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Die Erfindung betrifft ein Doppelkupplungsgetriebegetriebe zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle in einem Getriebegehäuse, wobei die Antriebswelle vorzugsweise über einen Torsionsschwingungsdämpfer mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist und mittels einer Doppelkupplung, bestehend aus einer ersten und einer zweiten reibschlüssigen Kupplung, mit einer ersten und einer zweiten Eingangswelle in ein Schaltgetriebesystem verbindbar ist und wobei in dem Schaltgetriebesystem mehrere Zahnradstufen zwischen der ersten Eingangswelle und einer ersten Zwischenwelle und/oder der Abtriebswelle sowie zwischen der zweiten Eingangswelle und einer zweiten Zwischenwelle und/oder der Abtriebswelle angeordnet sind und wobei im Schaltgetriebesystem mehrere Schaltelemente einzelne Räder der Zahnradstufen untereinander oder mit einer der Zwischenwellen oder der Abtriebswelle verbinden, so dass mehrere Gänge schaltbar sind, und wobei das Doppelkupplungsgetriebe einen Elektromotor aufweist, dessen Rotorwelle mit der Antriebswelle oder einer der beiden Eingangswellen verbindbar ist.
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So ein Doppelkupplungsgetriebe ist zum Beispiel aus der
DE 10 2010 055 645 A1 bekannt. Das Schaltgetriebesystem nach diesem Stand der Technik ist so gestaltet, dass acht Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang schaltbar sind, wobei sich die Leistungsflüsse im Rückwärtsgang, im ersten Gang und im achten Gang über mehrere Zahnradstufen durch die Getriebemechanik im Schaltgetriebesystem winden. Dies wird dort deshalb vorgeschlagen, um diese große Zahl der Gänge mit möglichst geringem mechanischem Aufwand zu erreichen. Dadurch verkürzt sich die Baulänge des Schaltgetriebesystems. Der so gewonnene Bauraum gibt zusätzlichen Platz für den Elektromotor, dessen Rotorwelle in diesem Getriebe mit einer der beiden Eingangswellen verbunden ist.
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Für den Einsatz eines noch drehmomentstärkeren und damit länger bauenden Elektromotors wäre es aber hilfreich, die Baulänge des Schaltgetriebesystems noch weiter zu verkürzen.
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In den Doppelkupplungsgetrieben nach dem Stand der Technik weisen die Schaltelemente im Schaltgetriebesystem Synchronisiereinrichtungen meist in Form von reibschlüssigen Konus-Synchronisierungen auf, mit denen die Eingangswelle für den als nächstes zu schaltenden Gang durch Synchronisationen an Bauteilen im Leistungspfad zwischen dieser Eingangswelle und der Abtriebswelle auf die richtige Drehzahl vor dem Gangwechsel beschleunigt oder abgebremst wird. Diese Schaltelemente mit reibschlüssigen Synchronisiereinrichtungen werden durch Schaltgabeln betätigt, die meist von hydraulischen Aktuatoren bewegt werden, weil die Schaltkräfte relativ hoch sind. Diese recht aufwendigen Schaltelemente und massiven Schaltgabeln ließen sich durch sehr klein bauende Klauenkupplungen und filigrane Schaltgabeln ersetzen, wenn das Schaltgetriebesystem eine möglichst kompakte zentrale Synchronisiereinrichtung aufweisen würde.
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Aus dem Stand der Technik gehen auch Vorschläge für Zentralsynchronisierungen hervor, die dann die Drehzahlangleichungen der Zahnkupplungshälften für alle Schaltungen übernehmen sollen. Da in den bisher vorgestellten, ebenfalls reibschlüssigen Zentralsynchronisierungen aber die Verlustleistungen während der Schaltungen größer sind als in verteilten Synchronisierungen, haben sie sich im Markt noch nicht durchgesetzt. Auch für elektromotorische Zentralsynchronisierung gab es bislang keine überzeugenden Vorschläge.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit nach kritischer Analyse des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Doppelkupplungsgetriebe nach dem Oberbegriff zu realisieren, bei dem der Elektromotor neben den heute üblichen Hybridfunktionen auch die Funktion einer Zentralsynchronisierung übernimmt, weil dadurch die sonst üblichen Reibungsverluste während der Schaltung weitgehend vermieden werden. Die nach dem Stand der Technik üblichen Schaltelemente mit reibschlüssigen Synchronisierungen können dann durch möglichst wenige und möglichst zweiseitig wirkende Klauenkupplungen für die Schaltung möglichst vieler Gänge ersetzt werden. Da für Klauenkupplungen geringere Schaltkräfte ausreichen, sollen die bisher eingesetzten Schaltgabeln durch Leichtbau-Schaltgabeln ersetzt werden, die von elektromechanischen Aktuatoren oder mittels hydraulischer Aktuatoren mit geringeren Kräften bewegt werden. Um Platz für einen ausreichend starken Elektromotor mit einem entsprechend langen Stator zu bekommen, soll das Schaltgetriebesystem wenig Radebenen aufweisen und eine Anordnung der Räder für einen gewundenen ersten Gang mit minimalen Radbreiten. Darüber hinaus soll der Elektromotor die Doppelkupplung bei allen Lastschaltungen weitgehend entlasten, um den Wirkungsgrad der Schaltungen zu erhöhen und um die erforderliche Kühlleistung für die Doppelkupplung zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs dadurch gelöst, dass das Doppelkupplungsgetriebe eine Überlagerungsgetriebestufe mit drei Koppelwellen aufweist, von denen eine erste Koppelwelle mit der Rotorwelle des Elektromotors verbunden ist und von denen eine zweite Koppelwelle mit der ersten Eingangswelle verbunden ist und von denen eine dritte Koppelwelle mit der zweiten Eingangswelle verbunden ist. Wenn dann in dem Doppelkupplungsgetriebe eine der beiden Eingangswellen über Zahnradstufen mit der Abtriebswelle verbunden ist, kann der Elektromotor über eine Drehzahlregelung die andere Eingangswelle auf beliebige Drehzahlen einstellen und damit den Synchronlauf an den zu synchronisierenden Schaltelementen erreichen. Dabei fließt Leistung entweder von einer Batterie in das Schaltgetriebesystem oder von dem Schaltgetriebesystem in eine Batterie. Bis auf relativ geringe Übertragungsverluste auf diesem Leistungspfad fallen keine weiteren Synchronisationsverluste an.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Überlagerungsgetriebestufe eine Planetenradstufe ist, mit einem Hohlrad als erster Koppelwelle, einem Sonnenrad als zweiter Koppelwelle und einem Planententräger mit mehreren Planentenradsätzen als dritter Koppelwelle. Planetenradstufen haben wegen der Leistungsverzweigung auf mehrere Planetenradsätze eine hohe Drehmomentkapazität und bauen deshalb sehr kompakt. Durch diesen Aufbau der Planetenradstufe und die oben beschriebenen Anbindungen gelingt es zudem, beide Eingangswellen durch die Planetenradstufe hindurch bis zur Doppelkupplung zu führen.
