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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltgetriebe für eine Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs, eine Antriebseinheit mit einem Schaltgetriebe sowie ein Verfahren zum Betrieb des Schaltgetriebes, wobei das Schaltgetriebe einen ersten Gang mit einem Übersetzungsverhältnis auf eine Fahrzeugachse zur langsamen Fahrt aufweist und das Schaltgetriebe weist einen zweiten Gang mit einem Übersetzungsverhältnis auf die Fahrzeugachse zur schnellen Fahrt auf, weiterhin umfasst das Schaltgetriebe ein erstes Schaltelement zur formschlüssigen Ein- und Auskupplung des ersten Ganges und das Schaltgetriebe weist eine reibschließend wirkende Lastkupplung zur Ein- und Auskupplung des zweiten Ganges auf.
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STAND DER TECHNIK
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Aus der
WO 2013/014 814 A1 ist ein Schaltgetriebe für die Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs bekannt, und das Schaltgetriebe ermöglicht das wechselweise Hin- und Herschalten zwischen dem ersten Gang und dem zweiten Gang ohne Zugkraftunterbrechung, was einen erhöhten Fahrkomfort ermöglicht. Zum Hin- und Herschalten zwischen dem ersten Gang und dem zweiten Gang mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen weist das Schaltgetriebe eine Eingangswelle auf, die mit einem Elektromotor in Verbindung gebracht ist, und das Schaltgetriebe weist eine Zwischenwelle auf, über die das Drehmoment auf eine Abtriebswelle übertragen werden kann.
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Zum Einlegen des ersten Ganges, beispielsweise wenn das Elektrofahrzeug steht und der Elektromotor nicht dreht, kann eine formschließend wirkende Kupplung aktiviert werden, sodass ein Drehmoment von der Eingangswelle auf die Zwischenwelle übertragen werden kann. Elektromotoren für Elektrofahrzeuge weisen Drehmomentkennlinien auf, die bereits aus dem Stillstand heraus ein hohes Drehmoment bereitstellen können. Folglich kann das Schaltgetriebe für ein Elektrofahrzeug bei stehendem Fahrzeug und nicht drehendem Elektromotor formschließend geschaltet werden, um den ersten Gang für eine langsame Fahrt einzulegen. Beschleunigt der Elektromotor, und erhöht dieser seine Drehzahl bis zu einer Grenzdrehzahl, so kann eine reibschließend wirkende Lastkupplung eingekuppelt werden, wobei, noch bevor das Drehmoment vollständig über die Lastkupplung übertragen wird, die formschließende Kupplung gelöst werden kann. Anschließend kann die reibschließend wirkende Lastkupplung vollständig schließen, sodass der zweite Gang unter Anpassung der Motordrehzahl für eine schnellere Fahrt über die reibschließend wirkend Lastkupplung eingelegt bleibt. Die Schaltvorgänge im Schaltgetriebe beim Zurückschalten, vom zweiten Gang für die schnelle Fahrt in den ersten Gang für die langsame Fahrt, erfolgen dabei auf umgekehrte Weise.
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Ein Hauptproblem heutiger Elektrofahrzeuge ist der hohe Energieverbrauch, der nicht nur durch den Betrieb des Elektromotors zur Traktion des Elektrofahrzeugs entsteht, sondern auch Nebenaggregate, beispielsweise zur Sicherstellung des Fahr- und Klimatisierungskomforts, bewirken einen hohen Nebenverbrauch. Ein zentraler Ansatz zur Verbrauchsreduzierung besteht dabei im Prinzip der gesamtheitlichen Auslegung und Optimierung des gesamten Fahrzeugsystems, sodass auch der Energieverbrauch zum Betrieb des Schaltgetriebes für die Antriebseinheit des Elektrofahrzeugs eine Rolle spielt.
