2) über ein drittes Schaltelement (D) mit dem ersten Leistungspfad (L1) und über ein viertes Schaltelement (E) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, wobei die dritte Welle (W3) ständig mit der Getriebeausgangswelle verbunden ist und die vierte Welle (W4) über ein fünftes Schaltelement (A) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar und über ein sechstes Schaltelement (F) festsetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle und zwei Leistungspfaden zwischen der Getriebeeingangswelle und einem Hauptradsatz mit zwei Einzelplanetenradsätzen mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichneten Wellen, wobei ein erster der Leistungspfade ein erstes festes Übersetzungsverhältnis und ein zweiter der Leistungspfade ein zweites festes Übersetzungsverhältnis aufweist, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis.
Weiters betrifft die Erfindung einen Hybridantriebstrang für ein Kraftfahrzeug umfassend zumindest einen Verbrennungsmotor und zumindest eine Elektromaschine.
Ein Getriebe der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der EP 0 434 525 A1 bekannt geworden. Bei dem bekannten Getriebe, welches fünf Schaltelemente aufweist, deren selektives paarweises Eingreifen verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen der Getriebeeingangswelle und der Getriebeausgangswelle bewirkt, sind sechs Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang realisiert.
Aus der Patentanmeldung DE 10 2010 028 026 der Anmelderin ist ferner ein Hybridantriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor und mehreren Elektromotoren bekannt geworden. Bei diesem Hybridantriebsstrang kommt ein Zahnradgetriebe mit Teilgetrieben zum Einsatz, die jeweils eine schaltbare Gangstufe aufweisen. Die in den Teilgetrieben vorhandenen schaltbaren Gangstufen werden von einem Direktgang bei koaxialem An- und Antrieb abgesehen, jeweils durch genau ein Einzelgetriebe, wie einem Stirnradpaar oder ein Planetengetriebe erzeugt. Ein Acht-Gang Vorgelegegetriebe mit koaxialem Abtrieb würde danach für die acht Gänge mindestens acht Einzelgetriebe in Form von acht Stirnradpaaren benötigen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, den erforderlichen Bauaufwand für einen Hybridantriebstrang der oben genannten Art mit einem Mehrganggetriebe zu reduzieren und ein lastschaltbares Getriebe mit zumindest acht Gängen zu schaffen, welches hohe Gesamtspreizungen bei sehr günstigen Gangsprüngen erlaubt.
Diese Aufgabe wird mit einem Getriebe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eine Elektromaschine mit zumindest einer der Wellen des Hauptradsatzes verbunden ist, wobei die erste Welle über ein erstes Schaltelement festsetzbar und über ein zweites Schaltelement mit dem ersten Leistungspfad verbindbar ist, wobei die zweite Welle über ein drittes Schaltelement mit dem ersten Leistungspfad und über ein viertes Schaltelement mit dem zweiten Leistungspfad verbindbar ist, wobei die dritte Welle ständig mit der Getriebeausgangswelle verbunden ist und die vierte Welle über ein fünftes Schaltelement mit dem zweiten Leistungspfad verbindbar und über ein sechstes Schaltelement festsetzbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich vor allem durch einen wesentlich reduzierten und vereinfachten Aufbau aus, wodurch sich auch eine Optimierung hinsichtlich des Gesamtgewichts und des erforderlichen Einbauraums erzielen lässt. Je zwei Schaltelemente können mittels eines doppeltwirkenden Aktuators wechselweise betätigbar sein. Hierbei kann ein Schließen eines ersten Schaltelements ein Öffnen eines zweiten Schaltelementes zur Folge haben. Alle in diesem Dokument genannten Schaltelemente können bevorzugt als formschlüssige Schaltelemente, beispielsweise als Klauenschaltelemente, insbesondere Klauenkupplungen oder Klauenbremsen, ausgebildet sein. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Getriebes besteht darin, dass die verwendeten Schaltelemente keine Synchronisiereinrichtung benötigen, da eine Synchronisierung der Schaltelemente über die Elektromaschine und einen Verbrennungsmotor in einem lastlosen Zustand erfolgen kann. Darüber hinaus kann die Elektromaschine als Drehzahlgeber (Resolver) dienen. Hierbei können undefinierte Drehzahlzustände an den Planetenradsätzen innerhalb und außerhalb der Schaltung der Gänge durch stets definierte Drehzahlen an der Elektromaschine am Antrieb und am Abtrieb vermieden werden. Darüber hinaus kann auch eine Lastschaltung beim verbrennungsmotorischen Fahren über die Elektromaschine erfolgen.
