DE102012216781A1

DE102012216781A1 - Antriebstrang für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102012216781A1
Application number: DE201210216781
Authority: DE
Inventors: Holger Witt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebstrang mit einem Hauptantrieb, mit erster und zweiter Elektromaschine (A, B), mit erstem und zweitem Schaltgetriebe und mit einem Abtrieb, wobei der Hauptantrieb über das erste Summiergetriebe mit der ersten Elektromaschine (A) und über das zweite Summiergetriebe mit der zweiten Elektromaschine (B) zur mechanischen Drehmomentübertragung verbunden sind, indem jeweils eine der Elektromaschinen und eines der Summiergetriebe dabei ein Modulationsgetriebe bilden, das einerseits mit dem Hauptantrieb und andererseits mit einem der Schaltgetriebe verbunden ist, wobei das erste Summiergetriebe über das erste Schaltgetriebe und das zweite Summiergetriebe über das zweite Schaltgetriebe mit dem Abtrieb verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebstrang für Fahrzeuge mit einer im Wesentlichen stufenlosen Übersetzung unabhängig von der übertragenen Leistung.
Bei einigen Fahrzeugen, beispielsweise bei Diesel-Lokomotiven oder Schwerlastfahrzeugen (z.B. Muldenkipper für Minen), erfolgt eine Leistungsübertragung zwischen einem Hauptantriebsmotor und den Abtriebsräder nicht mechanisch sondern über E-Maschinen. Der Hauptantriebsmotor treibt dabei eine E-Maschine an, welche als Generator dient, wobei mit dem Strom dieses Generators weitere E-Maschinen angetrieben werden, welche dann die Antriebsräder antreiben. So erfolgt bei Diesellokomotiven die Leistungsübertragung mittels eines Leonardsatzes, wobei die gesamte mechanische Leistung in einem Generator in elektrische umgewandelt wird und in einem weiteren Elektromotor erneut in mechanische Energie zurück umgewandelt wird. Vorteile derartiger Antriebssysteme sind ein hohes Antriebsmoment ab dem Stillstand, eine unendliche Spreizung der Übersetzung zwischen Hauptantrieb und den Abtriebsrädern und eine unterbrechungsfreie Drehmomentübertragung vom Stillstand bis zur Höchstgeschwindigkeit. Außerdem kann auf ein mechanisches Getriebe vollständig verzichtet werden. Allerdings weisen derartige Antriebssysteme einen schlechteren Wirkungsgrad aufgrund der Umwandlung der gesamten mechanischen Leistung in elektrische Leistung und wieder zurück in mechanische Leistung auf. Weiterhin müssen Generator und Motor sowie Steuer- und Leistungselektronik für die maximale Leistung ausgelegt werden, damit diese die gesamte mechanische Leistung (auch bei verschiedenen Betriebspunkten und Übersetzungsverhältnissen) übertragen können.
Andere bekannte Lösungsansätze für eine kontinuierliche Veränderung des Übersetzungsverhältnisses haben meistens einen niedrigen Wirkungsgrad (z.B. hydraulische CVT) oder sind in der maximal übertragbaren Leistung begrenzt (z.B. CVT mit Kegelscheiben). Lösungsansätze, welche leistungsstarke E-Maschinen benötigen, weisen jedoch merkliche Nachteile auf, da die sich hieraus ergebenden Kosten mit der KW Leistung für die E-Maschinen steigen. Die KW Leistung der E-Maschinen bedingt außerdem die KW Vorgabe der Leistungselektronik und die Leistungsstärke der Batterie, wodurch weitere Kostensteigerungen entstehen. Eine Reduzierung der elektrischen Leistung ergibt daher eine deutliche Reduktion der Kosten. Ein Lösungsansatz kann hier die Verwendung von Fremderregten Gleichstrommaschinen sein, da hier die Leistungselektronik deutlich kleiner ausgelegt werden und somit die Kosten reduziert werden können.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Antriebstrang mit einer im Wesentlichen stufenlosen Übersetzung unabhängig von der übertragenen Leistung anzugeben, mit dem eine weitgehend kontinuierliche Drehzahlvariation und ein hohes Antriebsmoment ab dem Stillstand ohne die Notwendigkeit einer mehrfachen Umwandlung der gesamten übertragenen Leistung und den damit verbundenen Verlusten anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Antriebstrang mit einem Hauptantrieb, mit erster und zweiter Elektromaschine, mit erstem und zweitem Summiergetriebe und mit einem Abtrieb, wobei der Hauptantrieb über das erste Summiergetriebe mit der ersten Elektromaschine und über das zweite Summiergetriebe mit der zweiten Elektromaschine zur mechanischen Drehmomentübertragung verbunden sind, und wobei das erste Summiergetriebe über ein erstes Schaltgetriebe und das zweite Summiergetriebe über ein zweites Schaltgetriebe mit dem gemeinsamen Abtrieb verbunden sind. Jeweils eine der Elektromaschinen und eines der Summiergetriebe bilden dabei ein Modulationsgetriebe, das einerseits mit dem Hauptantrieb und andererseits mit einem der (vorzugsweise automatisiert betätigbaren) Schaltgetriebe verbunden ist.
Die Ausgangsdrehzahlen der Summiergetriebe sind hierbei jeweils proportional zur Drehzahl des Hauptantriebes und zur Drehzahl der jeweilig zugehörigen E-Maschine. Bei konstanter Drehzahl des Hauptantriebes kann somit die Ausgangsdrehzahl der Summiergetriebe durch die Drehzahl der E-Maschinen variiert („moduliert“) werden. Der Lösungsansatz besteht also aus zwei Modulationsgetrieben in Verbindung mit zwei Schaltgetrieben, so dass sich die elektrische Leistung auf die Modulationsleistung reduziert und der Großteil der Gesamtleistung mit einem hohen Wirkungsgrad rein mechanisch übertragen wird. Dabei können durch eine geeignete Ansteuerung der Elektromotoren die Leistungsverteilung auf die beiden Schaltgetriebe und auch das effektive Übersetzungsverhältnis gesteuert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Antriebstrang können daher eine unendliche Spreizung, ein hohen Antriebsmoment vom Stillstand aus und eine unterbrechungsfreie Drehmomentübertragung mit kleineren und kostengünstigeren E-Maschinen mit einer geringeren Verlustleistung der E-Maschinen realisiert werden. Dabei können die Gangabstufungen der Schaltgetriebe so gewählt werden, dass sich die Modulationsbereiche miteinander überlagern.
Dabei können die Summiergetriebe jeweils als Planetengetriebe mit Sonnenrad, Hohlrad, Planetenrädern und Planetenradträger ausgebildet sein, wobei das Sonnenrad jeweils mit dem zugehörigen Elektroantrieb und das Hohlrad jeweils mit dem Hauptantrieb zur mechanischen Drehmomentübertragung verbunden sind, und wobei der Abtrieb der Summiergetriebe jeweils über den Planetenträger erfolgt. Aber auch andere Ausführungen der Summiergetriebe können eingesetzt werden.
Weiterhin kann der Hauptantrieb mit einer weiteren Elektromaschine verbunden sein. Diese weitere E-Maschine kann dann sowohl als Generator als auch als Motor eingesetzt werden, abhängig vom Betriebspunkt und den aktuellen Anforderungen. Diese weitere E-Maschine ermöglicht z.B. einen Boostbetrieb oder die Modulation (Variation der effektiven Übersetzung) bei nur einem aktiven Getriebestrang. Diese weitere E-Maschine verbessert die Dynamik und den Fahrkomfort und reduziert den notwendigen Drehzahlbereich der E-Maschinen. Bei einem ausreichenden Energiespeicher, können alle drei E-Maschinen für Hybridfunktionen eingesetzt werden (rein elektrisches Fahren, Boostbetrieb, Rekuperation von Bremsenergie, etc.).
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Momentenübertragung und Übersetzungen über die beiden Schaltgetriebe so ausgelegt, dass bei jeweils alternierender Verwendung eines Ganges zwischen den beiden Getrieben A bzw. B das Übersetzungsverhältnis von minimal bis maximal schrittweise variiert werden kann, wobei sich die Modulationsbereiche der aufeinander folgenden Gangabstufungen sich jeweils zumindest teilweise überlagern. Wie weit sich die Modulationsbereiche in den einzelnen Betriebspunktes des Gesamtsystems überlagern ist abhängig von der Auslegung des Gesamtgetriebes.
Aufgrund von Anforderungen des Bauraumes und/oder um den Drehzahl- und Drehmomentbereich der E-Maschinen zu optimieren, können die Elektromaschinen über zusätzliche Zahnradstufen angebunden werden. Weiterhin können die beiden Schaltgetriebe parallel zueinander oder in Reihe (beispielsweise entlang einer Hohlwelle und einer normalen Welle), und ggf. auch geschachtelt ineinander angeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Antriebstranges,
2 eine weitere detaillierte Prinzipdarstellung des Ausführungsbeispieles nach 1,
3 ein Diagramm, in welchem Drehzahlen, Drehmomente und Leistungswerte der E-Maschinen „A“ und „B“ in Abhängigkeit des aktuell effektiven Übersetzungsverhältnisses dargestellt sind, wobei hier die Funktion ohne weitere (=dritte) E-Maschine C (M.c und P.c sind gleich 0%) und ohne Energieaustausch mit einer externen Energiequelle und ohne Verluste dargestellt ist,
4 ein Diagramm entsprechend 3, jedoch mit zusätzlicher (dritter) E-Maschine „C“. Der allgemeine Aufbau ist aus dem Block-Schema gemäß 1 ersichtlich.
Der Hauptantrieb (z.B. Dieselmotor) treibt die Summiergetriebe A und B sowie eine (optionale) E-Maschine C an. Die Ausgangsdrehzahl der Summiergetriebe ist proportional zur Drehzahl des Hauptantriebes und zur Drehzahl der jeweiligen E-Maschinen „A“ und „B“. Bei konstanter Drehzahl des Hauptantriebes kann somit die Ausgangsdrehzahl der Summationsgetriebe durch die Drehzahl der E-Maschinen A, B variiert („moduliert“) werden.
Die Summiergetriebe können zum Beispiel durch Planetengetriebe realisiert werden, wobei z.B. der Hauptantrieb das Hohlzahnrad und die E-Maschinen das Sonnenrad antreiben, während der Abtrieb über die Planetenräder erfolgt.
Die Momentenübertragung und Übersetzungen der Schaltgetriebe „A“ und „B“ sind so ausgelegt, dass bei jeweils alternierender Verwendung eines Ganges des Getriebes A bzw. B das Übersetzungsverhältnis von minimal bis maximal schrittweise variiert werden kann, wobei die Modulationsbereiche der aufeinander folgenden Gangabstufungen sich jeweils zumindest teilweise überlagern. Wie weit sich die Modulationsbereiche in den einzelnen Betriebspunktes des Gesamtsystems überlagern ist abhängig von der Auslegung des Gesamtgetriebes.
Die weitere E-Maschine C und der elektrische Energiespeicher sind je nach Ausführung des Gesamtsystems nicht zwingend erforderlich.
Das Blockdiagramm gemäß 1 ist in der Prinzipdarstellung gemäß 2 beispielhaft mit weiteren Details ausgeführt:
Aufgrund von Anforderungen des Bauraumes und/oder um den Drehzahl- und Drehmomentbereich der E-Maschinen zu optimieren, können die E-Maschinen über zusätzliche Zahnräder angebunden werden.
Die beiden Schaltgetriebe können auch in Reihe (z.B. entlang einer Hohlwelle und einer normalen Welle) angeordnet werden, wobei dann die Möglichkeit zur doppelten Verwendung einzelner Zahnräder entfällt.
Aufgrund der gemeinsamen Ausgangsdrehzahl am Abtrieb sowie der gemeinsamen (Eingangs-)Drehzahl des Hauptantriebes, die an beiden Getriebesträngen „A“ und „B“ parallel anliegen, müssen die unterschiedlichen Übersetzungen der beiden Getriebestränge über die Summiergetriebe und geeigneter Ansteuerung der E-Maschinen kompensiert werden. Das hierfür erforderliche Steuer bzw. Regelstrategie beruht im Wesentlichen darauf, dass:

– die E-Maschine im Getriebestrang mit der momentan höheren Übersetzung (größere Drehzahl an der Eingangswelle des Schaltgetriebes im Verhältnis zur Drehzahl am Abtrieb) „vorwärts“ läuft und mittels des Summiergetriebes die Eingangsdrehzahl des Schaltgetriebes des entsprechenden Getriebestranges erhöht, und dass
– die E-Maschine im Getriebestrang mit der momentan niedrigeren Übersetzung „rückwärts“ läuft und mittels des Summiergetriebes die Eingangsdrehzahl des Schaltgetriebes des entsprechenden Getriebestranges reduziert.

Da beide E-Maschinen ein positives Moment erzeugen, werden eine E-Maschine im Generatorbetrieb und die andere E-Maschine im Motorbetrieb betrieben. Die Drehmomente werden hierbei so eingestellt, dass die Leistungsaufnahme der E-Maschine im Motorbetrieb der Leistungsabgabe der E-Maschine im Generatorbetrieb entspricht.
Über die Ansteuerung der Drehmomente der beiden E-Maschinen kann ein elektrischer Leistungsüberschuss oder die Aufnahme zusätzlicher elektrischer Leistung gesteuert werden, wodurch Verluste kompensiert oder Energie mit einer externen Energiequelle bzw. Senke ausgetauscht werden kann (z.B. Aufladen einer Batterie, Boost-Betrieb, Starten des Hauptantriebes oder Anbindung der E-Maschine „C“). Zwecks Vereinfachung der Darstellung wurde dies im folgendem aber nicht immer im Einzelnen beschrieben.
Die Drehmomente beider E-Maschinen ergeben die notwendigen Drehmomente für die Summiergetriebe, um zusammen das Drehmoment des Hauptantriebes in den Summiergetrieben gegenzuhalten.
Aufgrund der unterschiedlichen Drehmomente, die über die Getriebestränge „A“ und „B“ übertragen werden (eingestellt über die Drehmomente der E-Maschinen „A“ und „B“), zusammen mit dem jeweils unterschiedlichen Übersetzungsverhältnis in den Schaltgetrieben „A“ und „B“ ergibt sich eine effektive Übersetzung des Gesamtgetriebes, welche kontinuierlich zwischen den festen Übersetzungsverhältnissen der Schaltgetriebe „A“ und „B“ variiert werden kann. Dies soll nachfolgend anhand einer Beispielrechnung und Diagrammen erläutert werden.
Die folgenden Berechnungen und Diagramme beruhen aus Vereinfachungsgründen darauf, dass eine geometrische Gangabstufung mit einer konstanten Abstufung von 1,41 je Gang vorliegt, wodurch sind bei insgesamt 6 Gängen eine Gesamtspreizung von 5,6 ergeben würde. Allerdings ist dies nur als ein mögliches Beispiel zu verstehen, da speziell bei den niedrigen Gängen (mit hohem Übersetzungsverhältnis) bei einem realen Getriebe die Gangabstufung größer gewählt werden kann, da in diesen Gängen der Hauptantrieb nicht den vollen Drehzahlbereich ausnutzen wird. Bei niedrigeren Drehzahlen des Hauptantriebes überlappen sich die Modulationsbereiche der einzelnen Gänge stärker, so dass diese stärkere Überlappung für eine größere Gangabstufung genutzt werden kann, so dass die Gesamtspreizung bei gleicher Anzahl der Gänge größer als 5,6 ausgeführt werden kann. Weiterhin ist die Wahl des Übersetzungsbereiches willkürlich für die Darstellung festgelegt worden. Bei einem realen Einsatz muss dieses in Abhängigkeit des Anwendungsfalles (z.B. Art des Fahrzeuges, etc) ausgelegt werden. Außerdem wird für diese Beispielsrechnung davon ausgegangen, dass keine Verluste im System entstehen und kein Energieaustausch mit einem externen Energiespeicher vorgesehen ist (außer wenn speziell angegeben). Zudem wird davon ausgegangen, dass der Hauptantrieb ein maximales Drehmoment von 200 Nm hat und sein Leistungsmaximum bei ca. 6000 U/min erreicht.

Weiterhin sind zur konzentrierteren Darstellung Abkürzungen verwendet, welche in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt sind:

Kürzel	Bedeutung	Kürzel	Bedeutung
n.Mot	Drehzahl des Hauptan triebes
M.Mot	Drehmoment des Hauptantriebes
P.Mot	Leistung des Hauptan triebes
n.Out	Drehzahl der Getriebe Ausgangswelle.
M.Out	Drehmoment an der Getriebe Ausgangswel le
P.Out	Leistung an der Getrie be Ausgangswelle
n.a	Drehzahl der E-Maschine im Getriebestrang „A“	n.a.%	Wie n.a jedoch als Prozent wert der momentanen Dreh zahl des Hauptantriebes (n.Mot)
M.a	Drehmoment der E-Maschine im Getriebe strang „A“	M.a.%	Wie M.a jedoch als Prozent wert der momentanen Dreh zahl des Hauptantriebes (M.Mot).
P.a	Leistung der E-Maschine im Getriebestrang „A“	P.a.%	Wie P.a jedoch als Prozent wert der momentanen Leis tung des Hauptantriebes (P.Mot).
ü.a	Übersetzungsverhältnis aufgrund der Gangwahl im Getriebestrang „A“.
n.b	Drehzahl der E-Maschine im Getriebestrang „B“	n.b.%	Wie n.b jedoch als Prozentwert der momentanen Drehzahl des Hauptantriebes (n.Mot)
M.b	Drehmoment der E- Maschine im Getriebestrang „B“	M.b.%	Wie M.b jedoch als Prozentwert der momentanen Drehzahl des Hauptantriebes M.Mot).
P.b	Leistung der E-Maschine im Getrie- bestrang „B“	P.b.%	Wie P.b jedoch als Prozentwert der momentanen Leistung des Hauptantriebes (P.Mot).
ü.b	Übersetzungsverhältnis aufgrund der Gangwahl im Getriebestrang „B“.
n.c	Drehzahl der E- Maschine „C“
M.c	Drehmoment der E-Maschine „C“	M.c.%	Wie M.c jedoch als Prozentwert der momentanen Drehzahl des Hauptantriebes M.Mot).