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Die heutigen, marktetablierten Elektrofahrzeug-Antriebseinheiten bestehen neben der Leistungselektronik und der Traktionsbatterie meist aus einer permanenten Synchronmaschine zur Bildung des Elektromotors und aus einem Ein-Gang-Zentralgetriebe mit Differenzial. Die Elektromotoren sind dabei für relativ hohe Leistungen ausgelegt, um die batteriebedingt relativ schweren Fahrzeuge auch bei höheren Geschwindigkeiten gut beschleunigen zu können. Der Betriebspunkt des maximalen Wirkungsgrades dieser Elektromotoren befindet sich meist jedoch im mittleren Leistungsbereich. Um sicherzustellen, dass der elektrische Zweig, bestehend aus Elektromotor, Umrichter und Batterie selbst, möglichst mit einem hohen Fahranteil im Bereich des maximalen Wirkungsgrades betrieben wird, ist eine mechanische Variation der Betriebspunkte notwendig. Folglich sind Zwei-Gang-Schaltgetriebe notwendig, um wenigstens für durchschnittlich gefahrene höhere Geschwindigkeiten den Elektromotor mit einer Drehzahl zu betreiben, die im oder nahe dem Bereich des optimalen Wirkungsgrades liegen.
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Der Entwicklungstrend zeigt, dass automatisierte Getriebe in Fahrzeugen, auch durch die erfolgreiche Etablierung von Doppelkupplungsgetrieben, derzeit weitere Marktanteile gewinnen. So ist es absehbar, dass auch bei zukünftigen Elektrofahrzeugen mit Mehr-Gang-Getrieben keine Zugkraftunterbrechung während eines Schaltvorganges akzeptiert wird. Um dennoch denselben Schaltkomfort von konventionellen Fahrzeugen zu erreichen, müssen auch Elektrofahrzeuge mit Mehr-Gang-Getrieben dieselben Zusatzkomponenten wie eine Hochdruckhydraulik, eine Reibsynchronisierung und/oder eine Lamellenschalteinheit, aus heute bekannten Doppelkupplungs-Automatikgetrieben beinhalten. Insbesondere zur Aufrechterhaltung des Reibschlusses einer reibschließend wirkenden Lastkupplung, also für das vorliegende Getriebe zur dauerhaften Nutzung des zweiten Ganges für die schnelle Fahrt, ist ein hydraulisches oder ein elektromotorisch lastschaltendes Betätigungsglied vorgesehen und die Hydraulik oder das elektrische Betätigungsglied muss wenigstens für die Fahrdauer im zweiten Gang eingeschaltet bleiben, wodurch ein weiterer Energieverbrauch entsteht. Erst beim Lösen der reibschließend wirkenden Lastkupplung kann das elektrisch wirkende Betätigungsglied energieaufnahmelos gesetzt werden.
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Ohne eine reibschließend wirkende Lastkupplung kann jedoch der Vorteil einer drehmoment-unterbrechungsfreien Schaltung zwischen dem ersten und zweiten Gang des Schaltgetriebes nicht realisiert werden, sodass es wünschenswert ist, ein Schaltgetriebe bereitzustellen, bei dem trotz der Vorteile einer drehmomentunterbrechungsfreien Schaltung des Schaltgetriebes zwischen dem ersten und dem zweiten Gang der Energieverbrauch des Schaltgetriebes möglichst minimal ist.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Schaltgetriebes für die Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs, das einen minimalen Energieverbrauch bei Aufrechterhaltung eines hohen Fahrkomforts ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Schaltgetriebe für die Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ausgehend von einer Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs mit einem Schaltgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie ausgehend von einem Verfahren zum Betrieb des Schaltgetriebes gemäß Anspruch 10 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein zweites Schaltelement zur formschlüssigen Kopplung des zweiten Ganges vorgesehen ist, das einen parallel zur reibschließend wirkenden Lastkupplung verlaufenden Drehmomentpfad für den zweiten Gang bildet.