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Darüber hinaus sollen die Planetenradsätze aus jeweils zwei miteinander kämmenden Planetenrädern bestehen, von denen die ersten Planetenräder mit dem Sonnenrad in Eingriff stehen und von denen die zweiten Planetenräder mit dem Hohlrad in Eingriff stehen. Dadurch ist eine Standübersetzung vom Sonnenrad zum Hohlrad bei stehendem Planetenträger von ca. +2 möglich, was dazu führt, dass sich die Drehzahl der Rotorwelle ungefähr zu dem Mittelwert der Drehzahlen der beiden Eingangswellen ergibt.
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Durch den Einsatz des Elektromotors als Zentralsynchronisierung können die verteilten Synchronisierungen an den einzelnen Schaltelementen im Schaltgetriebesystem entfallen. Deshalb ist im Weiteren vorgeschlagen, dass mindestens eines der Schaltelemente im Schaltgetriebesystem als Klauenkupplung ohne reibschlüssige Synchronisierung ausgeführt ist.
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Zur Schaltung solcher Klauenkupplungen sind nur geringe Schaltkräfte erforderlich. Deshalb soll nach dieser Erfindung mindestens eines der Schaltelemente im Schaltgetriebesystem von einem elektromechanischen Aktuator betätigt werden.
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Um die Baulänge des erfindungsgemäßen Doppelkupplungsgetriebes zu minimieren ist im Weiteren vorgesehen, dass in einer vorzugsweisen Ausführungsvariante für frontquer angetriebene Fahrzeuge das Schaltgetriebesystem zwei parallele Zwischenwellen und sechs Radebenen aufweist, die von der Doppelkupplung aus gesehen so hintereinander angeordnet sind, dass in der ersten Radebene eine erste Abtriebs-Zahnradstufe und eine zweite Abtriebs-Zahnradstufe liegen, dass in der zweiten Radebene eine vierte Zahnradstufe zwischen der zweiten Eingangswelle und der ersten Zwischenwelle und eine sechste Zahnradstufe zwischen der zweiten Eingangswelle und der zweiten Zwischenwelle liegen, wobei diese beiden Zahnradstufen ein gemeinsames Zahnrad aufweisen, dass in der dritten Radebene eine zweite Zahnradstufe zwischen der zweiten Eingangswelle und der zweiten Zwischenwelle liegt, dass in der vierten Radebene eine fünfte Zahnradstufe zwischen der ersten Eingangswelle und der ersten Zwischenwelle liegt, dass in der fünften Radebene eine dritte Zahnradstufe zwischen der ersten Eingangswelle und der zweiten Zwischenwelle liegt, und dass in der sechsten Radebene eine erste Zahnradstufe zwischen der ersten Eingangswelle und der ersten Zwischenwelle liegt. Mit so einer Anordnung der Zahnradstufen in den einzelnen Radebenen sind Leistungspfade für zwei gewundene erste Gänge und zwei gewundene achte Gänge möglich. Außerdem liegt die am höchsten belastete erste Zahnradstufe sehr nahe am Getriebegehäuse, so dass die Verzahnungskräfte nur geringe Biegemomente auf den Wellen erzeugen.