Die verwendeten Planetengetriebe sind vorzugsweise als Minus-Planetenradsätze ausgebildet. Ein einfacher Minus-Planetenradsatz umfasst ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, an dem Planetenräder drehbar gelagert sind, die jeweils mit Sonnenrad und Hohlrad kämmen. Hierdurch weist das Hohlrad bei festgehaltenem Steg eine zum Sonnenrad entgegengesetzte Drehrichtung auf. Demgegenüber umfasst ein einfacher Plus-Planetenradsatz ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, an dem innere und äußere Planetenräder drehbar gelagert sind, wobei alle inneren Planetenräder mit dem Sonnenrad und alle äußeren Planetenräder mit dem Hohlrad kämmen, wobei jedes innere Planetenrad mit jeweils einem äußeren Planetenrad kämmt. Hierdurch weist das Hohlrad bei festgehaltenem Steg die gleiche Drehrichtung auf wie das Sonnenrad. Gemäß der Erfindung kann ein Minus-Planetenradsatz jedoch auch durch einen Plus-Planetenradsatz ersetzt werden, wenn gleichzeitig die Steg- und Hohlradanbindung getauscht und der Betrag der Standübersetzung des Planetenradsatzes im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetenradsatz um 1 erhöht wird.
Eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung, bei welcher ein Starten, Anfahren, Reversieren, Boosten, Rekuperieren sowie Lastschalten über die Elektromaschine erfolgt, sieht vor, dass die Elektromaschine ständig oder mittels Schaltelementen zu- und wegschaltbar, direkt oder über ein Getriebe an die erste Welle des Hauptradsatzes angebunden ist. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass kein separater Rückwärtsgang erforderlich ist und bei geschlossenem sechstem Schaltelement, welches vorzugsweise als Klauenbremse ausgeführt ist, ein rein elektrischer Fahrbetrieb möglich ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung, welche mit einer geringen Zahl an erforderlichen Schaltelementen auskommt und Doppelschaltungen bei sequentieller Schaltweise vermeidet, sieht vor, dass durch selektives paarweises Eingreifen der sechs Schaltelemente bis zu elf Vorwärtsgänge realisierbar sind, wobei acht oder zehn der elf Vorwärtsgänge lastschaltbar und gruppenschaltungsfrei schaltbar sind,
wobei sich der erste Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements und des sechsten Schaltelements, der zweite Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements und des sechsten Schaltelements, der dritte Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements und des dritten Schaltelements ergibt,
wobei sich für den Fall, dass acht Gänge lastschaltbar sind, der vierte Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements und des fünften Schaltelements, der fünfte Gang durch Schließen des zweiten Schaltelementes und des fünften Schaltelementes, der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements und des fünften Schaltelements, der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements und des vierten Schaltelements, der achte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements ergibt,
wobei sich für den Fall, dass zehn Vorwärtsgänge lastschaltbar sind, der vierte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements und des dritten Schaltelements, der fünfte Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements und des fünften Schaltelements, der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements und des fünften Schaltelements, der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements und des fünften Schaltelements, der achte Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements und des fünften Schaltelements, der neunte Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements und des vierten Schaltelements, der zehnte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements ergibt.
Vorzugsweise ergibt sich ein elfter Vorwärtsgang oder ein neunter Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements und des sechsten Schaltelements.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Getriebeausgangswelle koaxial zu der Getriebeeingangswelle angeordnet ist und der erste Leistungspfad einen Underdrive-Planetenradsatz zum Abgeben einer Drehzahl kleiner als die Drehzahl der Getriebeeingangswelle und größer als Null enthält, wobei eine erste Welle des Underdrive-Planetenradsatzes mit der Getriebeeingangswelle ständig verbunden ist und an einer zweiten Welle des Underdrive-Planetenradsatzes das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement angebunden sind, und eine dritten Welle des Underdrive-Planetenradsatzes festgesetzt ist, wobei der zweite Leistungspfad ein direkter Antrieb ist.
Bevorzugt ist der Underdrive-Planetenradsatz als Minus-Radsatz ausgebildet, dessen Hohlrad festgesetzt und dessen Sonnenrad mit der Getriebeeingangswelle ständig verbunden oder über ein siebentes Schaltelement lösbar verbindbar ist, wobei an seinem Steg das dritte Schaltelement und das zweite Schaltelement angebunden sind.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung, welche sich durch geringe in den Schaltelementen und in den Planetenradsätzen vorliegende Momente auszeichnet, ist die erste Welle des Hauptradsatzes mit einem Sonnenrad des ersten Einzelplanetenradsatzes des Hauptradsatzes verbunden, wobei die zweite Welle des Hauptradsatzes mit einem Steg des ersten Einzelplanetenradsatzes und einem Hohlrad des zweiten Einzelplanetenradsatzes des Hauptradsatzes verbunden ist, wobei die dritte Welle des Hauptradsatzes mit einem Hohlrad des ersten Einzelplanetenradsatzes und mit einem Steg des zweiten Einzelplanetenradsatzes des Hauptradsatzes verbunden ist, wobei die vierte Welle des Hauptradsatzes mit einem Sonnenrad des zweiten Einzelplanetenradsatzes des Hauptradsatzes verbunden ist.