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Durch die erfindungsgemäße Aufnahme eines weiteren formschlüssig wirkenden Schaltelementes in das Schaltgetriebe wird der Vorteil erreicht, dass die reibschließend wirkende Lastkupplung bei eingelegtem zweiten Gang gelöst werden kann, sodass diese während des Betriebes des Schaltgetriebes im zweiten Gang keinen Energieverbraucher mehr darstellt. Die Bereitstellung von Energie zum Betrieb der reibschließend wirkenden Lastkupplung beschränkt sich lediglich auf die Phasen im Betrieb der Lastkupplung, die über Reibwirkung eine Drehzahldifferenz der beiden Kupplungsteile der Lastkupplung erfordern. Hat die reibschließend wirkende Lastkupplung vollständig eingekuppelt, so kann das formschlüssig wirkende zweite Schaltelement zugeschaltet werden, und der Drehmomentpfad, der über die Getriebestufen des zweiten Ganges läuft, kann von der reibschließend wirkenden Lastkupplung auf das zweite Schaltelement übergehen. Folglich kann die Lastkupplung außer Funktion gesetzt werden, bis ein Gangwechsel vom zweiten Gang in den ersten Gang erforderlich wird, wonach die Lastkupplung ebenfalls wieder entlastet werden kann, wenn der erste Gang vollständig eingelegt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schaltgetriebes mit einem ersten Schaltelement und einem zweiten Schaltelement mit einer jeweils formschlüssigen Wirkverbindung zur Bildung eines Drehmomentpfades wird das Getriebe für den dauerhaften Betrieb in jedem der beiden Gänge reibschlussfrei ausgestaltet, sodass das Schaltgetriebe im Wesentlichen energiebedarfsfrei betrieben werden kann.
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Das Schaltgetriebe kann eine Eingangswelle aufweisen, die mit einem Elektromotor verbindbar ist, und das Schaltgetriebe kann eine Zwischenwelle aufweisen, die mit einer Abtriebswelle zusammenwirkt, und vorzugsweise ist das zweite Schaltelement auf der Eingangswelle aufgenommen. Weiterhin kann das Schaltgetriebe eine Lastkupplung mit einem ersten Kupplungsteil aufweisen, der mit einer Hohlwelle verbunden ist, durch die sich die Eingangswelle hindurch erstreckt. Weiterhin kann die Lastkupplung einen zweiten Kupplungsteil aufweisen, der mit der Eingangswelle verbunden ist, wobei das zweite Schaltelement mit dem ersten Kupplungsteil zusammenwirkt. Dadurch kann das Drehmoment von der Eingangswelle über das zweite Schaltelement in das erste Kupplungsteil eingeleitet werden, wobei am ersten Kupplungsteil ein Zahnrad aufgenommen sein kann, das mit einem Zahnrad in Wirkverbindung steht, das auf der Zwischenwelle angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird eine mechanische Parallelschaltung des zweiten Schaltelementes mit der reibschließend wirkenden Lastkupplung ermöglicht, wobei das zweite Schaltelement formschlüssig wirkt und die Wirkverbindung zwischen der Eingangswelle und dem Zahnrad lediglich ein- und ausschalten kann. Auf gleiche Weise kann die Wirkverbindung zwischen der Eingangswelle und dem Zahnrad mittels der reibschlüssig wirkenden Lastkupplung ein- und ausgeschaltet werden, wobei jedoch zwischen der Ein- und Abkopplung der Eingangswelle mit dem Zahnrad durch die Lastkupplung auch eine Drehmomentübertragung bei unterschiedlichen Drehzahlen der Eingangswelle und des Zahnrades ermöglicht wird, welches sich auf der Hohlwelle befindet, die mit dem ersten Kupplungsteil verbunden ist.
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Das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement können als jeweils einzeln zwischen zwei Schaltstellungen bewegliches Schaltelement ausgebildet sein.
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Alternativ kann das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement als eine gemeinsame bewegliche Schalteinheit ausgebildet sein, wodurch die erforderliche Anzahl von Einzelteilen zur Bildung des Schaltgetriebes reduziert wird.
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Insbesondere wird durch das erfindungsgemäße Hinzufügen eines zweiten Schaltelementes mit der vorstehend beschriebenen Wirkung die Anzahl der Einzelteile, die zur Bildung des Schaltgetriebes erforderlich ist, nicht erhöht. Mit weiterem Vorteil kann das Schaltelement axial beweglich auf der Eingangswelle hin- und hergeschaltet werden, und das Schaltelement kann für den ersten Gang mit einem Losrad formschließend verbunden werden, um über das Losrad den Drehmomentpfad für den ersten Gang zu schaffen, und in einer weiteren Schaltstellung kann die bewegliche Schalteinheit axial so verschoben werden, dass das zweite Schaltelement den Formschluss für den zweiten Gang bildet. Dabei wird insbesondere vermieden, dass sowohl das erste Schaltelement als auch das zweite Schaltelement gleichzeitig in Eingriff steht, da dies für den Betrieb des Schaltgetriebes nicht notwendig ist.