Zunächst soll die Veränderung des Übersetzungsverhältnisses, bei einem Antriebssystem ohne die E-Maschine „C“ betrachtet werden. 3 zeigt ein Diagramm, in welchem Drehzahlen, Drehmomente und Leistungswerte der E-Maschinen „A“ und „B“ in Abhängigkeit des aktuell effektiven Übersetzungsverhältnisses dargestellt sind, wobei hier die Funktion ohne E-Maschine C (M.c und P.c sind gleich 0%) und ohne Energieaustausch mit einer externen E-nergiequelle dargestellt ist.
Für die folgende Beschreibung wird vom Betriebspunkt im Diagramm gemäß 3 mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis von 3 ausgegangen („Pkt 1“).
Es herrscht folgende Ausgangssituation:
Der Getriebestrang „A“ hat ein Übersetzungsverhältnis von 2,5 (grüner Punkte-Verlauf im Diagramm) und der Getriebestrang „B“ ein Übersetzungsverhältnis von 3,5 (roter Punkte-Verlauf)
Beide Getriebestränge „A“ und „B“ übertragen ca. 50% des Drehmomentes da beide E-Maschinen ca. 50% des Drehmomentes des Hauptantriebes als Gegenmoment für die Summiergetriebe erzeugen (dünne durchgezogene Linien).
Die E-Maschine „A“ läuft „rückwärts“ (dicke grüne durchgezogene Linie im Diagramm) und reduziert / moduliert die Drehzahl des Hauptantriebes, so dass sich für das Schaltgetriebe „A“ eine niedrigere Eingangsdrehzahl ergibt.
Die E-Maschine „A“ befindet sich im Generatorbetrieb und erzeugt elektrische Energie (negative Leistungsaufnahme im Diagramm – grüne gestrichelte Linie).
Die E-Maschine „B“ läuft „vorwärts“ und erhöht / moduliert die Drehzahl des Hauptantriebes, so dass sich für das Schaltgetriebe „B“ eine höhere Eingangsdrehzahl ergibt (dicke rote durchgezogene Linie im Diagramm).
Die E-Maschine „B“ befindet sich im Motorbetrieb und „verbraucht“ die elektrische Energie die von der E-Maschine „A“ erzeugt wird (positive Leistungsaufnahme im Diagramm – rote gestrichelte Linie).
Um das Übersetzungsverhältnis zu verringern (verschieben des Betriebspunktes im Diagramm nach links – Richtung „Pkt 2“) erfolgt folgender Ablauf:
Das Drehmoment der E-Maschine „A“(grüne dünne durchgezogene Linie) wird sukzessive gesteigert und im gleichen Maße das Drehmoment der E-Maschine „B“ verringert.
Mit steigendem effektivem Übersetzungsverhältnis des Gesamtsystems wird die absolute Drehzahl der E-Maschine „A“ verringert, so dass sich die Drehzahl am Eingang des Schaltgetriebes „A“ immer mehr der Drehzahl des Hauptantriebes annähert.
Gleichzeitig wird die absolute Drehzahl der E-Maschine „B“ erhöht, so dass die Drehzahl am Eingang des Schaltgetriebes „B“ ebenfalls erhöht wird.
Bei Erreichen von „Pkt 2“ ist die absolute Drehzahl der E-Maschine „A“ annähernd gleich „0“. Das gesamte Drehmoment des Hauptantriebes wird über den Getriebestrang „A“ übertragen. Die E-Maschine „B“ erreicht gleichzeitig ihre maximale Drehzahl, überträgt jedoch fast kein Drehmoment mehr. Das Schaltgetriebe „B“ kann nun „Kraftfrei“ in den Leerlauf geschaltet werden, ohne das die Drehmomentübertragung vom Hauptantrieb zur Getriebeausgangswelle beeinflusst wird.
Der Energieaustausch zwischen den E-Maschinen „A“ und „B“ ist annähernd null.
Nach dem Schalten in den Leerlauf des Schaltgetriebes „B“ wird die E-Maschine „B“ zuerst bis auf „0“ abgebremst und dann rückwärts beschleunigt, bis die resultierende Drehzahl am Ausgang des Summiergetriebes „B“ ein synchronisiertes Einlegen des nächsten Ganges im Schaltgetriebe „B“ ermöglicht.
Für ein weiteres Verringern des Übersetzungsverhältnisses beginnt nun die E-Maschine „B“ im Generatorbetrieb ein immer größeres Drehmoment zu erzeugen, so dass der Getriebestrang „B“ nun wieder einen Teil des Gesamtdrehmomentes des Hauptantriebes überträgt. Die E-Maschine „A“ wechselt vom Generatorbetrieb in den Motorbetrieb wobei das erzeugte Drehmoment der E-Maschine „A“ reduziert wird, so dass sich der Anteil des im Getriebestrang „A“ übertragenen Drehmoments reduziert.
Die absolute Drehzahl der E-Maschine „B“ wird mit geringer werdender Gesamtübersetzung reduziert, während die Drehzahl der E-Maschine „A“ erhöht wird.
Während der Zeitspanne in der das Schaltgetriebe „B“ im Leerlauf geschaltet ist, bleibt das Übersetzungsverhältnis des Gesamtgetriebes konstant (gleich dem Übersetzungsverhältnis des Getriebestranges „A“). Um diese Zeitspanne möglichst kurz zu halten, sollte die Synchronisierung möglichst schnell erfolgen.
Das Abbremsen und erneutes Beschleunigen der E-Maschine „B“ erfordert einen Energieaustausch mit entweder einer externen Quelle (z.B. E-Maschine „C“ oder Batterie) oder kann auch über die E-Maschine „A“ erfolgen. Bei einem Energieaustausch mit der E-Maschine „A“ erzeugt dies einen kurzen Boost- und dann einen kurzen Verzögerungseffekt, so dass für diesen Fall die Beschleunigungen der E-Maschine möglichst sanft ablaufen sollen.
Es muss daher ein Kompromiss gesucht werden zwischen Schaltzeit / Synchronisierungszeit und Energieaustausch mit den anderen E-Maschinen oder die gesamte Energie für die Synchronisation des Getriebestranges „B“ muss über einen externen Energiespeicher abgedeckt werden.
Um das Übersetzungsverhältnis zu erhöhen erfolgt obiger Ablauf in entsprechend umgekehrter Folge.
Nunmehr soll die Veränderung des Übersetzungsverhältnisses, bei einem Antriebssystem mit zusätzlicher E-Maschine „C“ betrachtet werden. Mit einer zusätzlichen E-Maschine „C“ kann die maximale Drehzahl der E-Maschinen „A“ und „B“ reduziert werden und weiterhin der Übergang beim Schalten der Schaltgetriebe kontinuierlicher erfolgen. Speziell ist die Zeitspanne während der sich einer der beiden Schaltgetriebe im Leerlauf befindet unkritisch, da diese Zeitspanne mittels der E-Maschine „C“ überbrückt wird. Im nachfolgend diskutierten Diagramm gemäß 4 sind vergleichbar zum Diagramm gemäß 3 die Drehmomente, Drehzahlen, Leistungen und Übersetzungsverhältnisse dargestellt (als Prozentwerte vom Hauptantrieb).
Im Bereich zwischen „Pkt 1-2“ und „Pkt 1-3“ sind Funktion und Ablauf identisch mit der Darstellung ohne E-Maschine „C“, so dass der Fokus auf den Bereich „Pkt 1-2“ bis „Pkt 2-4“ gelegt wird. Bei Erreichen des „Pkt 1-2“ (kommend von „Pkt 1“) beginnt die E-Maschine „C“ den Hauptantrieb zu unterstützen und erzeugt ein zusätzliches Drehmoment parallel zum Hauptantrieb. Die Energie hierfür wird von der E-Maschine „A“ bezogen. Gleichzeitig wird das Drehmoment der E-Maschine „B“ reduziert und das Drehmoment der E-Maschine „A“ erhöht, so dass die Gesamtenergiebilanz aus allen 3 E-Maschinen Null bleibt. Die Übersetzung des Gesamtsystems wird hierdurch ebenfalls nicht beeinflusst.
Im Diagramm sind die Veränderungen von Drehzahl und Drehmoment sprungartig dargestellt. Bei einer realen Auslegung des Getriebes wird ein Übergangbereich (um den Pkt 1-2 herum) realisiert in dem die Drehmomente und Drehzahlen kontinuierlich angepasst werden.
Die E-Maschine „B“ kann somit ab dem „Pkt 1-2“ bis zum „Pkt 2-4“ aus der Drehmomentübertragung abgekoppelt werden. Die kontinuierliche Veränderung der Gesamtübersetzung erfolgt über die Modulation der Eingangsdrehzahl zum Schaltgetriebe „A“ mittels der E-Maschine „A“ und der Überlagerung des Drehmomentes der E-Maschine „C“ zum Drehmoment des Hauptantriebes.
Der für die Drehzahl-Modulation benötigte Energiebedarf oder Energieüberschuss der E-Maschine „A“ (bzw. „B“ im Bereich zw. „Pkt 1-3“ und „Pkt 3-5“) wird mittels der E-Maschine „C“ abgedeckt. Bei einer größeren Übersetzung des Gesamtgetriebes im Vergleich zur festen Übersetzung des Getriebestranges „A“ unterstützt die E-Maschine „C“ das Drehmoment des Hauptantriebes (Motorbetrieb im Bereich zwischen „Pkt 1-2“ und „Pkt 2“) und bzw. nimmt die E-Maschine „C“ im Generatorbetrieb einen Teil des Drehmomentes des Hauptantriebes auf (Generatorbetrieb Bereich zwischen „Pkt 2“ und „Pkt 2-4“).
Nachfolgend wird eine Anfahrstrategie für das Beschleunigen des Fahrzeuges aus dem Stillstand heraus beschrieben. Für das Beschleunigen des Fahrzeuges aus dem Stillstand heraus bieten sich grundsätzlich zwei Varianten an:

1. Anfahren, wobei die gesamte Antriebsleistung aus dem Hauptantrieb geliefert wird. Es erfolgt kein Energieaustausch mit externen elektrischen Energiequellen oder Senken.
2. Anfahren mit Hilfe einer elektrischen Energiequelle. Dies ermöglicht das rein elektrische Anfahren bei abgeschaltetem Hauptantrieb (z.B. für Start-Stopp-Betrieb des Hauptantriebes) und gleichzeitiges Starten des Hauptantriebes.