Die oben genannte Aufgabe lässt sich auch mit einem Hybridantriebsstrang der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch lösen, dass er ein Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zumindest eine zweite mit dem Verbrennungsmotor direkt oder über ein Getriebe verbundene oder über zumindest ein achtes Schaltelement lösbar verbindbare Elektromaschine vorzugsweise in Form eines Anlassers oder Starter-Generators vorgesehen sein. Bei dieser Variante der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass durch Öffnen des achten Schaltelements ein rein elektrischer, lastschaltbarer Fahrbetrieb in allen Gängen ermöglicht ist. Bei Verwendung eines Anlassers ergibt sich der Vorteil, dass ein Verbrennungsmotorstart auch während des rein elektrischen Fahrbetriebs (mit geschlossenem sechstem Schaltelement) ohne Zugkraftunterbrechung möglich ist. Wird anstelle des Anlassers ein Starter Generator verwendet, ergeben sich die zusätzlichen Vorteile, dass sich ein batteriegrößenunabhängiges System ergibt, da ein verbrennungsmotorisch-elektrisches Fahren möglich wird. Auch ist ein generatorischer Betrieb zum Abbremsen des Verbrennungsmotors insbesondere während der Hochschaltung von dem ersten in den zweiten Gang möglich.
Ein rein elektrisches Fahren in allen Gängen sowie ein Verbrennungsmotorstart auch während des rein elektrischen Fahrbetriebs in alle Gängen ohne Zugkraftunterbrechung wird dadurch ermöglicht, dass die zweite Elektromaschine über das achte Schaltelement mit dem Verbrennungsmotor lösbar verbindbar ist und über ein weiteres Schaltelement mit der Getriebeeingangswelle lösbar verbindbar ist.
Ein besonders einfacher und platzsparender Aufbau ergibt sich dadurch, dass jeweils zwei Schaltelemente durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sind, wobei vorzugsweise das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement und/oder das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement und/ oder das fünfte Schaltelement und das sechste Schaltelement und/oder das siebente Schaltelement und das achte Schaltelement jeweils durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sind.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen wird im Folgenden anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele näher erläutert, welche in den Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen schematisch:
1 ein Getriebeschema einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Getriebe;
2 ein Getriebeschema einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Getriebe;
3 ein Drehzahldiagramm eines erfindungsgemäßen Getriebes;
4 ein Schaltschema für das in 1 dargestellte Getriebe;
5 ein Getriebeschema einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Getriebe;
6 ein Schaltschema für das in 5 dargestellte Getriebe;
7 ein weiteres Drehzahldiagramm für ein erfindungsgemäßes Getriebe und
8 ein Schaltschema für ein dem Drehzahldiagramm in 7 entsprechendes Getriebe.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können.
Gemäß 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßer Hybridantriebstrang für ein Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor 1 und mindestens eine Elektromaschine EM1 auf. Darüber hinaus können eine Steuerung 2 für die Elektromaschine EM1 und ein elektrischer Energiespeicher 3 vorgesehen sein.
Der Hybridantriebstrang weist ein erfindungsgemäßes Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle 4 und einer Getriebeausgangswelle 5 auf. Zur Schwingungsdämpfung zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Getriebe kann ein Torsionsschwingungsdämpfer 6 vorgesehen sein. Darüber hinaus kann ein zweiter Elektromotor EM2 beispielsweise in Form eines Anlassers oder Startergenerators vorgesehen sein. Auf der Abtriebsseite können auch ein Achsdifferential und/oder Verteilerdifferential angeordnet werden.
Zwischen der Getriebeeingangswelle 4 und einem aus zwei Einzelplanetenradsätzen P2, P3 bestehenden Hauptradsatz HRS sind, wie aus 1 und 2 ersichtlich, zwei Leistungspfade L1 und L2 realisiert. Die beiden Leistungspfade L1 und L2 stellen zwei unterschiedliche Übertragungswege für die von der Getriebeeingangswelle 4 abgegebenen Drehzahlen dar. Der erste Leistungspfad L1 weist ein erstes festes Übersetzungsverhältnis i1 und der zweite Leistungspfad L2 ein zweites festes Übersetzungsverhältnis i2 auf, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis i2 kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis i1.
Der Hauptradsatz HSR weist vier in Drehzahlordnung, d.h. nach ihrer Reihenfolge in einem Drehzahlplan, als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichnete drehbare Wellen W1, W2, W3, W4 auf.
Die erste Welle W1 kann über ein erstes Schaltelement C festgesetzt und über ein zweites Schaltelement B mit dem ersten Leistungspfad L1 verbunden werden. Die zweite Welle W2 kann über ein drittes Schaltelement D mit dem ersten Leistungspfad L1 und über ein viertes Schaltelement E mit dem zweiten Leistungspfad L2 verbunden werden. Die dritte Welle W3 ist ständig mit der Getriebeausgangswelle 5 verbunden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass in dem vorliegenden Text die Begriffe „ständig“ und „fest“ bzw. „drehfest“ synonym gebraucht werden. Die vierte Welle W4 kann über ein fünftes Schaltelement A mit dem zweiten Leistungspfad L2 verbunden und über ein sechstes Schaltelement F festgesetzt werden.