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Die Schalteinheit kann als Doppelzahnkupplung mit einer ersten mit Formschlusszähnen versehenen Kupplungsseite und mit einer zweiten mit Formschlusszähnen versehenen Kupplungsseite ausgebildet sein, wobei die zweite Kupplungsseite der ersten Kupplungsseite gegenüberliegend an der Doppelzahnkupplung angeordnet ist. Die Doppelzahnkupplung kann auf der Eingangswelle verschieblich aufgenommen sein, und die sich gegenüberliegende Anordnung der Kupplungsseiten entspricht dabei der Verschieberichtung der Doppelzahnkupplung auf der Eingangswelle, und die Doppelzahnkupplung ist geometrisch derart ausgebildet, dass sich nur eine der beiden Kupplungsseiten in Formschluss mit dem Kupplungspartner, also einerseits mit dem Losrad und andererseits mit dem ersten Kupplungsteil der reibschließend wirkenden Lastkupplung, in Eingriff stehen kann.
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Zur Betätigung der Lastkupplung kann beispielsweise ein elektromotorisch und/oder ein hydraulisch oder pneumatisch lastschaltendes Betätigungsglied vorgesehen sein, das im ausgekuppelten Zustand der Lastkupplung energieaufnahmelos ist und somit keinen Energieverbraucher darstellt. Ein elektromotorisch lastschaltendes Betätigungsglied kann dabei aufgrund der elektrischen Energiezufuhr bevorzugt gehäusefest im oder am Schaltgetriebe angeordnet sein, und ist daher nicht drehbar. Die Betätigung der Lastkupplung zwischen zwei sich drehenden Wellen mittels eines gehäusefesten, elektrischen Betätigungsgliedes erfordert allerdings immer ein Ausrücklager zur Übertragung der Schaltkraft vom Aktuator auf das Schaltelement. Dabei entstehen in diesem Ausrücklager relativ hohe Verlustleistungen, was die mechanische Effizienz der Antriebseinheit deutlich mindert. Durch die erfindungsgemäße formschlüssige Übertragung des Drehmomentes durch das zweite Schaltelement ist jedoch die dauerhafte Betätigung der Lastkupplung nicht mehr notwendig, und die Kraftübertragung durch das Ausrücklager kann vermieden werden, sodass auch die damit verbundenen Verlustleistungen nicht mehr auftreten. Gemäß einer Alternative kann das Betätigungsglied auch hydraulisch auf die Lastkupplung wirken, und durch die nicht notwendige dauerhafte Betätigung der Lastkupplung entfällt auf gleiche Weise auch die energieaufwendige Bereithaltung eines hydraulischen Wirkfluids.
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Um eine vereinfachte Getriebevariante zu schaffen, kann die Lastkupplung modular angebunden sein, sodass das Schaltgetriebe auch bei fehlender Lastkupplung betreibbar ist. Wird die Lastkupplung entnommen, kann die Synchronisation der Drehzahlen im Schaltgetriebe durch eine Drehzahlanpassung des Elektromotors erfolgen, wobei bei fehlender Lastkupplung das zugkraftunterbrechungsfreie Schalten vom ersten Gang in den zweiten Gang nicht mehr möglich ist. Jedoch kann durch die Schalteinheit mit dem ersten Schaltelement und dem zweiten Schaltelement ein Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Gang ermöglicht werden, und ein Schaltgetriebe ohne Lastkupplung kann beispielsweise für einfacher ausgeführte Elektrofahrzeuge Anwendung finden. Die Lastkupplung kann derart modular ausgebildet sein, dass diese beispielsweise über lösbare Verbindungsmittel an die Eingangswelle und an die Hohlwelle angebracht werden kann, sodass die Lastkupplung bei einem Entfernen der Verbindungsmittel auf eben gleiche Weise gelöst werden kann.