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Zu der Anordnung der Schaltelemente für die Schaltung von acht Vorwärtsgängen in dieser vorzugsweisen Ausführungsvariante wird vorgeschlagen, dass alle die Zahnräder der Zahnradstufen, die auf einer der Eingangswellen liegen, fest mit dieser Eingangswelle verbunden sind und dass das Schaltgetriebesystem acht Schaltelemente aufweist, von denen ein erstes Schaltelement ein Rad der zweiten Zahnradstufe mit einem Rad der dritten Zahnradstufe verbinden kann, von denen ein zweites Schaltelement ein Rad der ersten Zahnradstufe mit der ersten Zwischenwelle verbinden kann, von denen ein drittes Schaltelement ein Rad der zweiten Zahnradstufe mit der zweiten Zwischenwelle verbinden kann, von denen ein viertes Schaltelement ein Rad der dritten Zahnradstufe mit der zweiten Zwischenwelle verbinden kann, von denen ein fünftes Schaltelement ein Rad der vierten Zahnradstufe mit der ersten Zwischenwelle verbinden kann, von denen ein sechstes Schaltelement ein Rad der fünften Zahnradstufe mit der ersten Zwischenwelle verbinden kann, von denen ein siebtes Schaltelement ein Rad der sechsten Zahnradstufe mit der zweiten Zwischenwelle verbinden kann, und von denen ein achtes Schaltelement ein Rad der vierten Zahnradstufe mit einem Rad der fünften Zahnradstufe verbinden kann.
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Die acht Schaltelemente liegen nun so, dass das erste und das vierte Schaltelement von einer gemeinsamen Muffe aus betätigt werden, dass das zweite und das sechste Schaltelement von einer gemeinsamen Muffe aus betätigt werden, dass das dritte und das siebte Schaltelement von einer gemeinsamen Muffe aus betätigt werden, dass das fünfte und das achte Schaltelement von einer gemeinsamen Muffe aus betätigt werden. Somit kommt dieses Schaltgetriebesystem mit nur vier Schaltgabeln aus.
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Für schnell drehende Rotorwellen ist eine stabile Lagerung mit einer weiten Lagerbasis vorteilhaft. Deshalb ist nach dieser Erfindung vorgesehen, dass der Elektromotor um die Doppelkupplung herum angeordnet ist, wobei die Rotorwelle auf beiden Seiten der Doppelkupplung im Getriebegehäuse gelagert ist. Die beidseitige Lagerung einer schnell drehenden Rotorwelle erlaubt kleinere Luftspalte zwischen Rotor und Stator und damit eine höhere Drehmomentkapazität des Elektromotors.
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Zuletzt ist nach dieser Erfindung noch vorgesehen, dass das Getriebegehäuse einen antriebsseitigen Deckel aufweist mit einem ersten Ölkanal zur Druckversorgung der ersten reibschlüssigen Kupplung, einem zweiten Ölkanal zur Druckversorgung der zweiten reibschlüssigen Kupplung, einem dritten Ölkanal zur Schmierung und Kühlung der Doppelkupplung und optional einem vierten Ölkanal zur Kühlung des Elektromotors aufweist. Die Ölversorgung durch einen antriebsseitigen Deckel ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung eines Überlagerungsgetriebes zwischen den beiden Eingangswellen und der Rotorwelle vorteilhaft. So kann Drucköl und Kühlöl direkt vom Getriebegehäuse auf die antriebsseitigen Kupplungshälften der vorzugsweise nass betriebenen Doppelkupplung übertragen werden.
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Die Erfindung ist nicht nur auf die Merkmale ihrer Ansprüche beschränkt. Denkbar und vorgesehen sind auch Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale und Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale mit dem in den Vorteilsangaben und zu den Ausgestaltungsbeispielen Offenbarten.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf nach dem Stand der Technik gleichwirkende Lösungen, von denen einige schon in den Ausführungsbeispielen beschrieben sind.
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Mehrere Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Schaltgetriebes sind beispielhaft in den 1 bis 5 dargestellt und bezüglich der Anordnung der Wellen, der Getriebestufen, der Schaltelemente und deren Funktionsweise erläutert. Dabei zeigen:
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1 die Getriebestruktur einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Doppelkupplungsgetriebes,
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2 den antriebsseitigen Teil so eines Doppelkupplungsgetriebes zwischen der Antriebswelle und den beiden Eingangswellen mit Doppelkupplung, Elektromotor und Überlagerungsgetriebe,
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3 Leistungsflüsse durch das Doppelkupplungsgetriebe nach 1,
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4 die Schaltlogik des Doppelkupplungsgetriebes nach 1,
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5 eine erste konstruktive Ausgestaltung so eines Doppelkupplungsgetriebes für eine Anwendung in einem front-quer angetriebenen Fahrzeug.
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1 zeigt die Getriebestruktur des erfindungsgemäßen Doppelkupplungsgetriebes 1 in einer ersten Ausführungsvariante für die Anwendung in einem front-quer angetriebenen Fahrzeug. Das Doppelkupplungsgetriebe 1 wirkt hier zwischen einer Antriebswelle 2 und einer Abtriebswelle 3. Die Antriebswelle 2 steht in automobilen Anwendungen vorzugsweise über einen Torsionsschwingungsdämpfer 31 mit einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor 30 in Verbindung. Die Abtriebswelle kann in dieser Ausführungsvariante über ein Differenzial 8 zwei Ausgangswellen 9x und 9y antreiben.
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Die Antriebswelle 2 treibt die antriebsseitigen Kupplungshälften von zwei zu einer Doppelkupplung 4 zusammen geschalteten Reibungskupplungen 5a und 5b. Über eine erste reibschlüssige Kupplung 5a ist die Antriebswelle 2 mit einer ersten Eingangswelle 6a verbindbar. Über eine zweite reibschlüssige Kupplung 5b ist die Antriebswelle 2 mit einer zweiten Eingangswelle 6b verbindbar.
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Die beiden Eingangswellen 6a und 6b sind Eingangswellen in ein Schaltgetriebesystem 10. In diesem Schaltgetriebesystem 10 sind die Eingangswellen 6a und 6b über mehrere, hier acht verschiedene Zahnradstufen 11 bis 18 und mehrere, hier ebenfalls acht verschiedene Zahnkupplungen 21 bis 28 mit der Abtriebswelle 3 verbindbar.