Der Ablauf des Anfahrens ohne elektrische Energiequelle wird nachfolgend anhand dem in 5 gezeigten Diagramm erläutert. Am „Pkt 0“ steht das Fahrzeug und der Hauptantrieb läuft mit ca. Leerlaufdrehzahl. Für das Beschleunigen des Fahrzeuges aus dem Stillstand heraus wird ein unendliches Übersetzungsverhältnis benötigt.
Dies wird mit folgender Ansteuerung erreicht:
Beide E-Maschinen laufen „Rückwärts“, so dass die Ausgangsdrehzahl nach den Summiergetrieben gleich Null wird (trotz laufendem Hauptantrieb).
Für den einen Getriebestrang wird eine möglichst hohe Übersetzung (Drehzahl Hauptantrieb / Drehzahl Getriebe-Ausgangswelle) gewählt (im folgenden Strang „A“). Für den anderen Getriebestrang eine deutlich niedrigere Übersetzung (im folgenden Strang „B“).
Das Drehmoment wird aufgebracht, indem die E-Maschine „A“ ein positives Drehmoment aufbringt (Generatorbetrieb) und die E-Maschine „B“ ein negatives Drehmoment (Motorbetrieb).
Da die E-Maschine „B“ durch das negative Drehmoment den Hauptantrieb unterstützt, wird der Hauptantrieb nur mit einem geringen Moment belastet.
Aufgrund der stark unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse der Schaltgetriebe „A“ und „B“ steht ein hohes Drehmoment am Ausgang des Getriebes zur Verfügung.
Aufgrund der gegenseitigen Abstützung der beiden E-Maschinen über den Getriebeausgang und der begrenzten Leistung der E-Maschinen kann je nach Auslegung im Anfahrbetrieb nur ein Teil des maximalen Drehmomentes effektiv zur Fahrzeugbeschleunigung zur Verfügung stehen. Falls notwendig müsste dieses reduzierte Eingangsdrehmoment ins Getriebe durch ein höheres Übersetzungsverhältnis der niedrigen Gänge kompensiert werden.
Bis zum „Pkt 1“ wird der Hauptantrieb stark beschleunigt um möglichst schnell einen Betriebspunkt zu erreichen bei dem der Hauptantrieb ein hohes Moment erzeugen kann. Da der Hauptantrieb nur mit einem geringen Moment belastet wird, steht ein Großteil seines eigenen Antriebmomentes hierfür zur Verfügung. Da die Drehzahl am Getriebeausgang deutlich langsamer steigt, müssen die E-Maschinen entsprechen „rückwärts“ beschleunigen (erhöhen der negativen Modulation).
Ab dem „Pkt 1“ beschleunigt der Hauptantrieb deutlich langsamer. Mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit wird die Modulation durch die E-Maschinen reduziert und das effektive Übersetzungsverhältnis nähert sich dem Übersetzungsverhältnis des eingelegten Ganges mit der höchsten Übersetzung (n.Mot / n.Out).
Beim „Pkt 2“ entspricht das effektive Übersetzungsverhältnis dem Übersetzungsverhältnis des eingelegten Ganges mit der höchsten Übersetzung. Das übertragene Drehmoment im anderen Getriebezweig wird in diesem Punkt zu Null. Dieser Getriebezweig kann nun in den Gang geschaltet werden, entsprechend dem normalen Fahrbetrieb.
Indem beim „Pkt0“ die Vorzeichen der Momente der E-Maschinen „A“ und „B“ ausgetauscht werden, kann weiterhin ein negatives Übersetzungsverhältnis eingestellt werden. Z.B. für ein langsames Rückwärtsfahren mit begrenztem Drehmoment ohne Verwendung eines Rückwärtsganges.
Der Ablauf des Anfahrens mit elektrischer Energiequelle wird nachfolgend anhand dem in 6 gezeigten Diagramm erläutert. Das Anfahren mit elektrischer Hilfsenergie erfolgt ähnlich wie unter „Anfahren ohne elektrischer Energiequelle“. Im Gegensatz zu den bisherigen Diagrammen entspricht die X-Achse aber nicht dem effektiven Übersetzungsverhältnis sondern der Zeitachse.
Beim „Pkt 0“ stehen alle Antriebe (Hauptantrieb und die E-Maschinen). Im Schaltgetriebe „A“ ist ein Gang mit möglichst hoher Übersetzung eingelegt. Im Schaltgetriebe „B“ ist ein Gang mit möglichst niedriger Übersetzung eingelegt (Getriebe-Eingangsdrehzahl möglichst niedrig im Vergleich zur Getriebe-Ausgangsdrehzahl). Die E-Maschine „A“ erzeugt ein positives Drehmoment. Die E-Maschine „B“ erzeugt ein negatives Drehmoment um den Hauptantrieb abzustützen, so dass der Hauptantrieb keine Belastung mit einem Drehmoment erfährt. Aufgrund der unterschiedlichen Übersetzungen in den beiden Getriebesträngen ergibt sich am Getriebeausgang ein positives Drehmoment um das Fahrzeug anzutreiben.
Sobald der Hauptantrieb gestartet werden soll, wird das negative Drehmoment der E-Maschine „B“ deutlich gegenüber der E-Maschine „A“ erhöht, so dass am Hauptantrieb ein ausreichend hohes Drehmoment anliegt um den Hauptantrieb zu starten („Pkt 1).
Beim „Pkt2“ erreicht der Hauptantrieb eine ausreichende Drehzahl um gezündet zu werden. Sobald der Hauptantrieb ein ausreichendes Drehmoment erzeugt, kann das erhöhte Drehmoment der E-Maschine „B“ wieder reduziert werden. In obiger Beispielrechnung wurde der Vereinfachung wegen das Drehmoment der E-Maschine „B“ linear bis Erreichen des „Pkt3“ reduziert.
Bei „Pkt3“ wird das Drehmoment der E-Maschine „B“ Null und es kann zum normalen Fahrbetrieb übergegangen werden.
Bei einer realen Auslegung wird der Hauptantrieb bereits zu einem früheren Zeitpunkt (zwischen „Pkt2“ und „Pkt3“) die gesamte notwendige Leistung erzeugen, so dass ab diesem Zeitpunkt wie beim Ablauf „Anfahren ohne elektrische Energiequelle“ übergegangen werden kann.
Mit dem vorliegenden Antriebstrang ist auch ein Boostbetrieb unter Verwendung von Energie aus einem Energiespeicher möglich. Zum einen bietet sich um im Fahrbetrieb den Hauptantrieb zu unterstützen und um das Antriebsmoment zu erhöhen einmal die klassische Vorgehensweise über die E-Maschine „C“ an. Zusätzlich kann ein Boostbetrieb aber auch über die E-Maschinen „A“ und „B“ erfolgen, indem das Drehmoment der E-Maschine, die sich im Motorbetrieb befindet, erhöht wird und im gleichen Maße das Drehmoment der anderen E-Maschine reduziert wird. Hierdurch überträgt der Getriebestrang mit der höheren Übersetzung einen höheren Anteil der Gesamtleistung, so dass sich das Ausgangsmoment bei gleichem Drehmoment des Hauptantriebes erhöht. Die hierfür zusätzliche elektrische Leistung für die E-Maschine im Motorbetrieb wird über einen elektrischen Energiespeicher abgedeckt.
Um den elektrischen Energiespeicher aufzuladen oder um die elektrischen Verluste zu kompensieren, wird genau umgekehrt verfahren. Das Drehmoment der E-Maschine im Generatorbetrieb wird erhöht und das Drehmoment der E-Maschine im Motorbetrieb wird reduziert.
Die im vorliegenden Antriebstrang vorgesehenen E-Maschinen „A“ und „B“ sollten folgende Eigenschaften aufweisen:

– Hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen der E-Maschine, so dass jeweils eine E-Maschine alleine das komplette Drehmoment des Hauptantriebes in den Summiergetrieben gegenhalten kann.
– Hohes Drehzahlvermögen bei reduziertem Antriebsmoment.

Die maximal notwendige Drehzahl der E-Maschine ergibt sich aus den Gangabstufungen und der maximalen Drehzahl des Hauptantriebes bei der ein jeder dieser Gänge geschaltet werden muss. Bei einer konstanten Gangabstufung ergibt sich die maximale Drehzahl der E-Maschine aus der Gangabstufung und der Drehzahl des Hauptantriebes bei maximaler Leistung, da es normalerweise nicht sinnvoll sein wird den Hauptantrieb bei einer höheren Drehzahl als der Drehzahl bei Leistungsmaximum zu betreiben.

– Das Leistungsmaximum der E-Maschinen liegt ca. bei 50% des maximalen Drehmomentes bei gleichzeitig ca. 50% der maximalen Drehzahl.
– Fähigkeit um als Motor und als Generator betrieben zu werden. Sowohl Drehzahl als auch Drehmoment müssen geregelt werden können.