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Eine weitere Funktion des erfindungsgemäßen Schaltgetriebes kann durch die Realisierung einer Parksperre zum dauerhaften Festsetzen des Fahrzeuges im Stillstand erreicht werden. Diese Sicherheitsfunktion ist im erfindungsgemäßen Schaltgetriebe ohne Zusatzkomponenten umsetzbar, indem das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement geschlossen wird. Aufgrund der unterschiedlichen Getriebeübersetzungen zwischen dem ersten und dem zweiten Fahrgang blockiert sich das Getriebe selbst und kann damit ein Drehmoment an den Rädern abstützen. Da die Lastkupplung ein Drehmoment aufgrund des Reibschlusses stufenlos übertragen kann, ist darüber hinaus ein sehr komfortables, ruckarmes Blockieren der Antriebseinheit möglich. Je nach Ausgestaltung der Schaltaktuatoren kann diese Funktion auch rein mechanisch ohne die Einbringung von Hilfsenergie aufrechterhalten werden. Bei einer entsprechenden Auslegung der Antriebseinheit auf die im Parksperren-Betrieb ermöglichten Missbrauchslastfälle kann damit eine separate, mechanische Parksperre entfallen, die beispielsweise aus Automatik- und Doppelkupplungsgetrieben bekannt ist.
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Die Erfindung richtet sich ferner auf eine Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs mit einem Elektromotor und mit einer Abtriebswelle, wobei zwischen dem Elektromotor und der Abtriebswelle ein Schaltgetriebe angeordnet ist, wobei das Schaltgetriebe einen ersten Gang mit einem Übersetzungsverhältnis auf eine Fahrzeugachse zur langsamen Fahrt und einen zweiten Gang mit einem Übersetzungsverhältnis auf die Fahrzeugachse zur schnellen Fahrt aufweist, weiterhin aufweisend ein erstes Schaltelement zur formschlüssigen Ein- und Auskupplung des ersten Ganges und aufweisend eine reibschließend wirkende Lastkupplung zur Ein- und Auskupplung des zweiten Ganges. Erfindungsgemäß ist dabei ein zweites Schaltelement zur formschlüssigen Kopplung, d.h. also eine weitere Zuschaltung des zweiten Ganges vorgesehen, das einen parallel zur reibschließend wirkenden Lastkupplung verlaufenden Drehmomentpfad für den zweiten Gang ermöglicht. Die weiteren Merkmale und damit einhergehenden Vorteile, die im Zusammenhang mit dem Schaltgetriebe vorstehend dargelegt sind, finden für die erfindungsgemäße Antriebseinheit ebenfalls Berücksichtigung.
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Die Erfindung richtet sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb eines Schaltgetriebes, das in einer Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs zwischen einem Elektromotor und einer Abtriebswelle angeordnet ist, mit einem ersten Gang mit einem Übersetzungsverhältnis auf eine Fahrzeugachse zur langsamen Fahrt und mit einem zweiten Gang mit einem Übersetzungsverhältnis auf die Fahrzeugachse zur schnellen Fahrt. Das Verfahren umfasst dabei erfindungsgemäß die Schritte des Einkuppelns des ersten Ganges durch ein formschlüssig wirkendes erstes Schaltelement, der Erhöhung der Drehzahl des Elektromotors, des teilweisen Einkuppelns eines zweiten Ganges mit einer reibschließend wirkenden Lastkupplung, des Auskuppelns des ersten Schaltelementes, des vollständigen Einkuppelns der Lastkupplung, des zusätzlichen Einkuppelns des zweiten Ganges über ein zweites Schaltelement und schließlich den Schritt des Auskuppelns der Lastkupplung.