Die erste Welle W1 des Hauptradsatzes HRS kann, wie in 1, 2 und 5 dargestellt, mit einem Sonnenrad SO2 des ersten Einzelplanetenradsatzes P2 des Hauptradsatzes HRS verbunden sein, wobei die zweite Welle W2 des Hauptradsatzes HRS mit einem Steg ST2 des ersten Einzelplanetenradsatzes P2 und einem Hohlrad HO3 des zweiten Einzelplanetenradsatzes P3 des Hauptradsatzes HRS verbunden sein kann. Die mit der Getriebeausgangswelle 5 verbundenen dritte Welle W3 des Hauptradsatzes HRS kann mit einem Hohlrad HO2 des ersten Einzelplanetenradsatzes P2 und mit einem Steg ST3 des zweiten Einzelplanetenradsatzes P3 des Hauptradsatzes verbunden sein. Während die vierte Welle W4 des Hauptradsatzes HRS mit einem Sonnenrad SO3 des zweiten Einzelplanetenradsatzes P3 des Hauptradsatzes HRS verbunden sein kann. Die Ausführung in Standardbauweise wird hierbei durch ein geteiltes Sonnenrad SO3 und ein langes Planetenrad am dritten Einzelplanetenradsatz P3 ermöglicht.
Für den Einsatz im Front-Quer-Bereich könnte der Hauptradsatz ohne geteiltes Sonnenrad SO3 oder in Form eines Ravigneaux-Radsatzes ausgebildet sein.
Im Fall der Ausbildung des Hauptradsatzes HRS als Ravigneaux-Radsatz könnten die Schaltelemente B und C an der ersten Welle W1 angebunden sein, welche mit einem Sonnenrad des Minusradsatzes des Ravigneaux-Radsatzes verbunden ist. Die Schaltelemente E und D könnten an einem gemeinsamen Steg, welcher mit der zweiten Welle W2 verbunden ist angebunden sein. Der Abtrieb könnte über die Welle W3 erfolgen, welche mit einem gemeinsamen Hohlrad verbunden ist, erfolgen. Die Schaltelemente A und F könnten an einem Sonnenrad des Plus-Radsatzes des Ravigneaux-Radsatzes angebunden sein.
Der Hauptradsatz HSR könnte auch in Simpson-Bauweise realisiert werden. Hierbei wäre allerdings eine Bauform mit einem geteilten Hohlrad und einem langen Planetenrad von Vorteil, um die Schaltelemente A und F an dem keine weitere Kopplung enthaltenden Hohlrad, welches mit der vierten Welle verbunden ist, anbinden zu können. Die Schaltelemente B und C wären hierbei an dem gemeinsamen Sonnenrad angebunden, welches mit der ersten Welle W1 verbunden ist. Die Schaltelemente E und D wären an dem einzelnen Steg ST2 angebunden, welcher mit der zweiten Welle W2 verbunden ist. Der Abtrieb würde über die Steg-Hohlradkopplung W3 erfolgen.
Die Elektromaschine EM1 kann ständig an die erste Welle W1 des Hauptradsatzes HRS angebunden sein. Alternativ zu einer ständigen Anbindung kann die Elektromaschine EM1 jedoch auch zu- und wegschaltbar, direkt oder über ein Getriebe, insbesondere ein Riemen-, Ketten-, Stirnrad- oder Planetengetriebe P4 (5) an die erste Welle W1 angebunden sein. Grundsätzlich könnte die Elektromaschine EM1 auch zwischen der zweiten Welle W2 und der vierten Welle W4 umschaltbar angebunden sein. Es wäre auch möglich, die Elektromaschine EM1 nur an der zweiten Welle W2 anzubinden und dafür zusätzlich eine weitere Elektromaschine an der vierten Welle W4 zur Gewährleistung der Lastschaltbarkeit anzubinden.
Die Getriebeausgangswelle 5 ist bevorzugt koaxial zu der Getriebeeingangswelle 4 angeordnet, wobei der erste Leistungspfad L1 einen Vorschaltradsatz in Form eines Underdrive-Planetenradsatzes P1 zum Abgeben einer kleineren Drehzahl als die der Getriebeeingangswelle 4 und größer als Null umfassen kann.