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In einem ersten Gang geht der Leistungsfluss von der zweiten Eingangswelle 6b über die zweite Zahnradstufe 12 in Richtung einer zweiten Zwischenwelle 7b und über die erste Zahnkupplung 21 und die dritte Zahnradstufe 13 zurück zur ersten Eingangswelle 6a und von dort über die erste Zahnradstufe 11 und die zweite Zahnkupplung 22 zur ersten Zwischenwelle 7a und von dort über eine erste Abtrieb-Zahnradstufe 17 zur Abtriebswelle 3.
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In einem zweiten Gang geht der Leistungsfluss direkt von der ersten Eingangswelle 6a über die erste Zahnradstufe 11 und die zweite Zahnkupplung 22 zur ersten Zwischenwelle 7a und von dort über die erste Abtrieb-Zahnradstufe 17 zur Abtriebswelle 3.
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In einem dritten Gang geht der Leistungsfluss direkt von der zweiten Eingangswelle 6b über die zweite Zahnradstufe 12 und die dritte Zahnkupplung 23 zur zweiten Zwischenwelle 7b und von dort über eine zweite Abtrieb-Zahnradstufe 18 zur Abtriebswelle 3.
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In einem vierten Gang geht der Leistungsfluss direkt von der ersten Eingangswelle 6a über die dritte Zahnradstufe 13 und die vierte Zahnkupplung 24 zur zweiten Zwischenwelle 7b und von dort über die zweite Abtrieb-Zahnradstufe 18 zur Abtriebswelle 3.
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In einem fünften Gang geht der Leistungsfluss direkt von der zweiten Eingangswelle 6b über die vierte Zahnradstufe 14 und die fünfte Zahnkupplung 25 zur ersten Zwischenwelle 7a und von dort über die erste Abtrieb-Zahnradstufe 17 zur Abtriebswelle 3.
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In einem sechsten Gang geht der Leistungsfluss direkt von der ersten Eingangswelle 6a über die fünfte Zahnradstufe 15 und die sechste Zahnkupplung 26 zur ersten Zwischenwelle 7a und von dort über die erste Abtrieb-Zahnradstufe 17 zur Abtriebswelle 3.
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In einem siebten Gang geht der Leistungsfluss direkt von der zweiten Eingangswelle 6b über die sechste Zahnradstufe 16 und die siebte Zahnkupplung 27 zur zweiten Zwischenwelle 7b und von dort über die zweite Abtrieb-Zahnradstufe 18 zur Abtriebswelle 3.
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In einem achten Gang geht der Leistungsfluss von der ersten Eingangswelle 6a über die fünfte Zahnradstufe 15 in Richtung der ersten Zwischenwelle 7a und über die achte Zahnkupplung 28 und die vierte Zahnradstufe 14 zurück zur zweiten Eingangswelle 6b und von dort über die sechste Zahnradstufe 16 und die siebte Zahnkupplung 27 zur zweiten Zwischenwelle 7b und von dort über die zweite Abtrieb-Zahnradstufe 18 zur Abtriebswelle 3.
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Aus dieser Beschreibung der Leistungsflüsse ergibt sich sofort die Leistungsfluss-Tabelle in 3 und die Schaltlogik-Tabelle für dieses Doppelkupplungsgetriebe nach 4.
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Aus dieser Beschreibung der Leistungsflüsse wird auch deutlich, dass in den Gängen zwei bis sieben der Leistungsfluss direkt von einer der beiden Eingangswellen über eine Zahnradstufe und eine Zahnkupplung zu einer der beiden Zwischenwellen geht und von dort über eine der Abtriebs-Zahnradstufen zur Abtriebswelle 3. Die Leistung fließt damit nur über zwei Zahneingriffe mit einem hohen Wirkungsgrad.
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Aus der Beschreibung der Leistungsflüsse wird zudem deutlich, dass der erste Gang und der achte Gang sogenannte „Windungsgänge” sind, bei denen der Leistungsfluss zuerst in einer Windung über zwei Zahnradstufen und eine Zahnkupplung von einer Eingangswelle zurück zur anderen Eingangswelle geht und von dort über eine weitere Zahnradstufe und eine Zahnkupplung zu einer der beiden Zwischenwellen und von dort über eine der Abtriebs-Zahnradstufen zur Abtriebswelle 3.
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An den Leistungsflüssen im ersten und achten Gang sind somit doppelt so viele Zahnradstufen beteiligt, wie in den anderen sechs Gängen. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad etwas. Im ersten Gang ist das nicht so wichtig, weil dieser Gang im gesamten Lastkollektiv nur zu einem geringen Zeitanteil eingelegt ist. Der Zeitanteil für den achten Gang ist aber wesentlich größer. Deshalb lohnt sich ein so gestalteter achter Gang nur, wenn dieser Wirkungsgradnachteil durch eine verbesserte Nutzung der Antriebsmaschinen mehr als kompensiert wird.
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Aus den Leistungsflussbeschreibungen und der Leistungsflusstabelle nach 3 wird auch klar, dass dieses Doppelkupplungsgetriebe 1 durch Ausnutzung aller Schaltkombinationen noch einen alternativen ersten Gang und einen alternativen achten Gang aufweist.