In den Diagrammen gemäß 7 und 8 ist der Betriebsbereich für die E-Maschinen „A“ und „B“ vereinfacht für den Fall ohne Verluste und ohne Energieaustausch mit externen Quellen dargestellt. Bei diesem Rechenbeispiel wurde von einer konstanten Gangabstufung von 1,41 ausgegangen. Das erste Diagramm gemäß 7 zeigt das Drehmoment in Abhängigkeit der Drehzahl, das zweite Diagramm gemäß 8 die Leistungsaufnahme im Verhältnis der Drehzahl.
Für den Fall bei einer zusätzlichen E-Maschine „C“ ergeben sich die Diagramme gemäß den 9 und 10.
Um die Kosten für die Leistungselektronik gering zu halten, können die E-Maschinen „A“, „B“ und „C“ als Gleichstrommotoren mit Fremderregung ausgeführt werden. Die Anker der E-Maschinen werden in Reihe geschaltet, so dass die elektrische Leistung direkt zwischen den E-Maschinen ausgetauscht wird (wie bei einem Leonardsatz). Das gesamte System wird dann nur noch über die Felderregungen gesteuert. Die Leistungselektronik für die Steuerung der Motoren müsste dann nur für geringe Leistungen ausgelegt werden. Da sich das System bei eingestellten Erregerströmen weitestgehend selbständig regelt sind in diesem Fall auch die Anforderungen an die Dynamik der Leistungselektronik gering. Eine externe Energiequelle oder Senke würde ebenfalls in Reihe mit den Ankern der E-Maschinen über eine Leistungselektronik eingekoppelt. Diese Ausführung ist im folgenden Blockschaltbild gemäß 11 dargestellt.
Die verschleißbehafteten Kohlebürsten sollten derart ausgelegt werden, dass deren Wartungsintervalle mit den weiteren Wartungsintervallen des Fahrzeuges zusammenfallen.
Die Vorteile des vorliegenden Systems liegen in der stufenlosen Übersetzung durch Modulation der einzelnen Gänge und somit kontinuierlichem Übergang zwischen den Gängen mit kontinuierlicher Anpassung des Drehmomentes und einem sanften Übergang zwischen den Gängen. Aufgrund der kontinuierlichen Übersetzung und der großen Gesamtspreizung der Übersetzung kann der Hauptantrieb in der Nähe des Verbrauchoptimums betrieben werden. Es ergibt sich ein hohes Drehmoment ab dem Stillstand (d.h. gutes Anfahrverhalten und Kriechverhalten). Dabei können sowohl Kriechfahrten als auch das Anfahren aus dem Stillstand rein elektrisch (bei ausreichendem Energiespeicher), als Hybrid (mit Unterstützung durch die Elektromotoren) oder als reines CVT mit unendlicher Übersetzung (reine Modulation mittels der E-Maschinen) umgesetzt werden. Weiterhin ergibt sich ein eine unendliche Spreizung des Gesamtgetriebes von 0 (Modulation beim Anfahren und Kriechen) bis zum höchsten mechanischen Gang, wobei mit Einschränkungen auch eine negative Übersetzung möglich ist (z.B. als Rückwärtsgang). Die Übertragung / Regelung hoher mechanischer Leistungen erfolgt mit geringer elektrischer Regelleistung, wodurch nur ein geringer Aufwand für die Leistungselektronik notwendig wird. Weiterhin ergibt sich ein hoher Gesamtwirkungsgrad, da der größte Teil der Leistung wie bei einem Handschaltgetriebe rein mechanisch übertragen wird, nur ein geringer Teil der Leistung fließt für die Modulation über die E-Maschinen. Zudem kann das System für Fahrzeuge von kleiner bis größter Leistung eingesetzt werden, da dieses nicht aufgrund von Verlustleistungen oder Verschleiß eingeschränkt wird. Außerdem können die Funktionen von Anlasser, Generator, Kupplung und Synchronisierung der Zahnradpaare im Schaltgetriebe vom System ohne weitere Baugruppen erfüllt werden. Speziell für die Funktion des Anlassers steht ein ausreichendes Drehmoment zur Verfügung um einen Start-Stopp-Betrieb zu realisieren. Die Funktionen dieser Baugruppen können über die E-Maschinen „A“, „B“ und / oder „C“ übernommen werden. Hierdurch können die Kosten für die Summiergetriebe und E-Maschinen Teilweise kompensiert werden. Je nach Auslegung sind verschiedene Hybrid-Funktionen realisierbar:
Start-Stopp Betrieb des Hauptantriebes
Boosten des Hauptantriebes
Rekuperation von Bremsenergie
Betriebspunktverschiebung
Rein elektrisches Fahren.
Die Modulation kann weiterhin die Drehschwingungen vom Hauptantrieb dämpfen, indem die modulierenden E-Maschinen phasenverschoben zum Hauptantrieb ihre Drehzahl variieren.
Durch die Überlagerung der Drehzahlschwankungen des Hauptantriebes und der E-Maschinen im Summiergetriebe kann eine deutlich reduzierte Drehzahlschwankung am Ausgang des Summiergetriebes erreicht werden. Die phasenverschobene Drehzahlvariation der E-Maschinen erfolgt hierbei teilweise automatisch, wenn die E-Motoren mit konstantem Antriebsmoment angesteuert werden und nur ein geringes Trägheitsmoment aufweisen oder kann mittels gezielter Ansteuerung zusätzlich unterstützt werden. Mit dem vorliegenden System ist ein konstantes Abstufungsverhältnis über alle Gänge möglich (z.B. 1,4 bei einer elektrischen Leistung von 10 bis 15% der maximalen Motorleistung). Die allgemein geringere Stufung der hohen Gänge um den Wirkungsgrad bei Langstreckenfahrten zu optimieren ist nicht notwendig. Somit kann eine höhere Gesamtspreizung des Getriebes bei gleicher Anzahl der festen Gänge erreicht werden. Bei den unteren Gängen (z.B. 1. zum 2. Gang) kann die Abstufung der Gänge in größeren Schritten erfolgen, da nicht die volle Motorleistung benötigt wird. Mit dem vorliegenden System ist auch eine kurze Bauweise des Getriebes möglich, da sich die Getriebelänge verkürzt durch den Entfall der Synchronisierungsvorrichtungen. Durch die konstante Abstufung zwischen den Gängen können Zahnräder auf der Abtriebswelle doppelt verwendet werden, z.B. indem die Gangabstufung durch unterschiedliche Übersetzungen in den Summiergetrieben vorgehalten wird. Das vorliegende System weist zudem große Freiheitsgrade auf bei der Wahl der Anzahl und Abstufung der Gänge, Leistung der E-Maschinen und des Energiespeichers um verschiedene Funktionen zu realisieren oder um die Gesamtkosten des Systems zu optimieren. So können die E-Maschinen „A“ oder „B“ beim Fahren langer Strecken mit gleichbleibender Belastung gesperrt werden, so dass die Verluste durch die E-Maschinen vermieden werden können. Bei gesperrter E-Maschine „A“ oder „B“ können die E-Maschinen komplett abgeschaltet werden, da das Gegenmoment für die Summiergetriebe mechanisch über die Sperrung aufgebracht wird. Weiterhin kann der Hauptantrieb von den beiden Summiergetrieben abgekoppelt werden, wobei in diesem Fall der nun „freie“ Eingang zu den Summiergetrieben gesperrt wird. Dies ermöglicht z.B. bei Vorhandensein einer E-Maschine „C“ und eines ausreichenden Energiespeichers das rein elektrische Fahren und Zuschalten des Hauptantriebes bei Bedarf. Die E-Maschine „C“ dient dann lediglich zum Starten des Hauptantriebes, falls dieser während des elektrischen Fahrens abgeschaltet wird. Oder die E-Maschine „C“ erzeugt elektrische Leistung um die E-Maschinen „A“ und „B“ zu versorgen, so dass ein Fahren ohne mechanische Kopplung zum Hauptantrieb möglich wird, z.B. um ein Rückwärtsfahren ohne Rückwärtsgang zu ermöglichen.
Vorstehend wurde ein System zur kontinuierlichen Variation des Übersetzungsverhältnisses vorgestellt, welches folgende Vorteile bietet:

– Unendliche Spreizung des Übersetzungsverhältnisses. Mit Einschränkungen ist auch ein negatives Übersetzungsverhältnis möglich.
– Hohes Drehmoment ab dem Stillstand.
– Hoher Wirkungsgrad
– Keine prinzipbedingte Begrenzung der minimalen oder maximal übertragenen Leistung (z.B. Verlustleistung, Verschleiß, begrenzte Reibkräfte). Das System kann demnach von kleinsten Leistungen (z.B. Fahrrad, Motorroller) bis zu Systemen mit hoher Leistungen (Nutzfahrzeuge) eingesetzt werden.
– Baugruppen wie Anlasser, Lichtmaschine, Getriebesynchronisation, Kupplung und Rückwärtsgang können als eigenständige Baugruppen entfallen, da Ihre Funktionen bereits durch das System realisiert werden.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen kann jede der E-Maschinen „A“ und „B“ alleine das volle Drehmoment des Motors über das Summiergetriebe abstützen, wobei das erforderliche Drehmoment der E-Motoren selber stark abhängig von den Übersetzungen zwischen Hauptantrieb und E-Motoren ist. Alternativ oder kumulativ hierzu ist der Einsatz einer Bremse oder eines schaltbaren Freilaufs möglich, um die E-Maschinen kleiner auszulegen.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen ist ein rein elektrisches Anfahren möglich, wobei dann nur einer der E-Motoren ein positives Drehmoment erzeugt, der entsprechend andere erzeugt hingegen ein negatives Moment, so das das resultierende Drehmoment am Verbrenner gleich 0 wird.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen sollten die E-Maschinen für einen 4-Quadranten-Betrieb oder einen 3-Quadranten-Betrieb ausgelegt sein, bei dem Drehrichtung und Richtung des Drehmomentes voneinander unabhängig sind. Haben Drehbewegung und Drehmoment hierbei das gleiche Vorzeichen, so befindet sich die E-Maschine im Motorbetrieb; sind die Vorzeichen unterschiedlich, so befindet sich die E-Maschine im Generatorbetrieb (nimmt also mechanische Leistung auf und gibt elektrische Leistung ab).
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen gibt es zudem drei verschiedene Verfahren einen Dauerbetrieb bei Vmax (genauer: den Fall, dass der höchste Gang verwendet und über diesen Getriebestrang das gesamte Antriebsmoment übertragen wird) zu realisieren:

– Variante 1) Bei Vmax ist die Eingangsdrehzahl zum Schaltgetriebe etwas geringer als die Drehzahl des Verbrennungsmotors: Das bedeutet, dass die E-Maschine, die alleine das gesamte Drehmoment aufnimmt, mit geringer Drehzahl rückwärts dreht und somit sich im Generatorbetrieb befindet und die notwendige elektrische Leistung für die Erregerwicklung und weitere elektrische Verbraucher im KFZ erzeugt. Hierdurch reduziert sich Vmax durch die etwas geringere Eingangsdrehzahl ins Getriebe.
– Variante 2) Im Getriebestrang der bei Vmax kein Antriebsdrehmoment überträgt wird ein möglichst hoher Gang eingelegt: Da dieser Gang niedriger ist als der Gang für Vmax, ist die Eingangsdrehzahl des zugehörigen Getriebestranges höher als die Drehzahl des Hauptantriebes. Die entsprechende E-Maschine wird durch den Getriebestrang angetrieben und kann als Generator betrieben werden.
– Variante 3) Alternativ kann die E-Maschine, die das volle Motormoment abstützt, mit einer Verriegelung oder Bremse festgehalten werden: Die E-Maschine kann dann abgeschaltet werden. Um dennoch einen Generator für die weiteren elektrischen Verbraucher im KFZ zu haben, kann die andere E-Maschine über den nächst tieferen Gang im Schaltgetriebe als Generator betrieben werden. Das Vorgehen entspricht dann letztlich Variante 2, mit dem Unterschied, dass bei Variante 2 die E-Maschine das gesamte Moment im Summationsgetriebe gegenhalten muss.

Es sind Hybrid-Systeme mit Verbrenner, Planetengetriebe und zwei E-Maschinen bekannt, wobei eine der E-Maschinen mit dem Sonnenrad, der Verbrenner mit dem Planetenträger und die andere E-Maschine stromab des Hohlrades angeordnet ist. Diese Systeme funktionieren bereits in Serie, wo das vorstehend erläuterte System Vorteile gegenüber diesem bautechnisch sehr einfachen System aufweist:

1. Besserer Wirkungsgrad, da ein großer Teil der Motorleistung über die Elektromotoren übertragen wird (ca. 50% der Leistung wird elektrisch übertragen). Beim vorgeschlagenen Konzept hingegen näherungsweise ca. 10%.
2. Die E-Motoren und die Leistungselektronik müssen bei gleicher Leistung des Verbrennungsmotors für ca. 5× so hohe Leistung ausgelegt werden. Aktuell sind E-Maschinen und Leistungselektronik aber noch sehr teuer.