Eine erste Welle W1VS des Underdrive-Planetenradsatzes P1 kann mit der Getriebeeingangswelle 4 ständig verbunden sein. An einer zweiten Welle W2VS des Underdrive-Planetenradsatzes sind das zweite Schaltelement B und das dritte Schaltelement D angebunden. Eine dritte Welle WVS3 des Underdrive-Planetenradsatzes P1 ist festgesetzt, wobei der zweite Leistungspfad L2 ein direkter Antrieb ist.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform kann der Underdrive-Planetenradsatz P1 als Minus-Radsatz ausgebildet sein, dessen Hohlrad HO1 festgesetzt ist und dessen Sonnenrad SO1 der Getriebeeingangswelle 4 ständig verbunden ist oder lösbar verbindbar ist. An dem Steg ST1 können das dritte Schaltelement D und das zweite Schaltelement B angebunden sein.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass es auch möglich wäre, den zweiten Leistungspfad L2 als Overdrive-Planetenradsatz zum Abgeben einer Drehzahl größer als die der Getriebeeingangswelle 4 auszubilden, wobei dann der erste Leistungspfad L1 als direkter Antrieb ausgebildet wäre.
Durch selektives paarweises Eingreifen der sechs Schaltelemente A, B, C, D, E, F des Getriebes sind bis zu elf Vorwärtsgänge realisierbar, wobei acht oder zehn der elf Vorwärtsgänge lastschaltbar und gruppenschaltungsfrei schaltbar sind. Unter dem Begriff „gruppenschaltungsfrei schaltbar“ wird in dem vorliegenden Zusammenhang verstanden, dass bei einem Schalten in einen nächsthöheren oder nächstniederen Gang nur ein Schaltelement geöffnet und ein anderes Schaltelement geschlossen wird.
Aus den in 3 und 7 dargestellten Drehzahldiagrammen bzw. Drehzahlplänen sind die Beziehungen zwischen den durch selektives Eingreifen von Schaltelementen A, B, C, D, E, F erzielten Gängen und dem Übersetzungsverhältnis jeder Welle W1, W2, W3, W4 ersichtlich. Auf den einzelnen Wellen W1, W2, W3, W4 sind in vertikaler Richtung die Drehzahlverhältnisse aufgetragen. Der horizontale Abstand zwischen den Wellen ergibt sich durch die Übersetzungen, sodass sich zu einem bestimmten Betriebspunkt gehörende Drehzahlverhältnisse durch eine Gerade verbinden lassen. Bei einer bestimmten Antriebsdrehzahl kennzeichnen die acht (3) bzw. zehn (7) Betriebslinien des Hauptradsatzes HRS die Drehzahlverhältnisse in acht bzw. zehn Vorwärtsgängen.
4 ist ein beispielhaftes Schaltschema für das in 1 dargestellte Mehrganggetriebe zu entnehmen, wobei die geschlossenen Schaltelemente durch Kreise gekennzeichnet sind. Für jeden Gang werden zwei Schaltelemente geschlossen. Dem Schaltschema können die jeweiligen Übersetzungen der einzelnen Gangstufen und die daraus zu bestimmenden Gangsprünge zum nächst höheren Gang beispielhaft entnommen werden, wobei das Getriebe eine Spreizung von 10,1 aufweist. Aus 4 wird ersichtlich, dass bei sequentieller Schaltweise Doppelschaltungen bzw. Gruppenschaltungen vermieden werden können, da zwei benachbarte Gangstufen ein Schaltelement gemeinsam benutzen. Typische Werte für die Standübersetzungen der in dem vorliegenden Fall als Minus-Planetenradsätze ausgeführten Planetengetriebe P1, P2 und P3 sind –1,55 für P1, –1,8 für P2, –1,8 für P3.
Ein erster Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des zweiten Schaltelements B und des sechsten Schaltelements F, ein zweiter Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements D und des sechsten Schaltelements F, ein dritter Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements B und des dritten Schaltelements D, ein vierter Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements D und des fünften Schaltelements A, ein fünfter Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelementes B und des fünften Schaltelementes A, ein sechster Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements E und des fünften Schaltelements A, ein siebenter Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements B und des vierten Schaltelements E, ein achter Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements C und des vierten Schaltelements E. Ein neunter Vorwärtsgang lässt sich durch Schließen des vierten Schaltelements E und des sechsten Schaltelements F realisieren. Durch Verzicht auf das erste Schaltelement C lässt sich ein 7-Gang-Getriebe realisieren.
Wie in 5 dargestellt, kann die erste Welle W1 des Hauptradsatzes HRS vorzugsweise mit einem Steg eines weiteren dem Hauptradsatz HRS vorgeschalteten Planetengetriebes P4 verbunden sein. An ein Hohlrad HO4 des Planetengetriebes P4 sind zwei Schaltelemente U und V angebunden. Über das Schaltelement U, welches als Bremse ausgebildet sein kann, kann das Hohlrad HO4 festgesetzt werden und über das Schaltelement V, welches vorzugsweise als Klauenkupplung ausgebildet ist, an die erste Elektromaschine EM1 angebunden werden, wobei die Elektromaschine EM1 ständig mit dem Sonnenrad 4 des vierten Planetengetriebes P4 verbunden ist.