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Nach diesen Beschreibungen wird die zweite reibschlüssige Kupplung 5b für das Anfahren aus dem Stillstand in den ersten Gang verwendet. Deshalb ist diese zweite reibschlüssige Kupplung 5b innerhalb der Doppelkupplung 4 auf einem größeren mittleren Durchmesser angeordnet als die erste reibschlüssige Kupplung 5a. Die zweite reibschlüssige Kupplung 5b kann die Antriebswelle 2 mit der zweiten Eingangswelle 6b verbinden, die deshalb als Hohlwelle die erste Eingangswelle 6a umfasst.
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Mit dieser Anordnung der Eingangswellen 6a und 6b ergibt sich aus den Leistungspfaden in den einzelnen acht Gängen die optimale Anordnung der Zahnradstufen 11 bis 18 in diesem Schaltgetriebesystem 10.
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Um die Baulänge des Schaltgetriebesystems 10 zu minimieren sind die beiden Zwischenwellen 7a und 7b parallel zu einander angeordnet. Zudem weist das Schaltgetriebesystem 10 sechs Radebenen auf, die von der Doppelkupplung 4 aus gesehen so hintereinander angeordnet sind, dass in der ersten Radebene die erste Abtriebs-Zahnradstufe 17 und die zweite Abtriebs-Zahnradstufe 18 liegen, dass in der zweiten Radebene die vierte Zahnradstufe 14 zwischen der zweiten Eingangswelle 6b und der ersten Zwischenwelle 7a und die sechste Zahnradstufe 16 zwischen der zweiten Eingangswelle 6b und der zweiten Zwischenwelle 7b liegen, wobei diese beiden Zahnradstufen ein gemeinsames Zahnrad aufweisen, dass in der dritten Radebene die zweite Zahnradstufe 12 zwischen der zweiten Eingangswelle 6b und der zweiten Zwischenwelle 7b liegt, dass in der vierten Radebene die fünfte Zahnradstufe 15 zwischen der ersten Eingangswelle 6a und der ersten Zwischenwelle 7a liegt, dass in der fünften Radebene die dritte Zahnradstufe 13 zwischen der ersten Eingangswelle 6a und der zweiten Zwischenwelle 7b liegt, und dass in der sechsten Radebene die erste Zahnradstufe 11 zwischen der ersten Eingangswelle 6a und der ersten Zwischenwelle 7a liegt. Mit so einer Anordnung liegt die am höchsten belastete erste Zahnradstufe sehr nahe am Getriebegehäuse, so dass die Verzahnungskräfte nur geringe Biegemomente auf den Wellen erzeugen.
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Alle Zahnräder der acht Zahnradstufen, die auf einer der Eingangswellen liegen, sind fest mit dieser Eingangswelle verbunden. Das Schaltgetriebesystem weist acht Schaltelemente auf, von denen ein erstes Schaltelement 21 ein Rad der zweiten Zahnradstufe 12 mit einem Rad der dritten Zahnradstufe 13 verbinden kann, von denen ein zweites Schaltelement 22 ein Rad der ersten Zahnradstufe 11 mit der ersten Zwischenwelle 7a verbinden kann, von denen ein drittes Schaltelement 23 ein Rad der zweiten Zahnradstufe 12 mit der zweiten Zwischenwelle 7b verbinden kann, von denen ein viertes Schaltelement 24 ein Rad der dritten Zahnradstufe 13 mit der zweiten Zwischenwelle 7b verbinden kann, von denen ein fünftes Schaltelement 25 ein Rad der vierten Zahnradstufe 14 mit der ersten Zwischenwelle 7a verbinden kann, von denen ein sechstes Schaltelement 26 ein Rad der fünften Zahnradstufe 15 mit der ersten Zwischenwelle 7a verbinden kann, von denen ein siebtes Schaltelement 27 ein Rad der sechsten Zahnradstufe 16 mit der zweiten Zwischenwelle 7b verbinden kann, und von denen ein achtes Schaltelement 28 ein Rad der vierten Zahnradstufe 14 mit einem Rad der fünften Zahnradstufe 15 verbinden kann.
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Die acht Schaltelemente liegen so, dass das erste Schaltelement 21 und das vierte Schaltelement 24 von einer gemeinsamen Muffe aus betätigt werden, dass das zweite Schaltelement 22 und das sechste Schaltelement 26 von einer gemeinsamen Muffe aus betätigt werden, dass das dritte Schaltelement 23 und das siebte Schaltelement 27 von einer gemeinsamen Muffe aus betätigt werden und dass das fünfte Schaltelement 25 und das achte Schaltelement 28 von einer gemeinsamen Muffe aus betätigt werden. Somit kommt dieses Schaltgetriebesystem mit nur vier Schaltgabeln aus.
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Das Doppelkupplungsgetriebe 1 nach 1 hat auch einen Elektromotor 40 mit einem Stator 42 und einem Rotor auf einer Rotorwelle 41. Die Rotorwelle 41 ist um die Doppelkupplung 4 herum gebaut und vor und hinter der Doppelkupplung 4 im Getriebegehäuse 0 gelagert. Die weite Lagerbasis dieser Rotorwelle 41 ergibt eine gute Lagerung auch bei hohen Drehzahlen und damit die Möglichkeit, den Luftspalt zwischen Rotor 41 und Stator 42 klein zu gestalten um eine hohe Drehmomentkapazität zu erhalten.