Gemäß einigen der vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele sind insgesamt drei Elektromotoren vorgesehen, d.h. zwei E-Maschinen als Teile der Summiergetriebe und eine weitere E-Maschine direkt angebunden an den Verbrenner. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist das kontinuierliche Übersetzungsverhältnis auch beim Schalten im Boostbetrieb ermöglicht. Ohne die weitere (dritte) E-Maschine kann ein Drehzahlverlust / Leistungsverlust des Verbrennungsmotors beim Beschleunigen mit Boot-Betrieb aufgrund Sprünge des Übersetzungsverhältnisses beim Schalten auftreten.
Gemäß einigen der vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele sind fremderregte Gleichstrommotoren vorgesehen. Die Leistungselektronik kann bei diesen Ausführungsbeispielen für deutlich geringere Leistung ausgelegt werden, da nur die Felderregung angesteuert und nur über eine Schnittstelle Leistung mit dem Energiespeicher ausgetauscht wird. Die Regelungsdynamik gestaltet sich ebenfalls einfacher, da das System sich regelungstechnisch stabil verhält. Gleichstrommotoren haben zudem einen höheren Wirkungsgrad. Außerdem können diese Systeme dann auch mit einer kleinen Batterie betrieben werden.
Gemäß einigen der vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele ist eine geometrische Gangabstufung vorgesehen. Aufgrund der geometrischen Gangabstufung können Zahnräder auf der Abtriebswelle doppelt verwendet werden. Es ergibt sich eine Reduzierung der Baulänge des Getriebes und eine Reduzierung der Kosten für Zahnräder.
Gemäß einigen der vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele ist ein elektrisches Rückwärtsfahren vorgesehen, so dass in diesen Ausführungen auf einen Rückwärtsgang im Getriebe verzichtet werden kann.
Gemäß einigen der vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele ist vorgesehen, dass die E-Maschinen die Synchronisation der Gänge übernehmen, so dass dann auf die Synchronisationseinrichtungen im Getriebe verzichtet werden kann, wodurch sich Bauraum- und Kostenvorteile realisieren lassen.
Gemäß einigen der vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele ist vorgesehen, dass die E-Maschinen Schwingungen passiv (über die Trägheit der E-Maschine) und/oder aktiv (über eine Ansteuerung des Drehmomentes phasenverschoben zum Verbrennungsmotor) dämpfen.
Die vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele können auch bei hohen Leistungen z.B. in Traktoren als Ersatz für CVT mit hydraulischen Komponenten, Nutzfahrzeugen oder Diesellokomotiven verwendet werden, wie nachfolgend ausgeführt.
LKW-Getrieben oder Getriebe für hohe Drehmomente erfordern breitere Zahnräder, um die Flächenpressung zwischen den Zahnflanken zu begrenzen. Die breiten Zahnräder führen zu einer hohen Baulänge des Getriebes. Um die breite der Zahnräder und somit die Baulänge des Getriebes zu reduzieren, wurden Getriebe mit 2 Vorgelegewellen entwickelt (z.B. Eaton Twin Splitter). Bei diesen Getrieben wird das Eingangsdrehmoment auf zwei Vorgelegewellen verteilt, welche gemeinsam die Abtriebswelle antreiben. Die Schwierigkeit bei diesem Lösungsansatz ist sicherzustellen, dass über beide Wellen ca. 50% des Drehmomentes übertragen wird. Dies muss über die Präzision der gefertigten Bauteile und weitere konstruktive Maßnahmen sichergestellt werden. Indem das vorstehend beschriebene doppelt-modulierte Schaltgetriebe um zumindest eine weitere Modulationseinheiten (E-Maschine und Summiergetriebe) und zugehörigen parallelen Antriebsstrang (ggf. auch um mehrere weitere Modulationseinheiten und parallele Antriebsstränge) erweitert wird, kann für jeden Betriebspunkt sichergestellt werden, dass jeder der Getriebestränge maximal ca. 50% des Drehmomentes überträgt. Aufgrund der Möglichkeit die Drehmomente je Getriebestrang mittels der E-Maschinen zu steuern entfällt die Problematik die Drehmomentaufteilung konstruktiv sicherzustellen (s. 12). Es ergibt sich dann ein zumindest 3-fach oder n-fach moduliertes Schaltgetriebe, welches die Vorteile eines 2-fach modulierten Schaltgetriebes mit der Reduzierung des maximalen Drehmomentes je Zahnradpaar verbindet, ohne der Notwendigkeit die Drehmomentverteilung konstruktiv vorzusehen. Theoretisch können beliebig viele parallele Getriebestränge realisiert werden. Aus Platzgründen und Kosteneffizienz wird dies wahrscheinlich auf 3 bis 4 parallele Stränge begrenzt bleiben.
Die Abstufung der einzelnen Gänge und die Verteilung auf die einzelnen Getriebestränge erfolgt vorzugsweise reihum. Wichtig ist, dass aufeinander folgende schaltbare Gänge auf unterschiedlichen Getriebesträngen liegen, so dass diese sich mittels der Modulation über die E-Maschinen überlappen können. Bei z.B. 3 Getriebestränge und 3 Gänge je Getriebestrang erhält vorzugsweise der Strang „A“ die Gänge 1, 4 und 7. Der Strang „B“ die Gänge 2, 5 und 8 und der Strang „C“ die Gänge 3, 6 und 9.
Um das übertragene Drehmoment je Zahnradpaar zu reduzieren, sind jeweils mindestens 2 Antriebstränge aktiv. Über die Drehmomente der E-Maschinen kann die Aufteilung der Drehmomente auf die einzelnen Getriebestränge gezielt gesteuert werden. Bei zum Beispiel 3 Getriebesträngen, kann zu jedem Zeitpunkt und bei jeder effektiven Übersetzung sichergestellt werden, dass über jeden einzelnen Antriebsstrang maximal ca. 50% des Motormomentes übertragen wird.
Für das Schalten wird immer der Getriebestrang mit dem Gang der am weitesten vom gewünschten effektiven Übersetzungsverhältnis entfernt ist kraftlos gesteuert und gemäß dem gewünschten effektivem Übersetzungsverhältnis in den entsprechenden Gang geschaltet.
Bei 3 parallelen Getriebesträngen ist z.B. der optimale Zeitpunkt zum Schalten, wenn das effektive Übersetzungsverhältnis ca. mittig zwischen den nicht zu schaltenden aktiven Gängen liegt. Bei diesem Betriebspunkt kann sichergestellt werden, dass die aktiven Gänge jeweils ca. 50% des Antriebsmomentes übertragen während der dritte Getriebestrang kein Drehmoment überträgt. Dieser kann dann ohne die Zugkraft zu unterbrechen in den gewünschten Gang geschaltet werden.
Weiterer Vorteil ist, dass das maximal notwendige Drehmoment je E-Maschine ebenfalls ca. halbiert werden kann, wobei die maximale Leistung je E-Maschine bei 3 Getriebesträngen weiterhin abhängig von der Gangabstufung ist.
Die Reduzierung der maximal notwendigen Drehmomente je E-Maschine dürfte sich positiv auf die Kosten auswirken. Dies widerspricht zwar der „Faustformel“ dass die Kosten je KW elektrischer Leistung ca. 70 Euro betragen, ist jedoch technisch sinnvoll, da bei einer Halbierung des maximalen Drehmomentes der E-Maschine z.B. der notwendige magnetische Fluss sich ebenfalls halbiert.
Die einzelnen Getriebestränge können auf dem Umfang der Abtriebswelle verteilt werden, so dass alle Getriebestränge eine gemeinsame Abtriebswelle teilen und somit auch gemeinsam einzelne Zahnräder auf der Abtriebswelle nutzen können. Bei einem 4-fach modulierten Schaltgetriebe können sich 4 Gänge ein Zahnrad auf der Abtriebswelle teilen. Mittels unterschiedlicher Übersetzungen in den einzelnen Summiergetrieben kann die Eingangsdrehzahl je Getriebestrang verändert werden, so dass die 4 Getriebestränge identisch ausgelegt werden können.
In einem n-fach modulierten Schaltgetriebe (mit n>=2) kann auch vorteilhaft das Konzept der Getriebe-Nachschaltgruppen integriert werden. Eine Anordnung der Nachschaltgruppen, wie sie aktuell bei Nutzfahrzeugen üblich ist, erlaubt nicht das Schalten der Nachschaltgruppe ohne Unterbrechung der Zugkraft. Um ein Schalten der Nachschaltbaugruppe ohne Zugkraftunterbrechung zu ermöglichen, werden die einzelnen Gänge zu Zahnradgruppen zusammengefasst. Es müssen mindestens 2 Zahnradgruppen gebildet werden. Vorzugsweise enthält eine Zahnradgruppe Gänge aus verschiedenen Getriebesträngen. Je nach Auslegung erhalten nun einzelne Zahnradgruppen oder alle Zahnradgruppen eine ihnen zugeordnete Nachschaltgruppe. Die Übersetzungen der einzelnen Gänge und der Nachschaltgruppen werden vorzugsweise so definiert, dass beim Schalten der Nachschaltgruppe jeweils die Übersetzungen der anderen Zahnradgruppen übersprungen werden.
Aufgrund der Aufteilung in Zahnradgruppen und Zuordnung der Nachschaltgruppen zu einzelnen Zahnradgruppen, kann eine Nachschaltgruppe lastfrei geschaltet werden, während die anderen Zahnradgruppen die aktuelle Zugkraft übertragen. Erst wenn wieder ein Gang aus der Zahnradgruppe mit der geschalteten Nachschaltgruppe verwendet werden soll, wird die Nachschaltgruppe wieder mit einem Moment belastet, so dass auch eine recht lange Zeit für das Synchronisieren und Schalten der Nachschaltgruppe zur Verfügung steht.
Die Vorgehensweise ist in den Skizzen 13 und 14 als Prinzip für den Fall des 2-fach modulierten Schaltgetriebes dargestellt, wobei das dargestellte Prinzip für ein 3-fach, 4-fach oder n-fach moduliertes Getriebe erweitert werden kann. Bei einer Verteilung der Antriebsstränge auf dem Umfang um die Abtriebswelle, müsste hierfür die 2-dimensionale Darstellung um die 3. Dimension erweitert werden, z.B. könnten der 3. und der 4. Getriebestrang jeweils oberhalb und unterhalb der Papierebene angeordnet werden. Bei ähnlicher Baulänge des Getriebes würden sich dann z.B. bei 4 Getriebesträngen jeweils 12 (13) und 16 (14) schaltbare Gänge ergeben. Dieses Prinzip zur Integration von Nachschaltgruppen kann auch bei konventionellen Parallelschaltgetrieben verwendet werden.
Ein Beispiel für ein entsprechend modulierbares Getriebe 20, wie es im vorigen beschrieben wurde, ist in der 15 dargestellt. Der Hauptantrieb 45 treibt eine Eingangswelle 40, gegebenenfalls über eine Kupplung 44 und/oder eine Bremse 42, an. Über entsprechende gemeinsame Zahnräder oder ein gemeinsames Zahnrad, welches hier nicht dargestellt ist, wird das Drehmoment auf die einzelnen Leistungsstränge 21, 22, 23 übertragen. Der hier dargestellte Fall mit drei Leistungssträngen 21, 22, 23 kann leicht auf mehr als drei Leistungsstränge übertragen werden. Über einen jeweiligen ersten Eingang 101, 201, 301 von Summiergetrieben 100, 200, 300 kann die Drehzahl des Hauptantriebs, gegebenenfalls anteilsmäßig, mit den Drehzahlen von Elektromaschinen (E-Maschinen) 400, 500, 600 summiert werden, welche über zweite Eingänge 102, 202, 302 auf die Summiergetriebe 100, 200, 300 eingebracht werden. Optional können Bremsen 450, 550, 650 an den Ausgängen der E-Maschinen 400, 500, 600 bereitgestellt sein, welche die Drehzahl auf die Eingänge 102, 202, 302 gegebenenfalls bis auf Null reduzieren können. Über die Ausgänge 103, 203, 303 der Summiergetriebe 100, 200, 300 wird die so erreichte jeweilige Teilgesamtdrehzahl eines Leistungsstrangs 21, 22, 23 über Vorgelegewellen 704a, 804a, 904a der einzelnen Teilgetriebe 700, 800, 900 auf einen Abtrieb 60 ausgegeben. Die Teilgetriebe 700, 800, 900 weisen hier, schematisch dargestellt, Eingänge 701, 801, 901 und Ausgänge 702, 802, 902 auf. Optional kann eine Bremse 64 im Abtrieb 60 bereitgestellt sein, welche gegebenenfalls als Parkbremse fungiert.
Genauere Ausführungen zu den Teilgetrieben 700, 800, 900 sind in den 16a und 16b gezeigt.
Schon eingeführte Elemente aus den bisherigen Figuren sind hier gegebenenfalls mit einer Kennzeichnung „a“ dargestellt. In den weiteren Figuren kann diese Kennzeichnung durch einen Buchstaben durch weitere Buchstaben erweitert werden.
Die 16a und 16b zeigen einen gemeinsamen Aufbau von den drei Teilgetrieben 700a, 800a, 900a, welche jeweils über Hohlräder 112a, 212a, 312a, welche außenverzahnt sind, an einem gemeinsamen Zahnrad 41a der Eingangswelle 40a angeschlossen sind. Die jeweiligen Hohlräder 112a, 212a, 312a gehören dabei jeweils zu Summiergetrieben 100a, 200a, 300a, welche hier als Planetengetriebe 110a, 210a, 310a ausgebildet sind. Diese Planetengetriebe 110a, 210a, 310a weisen Sonnenräder 116a, 216a, 316a auf, welche mit den jeweiligen E-Maschinen 400a, 500a, 600a verbunden sind. Durch die unterschiedlichen Übersetzungen der einzelnen Planetengetriebe 110a, 210a, 310a wird über die Träger 118a, 218a, 318a der Planetenräder 114a, 214a, 314a jeweils unterschiedliche Drehzahlen an die einzelnen Vorgelegewellen 704a, 804a, 904a der Teilgetriebe 700a, 800a, 900a übertragen. Die Teilgetriebe 700a, 800a, 900a können dabei in Bezug auf die Losräder 710a, 810a, 910a, 720a, 820a, 920a, 730a, 830a, 930a und die Zahnräder 731a, 831a, 931a für jeweilige Rückwärtsgänge identisch oder zumindest im Wesentlichen identisch aufgebaut sein, wobei die einzelnen Gänge über zum Beispiel Klauenkupplungen 722a, 822a, 922a, 732a, 832a, 932a eingelegt werden können. Diese Zahnräder der Teilgetriebe 700a, 800a, 900a sind dabei jeweils mit auf der Abtriebswelle 60a festen Zahnrädern 61a, 62a, 63a verzahnt. Über die unterschiedlichen Übersetzungen der Planetengetriebe 110a, 210a, 310a können mittels der E-Maschinen 400a, 500a, 600a unterschiedlichste Drehzahlen für die einzelnen Gänge der Teilgetriebe 700a, 800a, 900a eingestellt werden, insbesondere kann ein Teilgetriebe 700a, 800a, 900a im Wesentlichen auf eine synchrone Geschwindigkeit beschleunigt (abgebremst) werden und somit auf diesem Teilgetriebe 700a, 800a, 900a ein neuer Gang eingelegt werden, während über ein anderes Teilgetriebe 700a, 800a, 900a weiterhin das volle Drehmoment, oder zumindest ein Teil des Drehmoments, auf die Abtriebswelle 60a übertragen wird. Durch diese Anordnung kann es insbesondere auch erreicht werden, dass im Mittel auf keinem von den Teilgetrieben 700a, 800a, 900a mehr als etwa 50% des Gesamtdrehmoments übertragen wird und die 50% wenn, dann nur kurzzeitig gering, d.h. mit etwa 55% oder 60% überstiegen werden. Hierdurch können insgesamt leichtere Zahnräder und auch kleinere Zahnräder verwendet werden, wobei durch die verringerte axiale Bauweise, zusammen mit nun verringerter umfangsmäßiger Bauweise insgesamt ein kleineres Volumen für das gesamte Getriebe 20a erreicht werden kann.
Ein entsprechender beispielhafter Aufbau innerhalb einer Ebene, welche senkrecht zur Achse der Eingangswelle 40a verläuft und die Summiergetriebe bzw. Planetengetriebe 110a, 210a, 310a schneidet, ist in der 17 dargestellt. Die Planetengetriebe 110a, 210a, 310a sind jeweils um das gemeinsame Zahnrad 41a der Eingangswelle 40a angeordnet und können, wie geschildert, durch ihre Übersetzungen unterschiedliche Drehzahlen auf die einzelnen Teilgetriebe 700, 800, 900 über die entsprechenden Vorgelegewellen 704a, 804a, 904a übertragen. Die einzelnen Planetengetriebe 110a, 210a, 310a sind dabei mit ihren Achsen konzentrisch um die Eingangswelle 40a hierum angeordnet, während die Vorgelegewellen konzentrisch zur Abtriebswelle 60a angeordnet sind, die Abtriebswelle 60a liegt dann ggf. radial versetzt zur Einganswelle 40a.
Die 18a und 18b zeigen ein weiteres Beispiel mit drei Teilgetrieben mit einzelnen Nachschaltgruppen in Form von Planetengetrieben 70d, 80d, welche an der gemeinsamen Abtriebswelle 60d angeordnet sind. Die Hohlräder 74d, 84d können dabei wahlweise über Kupplungen 75d, 85d mit den Trägern 73d, 83d des Planetengetriebes, welche immer mit der Ausgangswalle 60d verbunden sind, oder mit dem Gehäuse 76d, 86d, verbunden werden. Die Sonnenräder 71d, 81d sind dabei mit den einzelnen Gängen, das heißt mit den Zahnrädern 61d, 62d, welche der Abtriebswelle 60d zugeordnet sind, verbunden. Auf diese Weise können durch die Kupplungen 75d, 85d noch weitere Gänge realisiert werden. Die weiteren Anordnungen in den Teilgetrieben 700d, 800d, 900d entsprechen den Anordnungen in den 16a, 16b und wurden mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen, wobei hier als laufende Nummerierung der Buchstabe „d“ verwendet wurde.
Die 19 zeigt beispielhaft die Verwendung einer Getriebebox 90f, welche den Antrieb des Hauptantriebs 45f auf die modulierten Getriebe 92f, 93f, das heißt auf deren Eingangswellen 96f, 97f überträgt. Die modulierten Getriebe 92f, 93f entsprechen dabei im Wesentlichen einem Getriebe 20 mit E-Maschinen 400, 500, 600, oder auch nur einzelnen Leistungssträngen 21, 22, 23, wie sie beispielsweise in der 15 dargestellt wurden. Auf diese Weise können unterschiedliche Drehmomente bzw. Drehzahlen auf die Antriebswellen 98f, 99f der Reifen bzw. Räder 94f, 95f gegeben werden, wodurch das Durchdrehen oder Rutschen einzelner Reifen 94f, 95f vermieden werden kann.
Die 20 zeigt ein Aufbau mit einem Hauptantrieb 45g, bei welchem beidseitig eine Eingangswelle 96g, 97g von der hier nicht dargestellten Nockenwelle herausgeführt wird. Diese Eingangswellen 96g, 97g werden, wie in den anderen Beispielen beschrieben, auf die modulierten Getriebe 92g, 93g und dann über entsprechende Antriebswellen 98g, 99g auf die Reifen 94g, 95g übertragen.
Hierdurch kann zum Beispiel auf ein Differenzial verzichtet werden, weiterhin sind eine Erhöhung der Fahrzeugstabilität und ein Anti-Rutschverfahren mittels dieser Anordnung der modulierten Getriebe 92g, 93g möglich.
Durch die Verwendung mehrerer modulierter Getriebe 92a, 92f und Teilgetriebe 700, 800, 900 kann insgesamt Gewicht eingespart werden, in dem kleinere und kürzere Gesamtgetriebe 20 aufbaubar werden. Auch sind hier unterschiedliche Rückwärtsgänge und ein feiner abgestuftes Schaltverhalten, insbesondere ohne die Verwendung von Synchronringen auf den Teilgetrieben 700, 800, 900, möglich.
Bei den Fahrzeugen mit Getrieben erfolgt die Verteilung des Drehmomentes auf die einzelnen Antriebsräder mittels Differentialgetriebe, welche die unterschiedlichen Drehzahlen an den Antriebsrädern ausgleicht. Diese müssen sowohl für hohe Drehzahlen (in den hohen Gängen) und für hohe Momente (bei den niedrigen Gängen) ausgelegt werden und decken somit einen viel zu großen Leistungsbereich ab.
Bei Verwendung eines modulierten Schaltgetriebes je Antriebsrad, kann das Differentialgetriebe entfallen, da das modulierte Schaltgetriebe mittels der Modulation die Funktion des Differentialgetriebes inklusive aktive Verteilung des Drehmomentes auf die einzelnen Antriebsräder übernehmen kann. Kombiniert mit der sehr kurzen Bauweise bei einem n-fach modulierten Schaltgetriebes (bei Bedarf mit Nachschaltgruppe) bietet sich hier die Möglichkeit an, die Kurbelwelle an beiden Seiten des Motors aus dem Motor herauszuführen, jeweils an beiden Enden ein moduliertes Schaltgetriebe zu integrieren und von dort das Drehmoment direkt auf die Gelenkwelle zum Antriebsrad weiterzuleiten. Bei Anordnung des Hauptantriebes mitsamt der Getriebe quer zwischen den Antriebsrädern ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise mit sehr kurzen Übertragungsstrecken des Drehmomentes zwischen Hauptantriebsmotor und den Antriebsrädern. Dies ist nur sinnvoll möglich mit Getriebekonzepten, welche einen Schlupf (keine starre Übertragung der Drehzahl) aufweisen und die Funktion des Differentials übernehmen können (in diesem Falle das modulierte Schaltgetriebe). Die Mehrkosten für die erhöhte Anzahl an modulierten Schaltgetriebe können teilweise kompensiert werden, indem jedes einzelne Getriebe für kleinere Leistungen ausgelegt wird, das Differentialgetriebe entfällt und die Übertragungsstränge bis zu den Antriebsrädern sehr kurz ausfallen. Durch die kurzen Übertragungsstränge reduzieren sich auch die Reibungsverluste.
Wie vorstehend dargelegt, gibt es also keine prinzipbedingte Begrenzung der minimalen oder maximal übertragenen Leistung (z.B. Verlustleistung, Verschleiß, begrenzte Reibkräfte). Das System kann demnach von kleinsten Leistungen (z.B. Fahrrad, Motorroller) bis zu Systemen mit hoher Leistungen (Nutzfahrzeuge) eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