6 ist ein beispielhaftes Schaltschema für den in 5 dargestellten Hybridantriebsstrang zu entnehmen. Dem Schaltschema können die jeweiligen Übersetzungen der einzelnen Gangstufen und die daraus zu bestimmenden Gangsprünge zum nächst höheren Gang beispielhaft entnommen werden, wobei das Getriebe ebenfalls eine Spreizung von 10,1 aufweist. Aus 6 wird ebenfalls ersichtlich, dass bei sequentieller Schaltweise Doppelschaltungen bzw. Gruppenschaltungen vermieden werden können, da zwei benachbarte Gangstufen ein Schaltelement gemeinsam benutzen. In den ersten drei Gängen ist das Schaltelement U geschlossen und das Hohlrad HO4 festgesetzt. Im vierten Vorwärtsgang kann das Schaltelement U oder das Schaltelement V geschlossen sein, wobei die Drehzahl der ersten Elektromaschine ca. Null beträgt. In den Gängen 5 bis 8 ist das Schaltelement V geschlossen und das Hohlrad HO4 an die Elektromaschine EM1 angebunden.
Wie aus 8 zu entnehmen ist, ergibt sich für den Fall, dass zehn Vorwärtsgänge lastschaltbar sind, der vierte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements C und des dritten Schaltelements D, der fünfte Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements D und des fünften Schaltelements A, der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements C und des fünften Schaltelements A, der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements B und des fünften Schaltelements A, der achte Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements E und des fünften Schaltelements A, der neunte Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements B und des vierten Schaltelements E, der zehnte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements C und des vierten Schaltelements E. Ein elfter Vorwärtsgang lässt sich durch Schließen des vierten Schaltelements E und des sechsten Schaltelements F realisieren.
Wie aus 2 zu entnehmen ist, kann die zweite Elektromaschine EM2 in Form eines Anlassers oder Starter-Generators mit dem Verbrennungsmotor 1 über ein achtes Schaltelement K0 verbunden werden. Alternativ hierzu kann die zweite Elektromaschine EM2 auch ständig mit dem Verbrennungsmotor 1 verbunden sein. Darüber hinaus kann die zweite Elektromaschine über ein siebtes Schaltelement K1 mit der Getriebeeingangswelle 4 verbunden sein. Durch Öffnen des Schaltelements K0 ergibt sich ein rein elektrisches, lastschaltbares Fahren in allen Gängen. Bei geschlossenem Schaltelement K0 und offenem Schaltelement K1 ergibt sich ein verbrennungsmotorischelektrischer Fahrbetrieb.
Ein Hinzuschalten des Verbrennungsmotors 1 ist auch während des rein elektrischen Fahrbetriebs – mit geschlossenem Schaltelement F, welches als Klauenbremse ausgeführt ist, ohne Zugkraftunterbrechung möglich. Der Verbrennungsmotor 1 kann, nach vorheriger Synchronisation in den Gängen eins bis zwei sowie in dem Gang, der sich durch Schließen des sechsten Schaltelements F und des zweiten Schaltelements E ergibt, zugkraftunterbrechungsfrei hinzugeschaltet werden.
Wie den in 4, 6 und 8 dargestellten Schaltschemata zu entnehmen ist, erfolgt die Lastschaltung beim verbrennungsmotorischen Fahren über die Elektromaschine EM1. Im Fall eines geschlossenen Schaltelements F (Schaltvorgänge vom ersten in den zweiten) bzw. eines geschlossenen Schaltelements A (beispielsweise beim Schalten vom fünften in den sechsten Gang) im elektromotorischen Betrieb und im Fall eines geschlossenen Schaltelements D (Schaltvorgänge vom dritten in den vierten Gang) bzw. E (beispielsweise beim Schalten vom achten in den neunten Gang), wobei der Verbrennungsmotor 1 bis auf den Fall des geschlossenen Schaltelements F weiterhin unter Last steht.
Zum Starten des Verbrennungsmotors 1 während des rein elektrischen Fahrbetriebs kann das Schaltelement F ausgelegt und das Schaltelement B nach vorheriger Synchronisation geschlossen werden. Hierauf kann über die erste Elektromaschine EM1 der Verbrennungsmotor 1 gestartet werden. Anschließend kann nach vorheriger Synchronisation die Klauenbremse F wieder geschlossen werden und im ersten (B und F geschlossen) bzw. zweiten Gang (D und F geschlossen) verbrennungsmotorisch weiter gefahren werden. Selbstverständlich kann auch in allen anderen Gängen, darunter auch in dem nicht in der Schaltlogik aufgeführten Gang (E und F geschlossen) nach entsprechender Synchronisation mit dem Verbrennungsmotor 1 verbrennungsmotorisch weitergefahren werden.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass bei allen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung die Schaltelemente A, B, D, E, V sowie die Schaltelemente K0, K1 bevorzugt als Klauenkupplungen ausgeführt sind während die Schaltelement C, F und U bevorzugt als Klauenbremsen ausgebildet sind. Auch können bei allen Ausführungsformen der Erfindung das erste Schaltelement C und das zweite Schaltelement B und/oder das dritte Schaltelement D und das vierte Schaltelement E und/ oder das fünfte Schaltelement A und das sechste Schaltelement F und/oder das siebente Schaltelement K1 und das achte Schaltelement K0 bzw. die Schaltelemente U und V jeweils durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sein. Somit kann jeweils ein Paar von Schaltelementen durch einen einzigen Aktuator betätigt werden. Wodurch sich der Aufbau vereinfacht sowie der erforderliche Bauraum und die Herstellungskosten verringert werden können.