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Der gehäusefeste Teil eines Resolvers 49 zu Messung der Winkelposition der Rotorwelle 41 sitzt vorzugsweise an einem antriebsseitigen Gehäusedeckel 35. Über diesen antriebsseitigen Gehäusedeckel 35 wird auch die vorzugsweise nass betriebene Doppelkupplung 4 hydraulisch versorgt. Ein erster Ölkanal 36 versorgt die erste reibschlüssige Kupplung 5a mit Drucköl. Ein zweiter Ölkanal 37 versorgt die zweite reibschlüssige Kupplung 5b mit Drucköl. Ein dritter Ölkanal 38 versorgt die Doppelkupplung mit Kühlöl. Ein optionaler vierter Ölkanal versorgt Teile des Elektromotors 40 mit Kühlöl.
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Das Doppelkupplungsgetriebe 1 nach 1 hat auch ein dreiwelliges Überlagerungsgetriebe 43 mit einer ersten Koppelwelle 44, die mit der Rotorwelle 41 verbunden ist, mit einer zweiten Koppelwelle 45, die mit der ersten Eingangswelle 6a verbunden ist, und mit einer dritten Koppelwelle 46, die mit der zweiten Eingangswelle 6b verbunden ist.
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2 zeigt diesen Teil des erfindungsgemäßen Doppelkupplungsgetriebes vergrößert, um die Details der Getriebestruktur genauer erkennen zu können.
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Das dreiwellige Überlagerungsgetriebe ist hier als Planetenradstufe 50 ausgeführt. Diese Planetenradstufe 50 hat ein Hohlrad 51, das die erste Koppelwelle 44 bildet, ein Sonnenrad 52, das die zweite Koppelwelle 45 bildet, und einen Planetenträger 53 mit mehreren Planetenradsätzen 54, der die dritte Koppelwelle 46 bildet.
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Die Planetenradsätze 54 bestehenden aus jeweils zwei miteinander kämmenden Planetenrädern 55 und 56, von denen die ersten Planetenräder 55 mit dem Sonnenrad 52 in Eingriff stehen und von denen die zweiten Planetenräder 56 mit dem Hohlrad 51 in Eingriff stehen.
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Mit so einer Planetenradstufe 50 erreicht man eine Standübersetzung zwischen dem Sonnenrad 52 und dem Hohlrad 51 bei stehendem Planetenträger 53 von ca. +2. Dies bedeutet, dass sich die Drehzahl am Hohlrad 51 = Rotorwelle 41 ungefähr als Mittelwert aus den Drehzahlen am Sonnenrad 52 = erster Eingangswelle 6a und am Planetenträger 53 = zweiter Eingangswelle 6b ergibt.
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Weiterhin ermöglicht dieser Aufbau der Planetenradstufe 50, dass die innen liegende erste Eingangswelle 6a durch das Sonnenrad 52 hindurch bis zur ersten reibschlüssigen Kupplung 5a verlängert werden kann und dass die außen liegende zweite Eingangswelle 6b durch den Planetenträger 53 hindurch bis zur zweiten reibschlüssigen Kupplung 5b verlängert werden kann.
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So ein Überlagerungsgetriebe 40 in einem Doppelkupplungsgetriebe erlaubt es nun, den Elektromotor 40 als Zentralsynchronisierung zu verwenden. Überträgt das Doppelkupplungsgetriebe 1 eine Leistung von der Antriebswelle 2 nur über eine der beiden Eingangswellen 6a oder 6b zur Abtriebswelle 3, dann kann nun in so einem Betriebszustand der Elektromotor 40 über eine Drehzahlregelung an seinem Rotor 41 die andere Eingangswelle 6b oder 6a auf beliebige Drehzahlen einstellen und damit den Synchronlauf an den Schaltelementen erreichen. Dabei fließt Leistung entweder von einer hier nicht näher dargestellten Batterie 47 in das Schaltgetriebesystem 10 oder von dem Schaltgetriebesystem 10 in eine Batterie 47. Bis auf relativ geringe Übertragungsverluste auf diesem Leistungspfad fallen keine weiteren Synchronisationsverluste an.
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Da im ersten Gang und im achten Gang beide Eingangswellen 6a und 6b im Leistungsfluss liegen, ist eine Zentralsynchronisierung zur Drehzahlanpassung einer der Eingangswellen 6a oder 6b als vorbereitende Maßnahme für eine Schaltung in einen nullten Gang bzw. einen neunten Gang nicht möglich, hier aber auch nicht nötig.
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5 zeigt einen ersten konstruktiven Entwurf für ein Doppelkupplungsgetriebe nach 1. Hieraus werden weitere Details zu dieser Erfindung deutlich. Diese Getriebeausführung weist aber nur die ersten sieben Gänge auf und den alternativen achten Gang.
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Durch die Nutzung des Elektromotors 40 als Zentralsynchronisierung im Schaltgetriebesystem 10 können im Schaltgetriebesystem 10 alle sonst erforderlichen Reibsynchronisierungen an den acht Schaltelementen 21 bis 28 entfallen. Diese Schaltelemente können somit als kompakte Klauenkupplungen mit sehr hoher Drehmomentübertragungsfähigkeit, geringeren Schleppverlusten und etwas geringeren Schaltwegen als in Standardsystemen ausgeführt werden.