20: Getriebe
21, 22, 23: Leistungsstrang
45: Hauptantrieb
100, 200, 300: Summiergetriebe
40: Eingangswelle
400, 500, 600: E-Maschinen
43: optionale E-Maschinen
44: Kupplung
42: Bremse
700, 800, 900: Teilgetriebe
101, 201, 301: erster Eingang
102, 202, 302: zweiter Eingang
60: Abtrieb
64: Bremse
702, 802, 902: Ausgang Teilgetriebe
701, 801, 901: Eingang Teilgetriebe
110a, 201a, 310a: Planetengetriebe
41a: gemeinsames Zahnrad
112a, 212a, 312a: Hohlrad
116a, 216a, 316a: Sonnenrad
114a, 214a, 314a: Planetenrad
118a, 218a, 318a: Träger
704a, 804a, 904a: Vorgelegewellen
722a, 732a, 822a, 832a, 922a, 932a: Klauenkupplung
710a, 720a, 730a, 61a, 62a, 63a, 810a, 820a, 830a, 910a, 920a, 930a,: Zahnräder
731a, 831a, 931a: Zahnräder
70d, 80d: Planetengetriebe
75d, 85d: Kupplung
71d, 81d: Sonnenrad
72d, 82d: Planetenrad
73d, 83d: Träger
76d, 86d: Getriebegehäuse
90f, 90g: Getriebebox
36f, 36g, 97f, 97g: Eingangswelle
92f, 92g, 93f, 93g: moduliertes Getriebe
98f, 98g, 99f, 99g: Antriebswelle
94f, 94g, 95f, 95g: Reif