Wie aus den 4, 6 und 8 ferner ersichtlich ist, ist ein rein elektrisches Fahren in einem Gang bzw. in zwei Gängen ebenfalls möglich (Vorwärts-/Rückwärtsanfahren).
Auch lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrang auf einfache Weise eine Parksperre integrieren. Hierzu könnte beispielsweise beim Abstellen der erste Gang (Schaltelemente B und F geschlossen) eingelegt werden. Gelöst könnte die Parksperre dadurch, dass durch die Elektromaschine EM1 ein Moment entgegen einer Hangabtriebskraft erzeugt wird und das Schaltelement B lastlos ausgelegt werden kann, um dann elektrisch anfahren zu können.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Varianten des erfindungsgemäßen Getriebes bzw. Hybridantriebsstranges, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten eingeschränkt ist. Weiteres sind diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich, wobei diese Variationsmöglichkeiten aufgrund der Lehre zum technischen Handeln der gegenständlichen Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegen.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Steuerung
3: elektrischer Energiespeicher
4: Getriebeeingangswelle
5: Getriebeausgangswelle
6: Torsionsschwingungsdämpfer
EM1: erste Elektromaschine
EM2: zweite Elektromaschine
P1: erstes Planetengetriebe
P2: zweites Planetengetriebe
P3: drittes Planetengetriebe
P4: viertes Planetengetriebe
HRS: Hauptradsatz
W1: erste Welle Hauptradsatz
W2: zweite Welle Hauptradsatz
W3: dritte Welle Hauptradsatz
W4: vierte Welle Hauptradsatz
W1VS: erste Welle Vorschaltradsatz
W2VS: zweite Welle Vorschaltradsatz
W3VS: dritte Welle Vorschaltradsatz
C: erstes Schaltelement
B: zweites Schaltelement
D: drittes Schaltelement
E: viertes Schaltelement
A: fünftes Schaltelement
F: sechstes Schaltelement
K1: siebentes Schaltelement
K0: achtes Schaltelement
SO1: Sonnenrad des ersten Planetengetriebes
ST1: Steg des ersten Planetengetriebes
HO1: Hohlrad des ersten Planetengetriebes
SO2: Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes
ST2: Steg des zweiten Planetengetriebes
HO2: Hohlrad des zweiten Planetengetriebes
SO3: Sonnenrad des dritten Planetengetriebes
ST3: Steg des dritten Planetengetriebes
HO3: Hohlrad des dritten Planetengetriebes
SO4: Sonnenrad des vierten Planetengetriebes
ST4: Steg des vierten Planetengetriebes
HO4: Hohlrad des vierten Planetengetriebes
L1: erster Leistungspfad
L2: zweiter Leistungspfad
i1: erstes Übersetzungsverhältnis
i2: zweites Übersetzungsverhältnis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0434525 A1 [0003]
DE 102010028026 [0004]

Claims

Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle (4) und einer Getriebeausgangswelle (5) und zwei Leistungspfaden (L1, L2) zwischen der Getriebeeingangswelle (4) und einem Hauptradsatz (HRS) mit zwei Einzelplanetenradsätzen (P2, P3) mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichneten Wellen (W1, W2, W3, W4), wobei ein erster der Leistungspfade (L1) ein erstes festes Übersetzungsverhältnis (i1) und ein zweiter der Leistungspfade (L2) ein zweites festes Übersetzungsverhältnis (i2) aufweist, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis (i2) kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis (i1), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektromaschine (EM1) mit zumindest einer der Wellen (W1, W2, W3, W4) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist, wobei die erste Welle (W1) über ein erstes Schaltelement (C) festsetzbar und über ein zweites Schaltelement (B) mit dem ersten Leistungspfad (L1) verbindbar ist, wobei die zweite Welle (W2) über ein drittes Schaltelement (D) mit dem ersten Leistungspfad (L1) und über ein viertes Schaltelement (E) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, wobei die dritte Welle (W3) ständig mit der Getriebeausgangswelle verbunden ist und die vierte Welle (W4) über ein fünftes Schaltelement (A) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar und über ein sechstes Schaltelement (F) festsetzbar ist.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (EM1) ständig oder über Schaltelemente (U, V) zu- und wegschaltbar, direkt oder über ein Getriebe an die erste Welle (W1) des Hauptradsatzes (HRS) angebunden ist.