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Die Schaltkräfte für so einfach aufgebaute Klauenkupplungen sind sehr gering, da kein Schaltkraftanteil zum Aufbau einer Kontaktnormalkraft in einer reibschlüssigen Synchronisiereinrichtung mehr nötig ist. Deshalb können in diesem Schaltgetriebesystem 10 die Schaltgabeln zur Betätigung der acht Schaltelemente 21 bis 28 als Leichtbau-Schaltgabeln ausgeführt werden. Wegen der geringeren Schaltkräfte und der geringen Schaltwege der Klauenkupplungen sinkt die Schaltarbeit erheblich, was den Gesamtwirkungsgrad dieses Doppelkupplungsgetriebes 1 erhöht.
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Im Schaltgetriebesystem sind die Zahnradstufen 11 bis 16 und die Schaltelemente 21 bis 28 so angeordnet, dass immer zwei Schaltelemente 21/24, 22/26, 23/27 und 25/28 von einer Schaltgabel bewegt werden können. Dieses Doppelkupplungsgetriebe 1 kommt somit für sieben oder acht Vorwärtsgänge mit nur vier Schaltgabeln aus.
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Die als Klauenkupplungen ausgeführten Schaltelemente sind entweder um die Mitte der ersten Zwischenwelle 7a oder um die Mitte der zweiten Zwischenwelle 7b angeordnet.
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Die zweiseitig wirkende Klauenkupplung 22/26 ist dabei vorzugsweise so ausgeführt, dass die Schaltmuffe auf der ersten Zwischenwelle 7a sitzt und bei Schaltung zu der einen Seite ein Rad der ersten Zahnradstufe 11 mit dieser ersten Zwischenwelle 7a verbindet und bei Schaltung zu der anderen Seite ein Rad der fünften Zahnradstufe 15 mit dieser ersten Zwischenwelle 7a.
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Die zweiseitig wirkende Klauenkupplung 23/27 ist vorzugsweise so ausgeführt, dass die Schaltmuffe auf der zweiten Zwischenwelle 7b sitzt und bei Schaltung zu der einen Seite ein Rad der zweiten Zahnradstufe 12 mit dieser zweiten Zwischenwelle 7b verbindet und bei Schaltung zu der anderen Seite ein Rad der sechsten Zahnradstufe 16 mit dieser zweiten Zwischenwelle 7b.
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Die zweiseitig wirkende Klauenkupplung 21/24 ist vorzugsweise so ausgeführt, dass die Schaltmuffe auf einer Seite eines Rades der dritten Zahnradstufe 13 sitzt und bei Schaltung zu der einen Seite dieses Rad mit der zweiten Zwischenwelle 7b verbindet. Die Schaltmuffe dieser Klauenkupplung ist über Bohrungen durch das Zahnrad hindurch auch mit einem weiteren Muffenkörper auf der anderen Seite dieses Zahnrades verbunden und kann diesen bewegen. Bei einer Schaltung zu der anderen Seite wird dieses Zahnrad mit dem daneben liegenden Zahnrad der zweiten Zahnradstufe 12 verbunden.
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Die Schrägungswinkel und die Schrägungsrichtung der schrägverzahnten Zahnradstufen 12 und 13 sind so ausgelegt, dass bei Antrieb des Fahrzeugs im ersten Gang die Axialkräfte aus den Zahneingriffen die beiden auf der zweiten Zwischenwelle 7b angeordneten Zahnräder gegen einander drücken und sich diese Axialkräfte annähernd aufheben. So werden in diesem Betriebszustand die Axiallagerungen zwischen diesen beiden Rädern und den angrenzenden Bauteilen auf der zweiten Zwischenwelle nur gering belastet.
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Die zweiseitig wirkende Klauenkupplung 25/28 ist in der Ausführungsvariante nach 1 vorzugsweise so ausgeführt, dass die Schaltmuffe auf einer Seite eines Rades der vierten Zahnradstufe 14 sitzt und bei Schaltung zu der einen Seite dieses Rad mit dem daneben liegenden Zahnrad der fünften Zahnradstufe 15 verbindet. Die Schaltmuffe dieser Klauenkupplung könnte über Bohrungen durch das Zahnrad hindurch auch mit einem weiteren Muffenkörper auf der anderen Seite dieses Zahnrades verbunden werden und könnte diesen bewegen. Bei einer Schaltung zu der anderen Seite würde dieses Zahnrad mit der ersten Zwischenwelle 7a verbunden.
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Die Schrägungswinkel und die Schrägungsrichtung der schrägverzahnten Zahnradstufen 14 und 15 würden dann ebenfalls so ausgelegt, dass bei Antrieb des Fahrzeugs im achten Gang die Axialkräfte aus den Zahneingriffen die beiden auf der ersten Zwischenwelle 7a angeordneten Zahnräder gegen einander drücken und sich diese Axialkräfte annähernd aufheben. So würden auch in diesem Betriebszustand die Axiallagerungen zwischen diesen beiden Rädern und den angrenzenden Bauteilen auf der ersten Zwischenwelle nur gering belastet.
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Die beiden Achsabstände im Schaltgetriebesystem 10 von den Eingangswellen 6a und 6b zur ersten Zwischenwelle 7a und zur zweiten Zwischenwelle 7b und die Übersetzungen der beiden Abtriebs-Zahnradstufen 17 und 18 sind so aufeinander abgestimmt, dass die vierte Zahnradstufe 14 und die sechste Zahnradstufe 16 das gleiche Ritzel auf der zweiten Eingangswelle 6b benutzen und das Getriebe trotzdem eine gute Abstufung zwischen den Gängen fünf und sieben hat.
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Durch die Verwendung von nur 8 kompakt angeordneten Zahnradstufen und von 4 zweiseitig wirkenden Klauenkupplungen erhält man einen äußerst kompakten, insbesondere einen äußerst kurzen Aufbau des Schaltgetriebesystems 10.