Claims

Antriebstrang mit einem Hauptantrieb, mit erster und zweiter Elektromaschine (A, B), mit erstem und zweitem Summiergetriebe und mit einem Abtrieb, wobei der Hauptantrieb über das erste Summiergetriebe mit der ersten Elektromaschine (A) und über das zweite Summiergetriebe mit der zweiten Elektromaschine (B) zur mechanischen Drehmomentübertragung verbunden sind, indem jeweils eine der Elektromaschinen und eines der Summiergetriebe dabei ein Modulationsgetriebe bilden, das einerseits mit dem Hauptantrieb und andererseits mit einem Schaltgetriebe verbunden ist, wobei das erste Summiergetriebe über ein erstes Schaltgetriebe und das zweite Summiergetriebe über ein zweites Schaltgetriebe mit dem Abtrieb verbunden sind.
Antriebstrang nach Anspruch 1, wobei die Summiergetriebe jeweils als Planetengetriebe mit Sonnenrad, Hohlrad, Planetenrädern und Planetenradträger ausgebildet sind, wobei das Sonnenrad jeweils mit dem zugehörigen Elektroantrieb und das Hohlrad jeweils mit dem Hauptantrieb zur mechanischen Drehmomentübertragung verbunden sind, und wobei der Abtrieb der Summiergetriebe jeweils über den Planetenträger erfolgt.
Antriebstrang nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hauptantrieb mit einer weiteren Elektromaschine (C) als elektrischem Generator zur Stromerzeugung oder als Antriebsmotor verbunden ist, wobei diese weitere Elektromaschine zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses und/oder als Generator und/oder für einen Boostbetrieb verwendet werden kann.
Antriebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Momentenübertragung und Übersetzungen über die beiden Schaltgetriebe so ausgelegt ist, dass bei jeweils alternierender Verwendung eines Ganges des Schaltgetriebes das Übersetzungsverhältnis von minimal bis maximal schrittweise variiert werden kann, wobei sich die Modulationsbereiche der aufeinander folgenden Gangabstufungen sich jeweils zumindest teilweise überlagern.
Antriebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektromaschinen als fremderregte Gleichstrommaschinen ausgebildet sind, so dass eine vereinfachte Ansteuerung der Elektromaschinen und eine direkte Reihenschaltung der Anker E-Maschinen und der Anbindung an den Energiespeicher möglich ist, und eine Steuerung über die Felderregungen mit geringer Leistung erfolgen kann, und der Energieaustausch mit dem Energiespeicher oder weiteren elektrischen Komponenten im Fahrzeug über eine einzige Einspeisung erfolgen kann.
Antriebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein direkter Austausch der elektrischen Leistung zwischen den Elektromaschinen zur Reduzierung der benötigten Leistungselektronik erfolgt, vorzugsweise durch die direkte Reihenschaltung der Anker der Gleichstrommaschinen, so dass aufgrund dieser Beschaltung das System einen stabilen Betriebspunkt aufweist, wodurch die Anforderungen an die Dynamik der Steuerungselektronik sinken.
Antriebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Synchronisation der Gänge über die Elektromaschinen erfolgt, so dass keine weiteren Synchronisierungs-Baugruppen im Getriebe notwendig sind.
Antriebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer geometrischen Gangabstufung und/oder einer doppelten Verwendung von einzelnen Zahnrädern zur Verkürzung des Bauraums.
Antriebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer zusätzlichen Schwingungsdämpfung über die Elektromaschinen, vorzugsweise passiv über das Trägheitsmoment der Elektromaschinen und aktiv durch Modulation der Momentes der Elektromaschinen.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Realisierung des Rückwärtsfahrens die Drehmomente der Elektromaschinen der Summiergetriebe relativ zueinander eingestellt werden, so dass der Ausgang des Gesamtgetriebes entgegen der normalen Fahrtrichtung dreht.
Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Reduzierung des maximalen Drehmomentes je Antriebsstrang und zur Reduzierung des maximal geforderten Drehmomentes je E-Maschine das modulierte Schaltgetriebe auf 3 oder mehr parallele Stränge erweitert wird, so dass die einzelnen Getriebestränge und die E-Maschinen für geringere Drehmomente als beim 2-fach modulierten Schaltgetriebe ausgelegt werden können.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Schaltgetriebestränge aus identischen Baugruppen aufgebaut sind, indem die Eingangsdrehzahl je Schaltgetriebe über unterschiedliche Übersetzungen in den Summiergetrieben vorgehalten wird.
Antriebsstrang, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Erweitern von Parallelschaltgetrieben oder modulierten Schaltgetrieben um Nachschaltbaugruppen, so dass ein Schalten der Nachschaltbaugruppe ohne Zugkraftunterbrechung möglich ist, indem die schaltbaren Gänge im Hauptgetriebe zu 2 oder mehr Zahnradgruppen zusammengefasst werden und einzelne Zahnradgruppen eine eigene Nachschaltgruppe erhalten.
Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zum Ersatz des Differentialgetriebes ein moduliertes Schaltgetriebe je Antriebsrad vorgesehen ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Verkürzung der Übertragungsstrecke zwischen Hauptantriebsmotor und den Antriebsrädern und zur Reduzierung des notwendigen Bauraumes die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors auf beiden Motorseiten herausgeführt und jedes Ende mit einem modulierten Schaltgetriebe versehen wird und wobei die Abtriebswellen der Schaltgetriebe direkt die Gelenkwellen zu den Antriebsrädern antreiben und die modulierten Schaltgetriebe die Aufgaben eines Differentialgetriebes übernehmen.