Getriebe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch selektives paarweises Eingreifen der sechs Schaltelemente (A, B, C, D, E, F) bis zu elf Vorwärtsgänge realisierbar sind, wobei acht oder zehn der elf Vorwärtsgänge lastschaltbar und gruppenschaltungsfrei schaltbar sind, wobei sich der erste Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (B) und des sechsten Schaltelements (F), der zweite Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements (D) und des sechsten Schaltelements (F), der dritte Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (B) und des dritten Schaltelements (D) ergibt, wobei sich für den Fall, dass acht Gänge lastschaltbar sind, der vierte Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements (D) und des fünften Schaltelements (A), der fünfte Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelementes B und des fünften Schaltelementes A, der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements (E) und des fünften Schaltelements (A), der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (B) und des vierten Schaltelements (E), der achte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements (C) und des vierten Schaltelements (E) ergibt, wobei sich für den Fall, dass zehn Vorwärtsgänge lastschaltbar sind, der vierte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements (C) und des dritten Schaltelements (D), der fünfte Vorwärtsgang durch Schließen des dritten Schaltelements (D) und des fünften Schaltelements (A), der sechste Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements (C) und des fünften Schaltelements (A), der siebente Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (B) und des fünften Schaltelements (A), der achte Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements (E) und des fünften Schaltelements (A), der neunte Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (B) und des vierten Schaltelements (E), der zehnte Vorwärtsgang durch Schließen des ersten Schaltelements (C) und des vierten Schaltelements (E) ergibt.
Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein elfter Vorwärtsgang oder ein neunter Vorwärtsgang durch Schließen des vierten Schaltelements (E) und des sechsten Schaltelements (F) ergibt.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeausgangswelle (5) koaxial zu der Getriebeeingangswelle (4) angeordnet ist und der erste Leistungspfad (L1) einen Underdrive-Planetenradsatz (P1) zum Abgeben einer Drehzahl kleiner als die Drehzahl der Getriebeeingangswelle (4) und größer als Null enthält, wobei eine erste Welle (W1VS) des Underdrive-Planetenradsatzes mit der Getriebeeingangswelle ständig verbunden ist und an einer zweiten Welle (W2VS) des Underdrive-Planetenradsatzes das zweite Schaltelement (B) und das dritte Schaltelement (D) angebunden sind, und eine dritten Welle des Underdrive-Planetenradsatzes festgesetzt ist, wobei der zweite Leistungspfad (L2) ein direkter Antrieb ist.
Getriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Underdrive-Planetenradsatz (P1) als Minus-Radsatz ausgebildet ist, dessen Hohlrad (HO1) festgesetzt ist und dessen Sonnenrad (SO1) der Getriebeeingangswelle (4) ständig verbunden ist oder über ein siebentes Schaltelement (K1) verbindbar ist, wobei an seinem Steg (ST1) das dritte Schaltelement (D) und das zweite Schaltelement (B) angebunden sind.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (W1) des Hauptradsatzes (HRS) mit einem Sonnenrad (SO2) des ersten Einzelplanetenradsatzes (P2) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist, wobei die zweite Welle (W2) des Hauptradsatzes (HRS) mit einem Steg (ST2) des ersten Einzelplanetenradsatzes (P2) und einem Hohlrad (HO3) des zweiten Einzelplanetenradsatzes (P3) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist, wobei die dritte Welle (W3) des Hauptradsatzes (HRS) mit einem Hohlrad (HO2) des ersten Einzelplanetenradsatzes (P2) und mit einem Steg (ST3) des zweiten Einzelplanetenradsatzes (P3) des Hauptradsatzes verbunden ist, wobei die vierte Welle (W4) des Hauptradsatzes (HRS) mit einem Sonnenrad (SO3) des zweiten Einzelplanetenradsatzes (P3) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist.
Hybridantriebstrang für ein Kraftfahrzeug umfassend zumindest einen Verbrennungsmotor (1) und zumindest eine Elektromaschine (EM1), dadurch gekennzeichnet, dass er ein Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Hybridantriebstrang nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite mit dem Verbrennungsmotor direkt oder über ein Getriebe verbundene oder über zumindest ein achtes Schaltelement (K0) lösbar verbindbare Elektromaschine (EM2) vorzugsweise in Form eines Anlassers oder Starter-Generators vorgesehen ist.
Hybridantriebstrang nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektromaschine (EM2) über das achte Schaltelement (K0) mit dem Verbrennungsmotor lösbar verbindbar ist und über ein weiteres Schaltelement (K1) mit der Getriebeeingangswelle lösbar verbindbar ist.
Hybridantriebstrang nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Schaltelemente (A, B, C, D, E, F, K0, K1, U, V) durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sind, wobei vorzugsweise das erste Schaltelement (C) und das zweite Schaltelement (B) und/oder das dritte Schaltelement (D) und das vierte Schaltelement (E) und/oder das fünfte Schaltelement (A) und das sechste Schaltelement (F) und/oder das siebente Schaltelement (K0) und das achte Schaltelement (K1) jeweils durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sind.