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Ein Antriebsstrang in einem Fahrzeug mit einem ausreichend starken Elektromotor braucht im Fahrgetriebe keinen mechanischen Rückwärtsgang. Ein Fahrzeug mit diesem erfindungsgemäßen Doppelkupplungsgetriebe kann über den Elektromotor 40 vorwärts und rückwärts rangieren. Im mechanischen ersten Gang über die zweite Eingangswelle 6b ist der zweite Gang über die erste Eingangswelle 6a bereits eingelegt. In diesem Betriebszustand, wie in jedem anderen Betriebszustand, bei dem beide Eingangswellen 6a und 6b mit der Abtriebswelle 3 verbunden sind, kann der Elektromotor 40 alleine das Fahrzeug antreiben. Dabei teilt sich das Drehmoment des Elektromotors 40 im Überlagerungsgetriebe 43 mit der vorzugsweisen Auslegung nahezu zur Hälfte auf beide Eingangswellen 6a und 6b auf.
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Nach so einer Rangierfahrt und der rein elektrischen Beschleunigung vorwärts kann durch Schließen der zweiten reibschlüssigen Kupplung 5b im ersten Gang weiter gefahren werden oder durch Schließen der ersten reibschlüssigen Kupplung 5a im zweiten Gang.
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Da vor jedem Gangwechsel beide Eingangswellen 6a und 6b mit der Abtriebswelle 3 verbunden sind, kann während jeder Schaltung der Elektromotor 40 einen Teil der Leistungsübertragung übernehmen und damit die Doppelkupplung 4 erheblich entlasten. Im Teillastbereich sind die Schaltverluste in der Doppelkupplung 4 dann minimal. Überhitzungen der Doppelkupplung bei sehr häufigen Teillastanfahrten im Stopp-and-Go-Verkehr können damit sicher vermieden werden.
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Die Mechatronik mit dem Steuergerät zur Getrieberegelung, den Sensoren zur Betriebspunkterkennung und den Aktuatoren zur Betätigung der Doppelkupplung und der Schaltgabeln ist hier nicht näher beschrieben. Sie kann nach dem Stand der Technik aufgebaut werden. Dabei ist es vorteilhaft eine elektrisch angetriebene Ölpumpe 48 zu verwenden, weil damit der Ölvolumenstrom genau nach dem erforderlichen Volumenstrom geregelt werden kann, und das dann ganz unabhängig von bestimmten Drehzahlen im Getriebe.
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Um die Gelenkwelle von der linken Ausgangswelle 9y zum linken Vorderrad des Fahrzeugs nicht zu kurz werden zu lassen und wegen des Durchmessers des Elektromotors 40 kommt in dieser Ausführungsvariante des Doppelkupplungsgetriebes 1 ein sehr kurz bauendes Kompaktdifferential 8 in Planetenradbauweise zum Einsatz. Der Achsabstand zwischen der Antriebswelle 2 und der Abtriebswelle 3 muss zudem mindestens so groß sein, dass die Verbindung zwischen der rechten Ausgangswelle 9x und dem rechten Vorderrad des Fahrzeugs am vorderen Teil des Getriebegehäuse 0 vorbei geht.
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Bezugszeichenliste
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- 0
- Getriebegehäuse
- 1
- Doppelkupplungsgetriebe
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Abtriebswelle
- 4
- Doppelkupplung
- 5a
- erste reibschlüssige Kupplung
- 5b
- zweite reibschlüssige Kupplung
- 6a
- erste Eingangswelle
- 6b
- zweite Eingangswelle
- 7a
- erste Zwischenwelle
- 7b
- zweite Zwischenwelle
- 8
- Differenzial
- 9x
- rechte Ausgangswelle
- 9y
- linke Ausgangswelle
- 10
- Schaltgetriebesystem
- 11
- erste Zahnradstufe
- 12
- zweite Zahnradstufe
- 13
- dritte Zahnradstufe
- 14
- vierte Zahnradstufe
- 15
- fünfte Zahnradstufe
- 16
- sechste Zahnradstufe
- 17
- erste Abtriebs-Zahnradstufe
- 18
- zweite Abtriebs-Zahnradstufe
- 21
- erstes Schaltelement
- 22
- zweites Schaltelement
- 23
- drittes Schaltelement
- 24
- viertes Schaltelement
- 25
- fünftes Schaltelement
- 26
- sechstes Schaltelement
- 27
- siebtes Schaltelement
- 28
- achtes Schaltelement
- 29
- elektromechanischer Aktuator
- 30
- Verbrennungsmotor
- 31
- Torsionsschwingungsdämpfer
- 35
- antriebsseitiger Deckel
- 36
- erster Ölkanal
- 37
- zweiter Ölkanal
- 38
- dritter Ölkanal
- 39
- vierter Ölkanal
- 40
- Elektromotor
- 41
- Rotorwelle
- 42
- Stator
- 43
- Überlagerungsgetriebestufe
- 44
- erste Koppelwelle
- 45
- zweite Koppelwelle
- 46
- dritte Koppelwelle
- 47
- Batterie
- 48
- Ölpumpe
- 49
- Resolver
- 50
- Planetenradstufe
- 51
- Hohlrad
- 52
- Sonnenrad
- 53
- Planetenträger
- 54
- Planetenradsatz
- 55
- erste Planetenräder
- 56
- zweite Planetenräder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010055645 A1 [0002]