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Insbesondere bei Elektrofahrzeugen mit einem Elektromotor kann dieser im Stillstand das Einkuppeln des ersten Ganges ermöglichen, wenn das Elektrofahrzeug steht und der Elektromotor nicht dreht. Ist der erste Gang durch ein formschlüssiges Einkuppeln des ersten Schaltelementes eingelegt, kann die Drehzahl des Elektromotors zum Losfahren des Elektrofahrzeugs erhöht werden. Erreicht die Drehzahl eine Grenzdrehzahl, und bedingt eine optimale Drehzahl des Elektromotors das Schalten in den zweiten Gang, kann die Lastkupplung zunächst teilweise einkuppeln, sodass ein Teil des Drehmoments über den Drehmomentfluss des ersten Ganges und ein weiterer Teil des Drehmoments über die Lastkupplung und damit über den Drehmomentfluss im zweiten Gang stattfindet. Kuppelt schließlich das erste Schaltelement aus, so kann die Lastkupplung vollständig Reibschließen, sodass das volle Drehmoment auch ohne Schlupf in der Lastkupplung übertragen werden kann. Schließlich kann das zweite Schaltelement zusätzlich einkuppeln, sodass, ohne Drehmomentunterbrechung, die Lastkupplung gelöst werden kann, und somit stromlos ist. Dadurch, dass die Lastkupplung ausgekuppelt wird, bildet diese keinen dauerhaften Energieverbraucher, und die Antriebseinheit überträgt das Drehmoment zwischen dem Elektromotor und der Fahrzeugachse über einen reinen Formschluss.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht einer Antriebseinheit mit einem erfindungsgemäßen Schaltgetriebe, wobei ein erster Gang I des Schaltgetriebes eingelegt ist und
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2 eine weitere schematische Ansicht der Antriebseinheit mit dem erfindungsgemäßen Schaltgetriebe, wobei ein zweiter Gang II des Schaltgetriebes eingelegt ist.
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Die 1 und 2 zeigen eine Antriebseinheit 100 mit einem Schaltgetriebe 1, das sich zwischen einem Elektromotor 30 und einer Fahrzeugachse 10 der Antriebseinheit 100 befindet. Der Elektromotor 30 ist dabei mit einer Eingangswelle 14 des Schaltgetriebes 1 verbunden, und die Fahrzeugachse 10 weist eine Abtriebswelle 16 auf, an die beispielsweise angetriebene Räder eines Elektrofahrzeugs angeordnet werden können.
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Das Schaltgetriebe 1 weist einen ersten Gang I auf (1), der ein Übersetzungsverhältnis auf die Fahrzeugachse 10 zur langsamen Fahrt ermöglicht, und das Schaltgetriebe 1 weist einen zweiten Gang II auf (2), das ein Übersetzungsverhältnis auf die Fahrzeugachse 10 zur schnellen Fahrt ermöglicht. Weiterhin umfasst das Schaltgetriebe 1 ein erstes Schaltelement 11 zur formschlüssigen Ein- und Auskupplung des ersten Ganges I und das Schaltgetriebe 1 umfasst eine reibschließend wirkende Lastkupplung 12 zur Ein- und Auskupplung des zweiten Ganges II.
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Weiterhin umfasst das Schaltgetriebe 1 ein zweites Schaltelement 13 zur formschlüssigen Kopplung und damit zur Ein- und Auskupplung des zweiten Ganges II, das einen parallel zur reibschließend wirkenden Lastkupplung 12 verlaufenden Drehmomentpfad für den zweiten Gang II ermöglicht. Dadurch kann, nach Einkupplung des zweiten Ganges II durch die Lastkupplung 12, das zweite Schaltelement 13 die Eingangswelle 14 formschließend mit der gezeigten Hohlwelle 17 verbinden, sodass die Lastkupplung 12 entlastet werden kann, ohne dass die Kupplungsteile 12a und 12b reibschließend miteinander in Wirkverbindung bleiben müssen. Der Drehmomentpfad für den zweiten Gang II verläuft folglich über das zweite Schaltelement 13, sodass nachfolgend der Betrieb des Schaltgetriebes 1 im ersten Gang I und im zweiten Gang II anhand der 1 (erster Gang I) und der 2 (zweiter Gang II) im Folgenden näher beschrieben wird.
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1 zeigt das Schaltgetriebe 1 mit einem Drehmomentfluss durch den ersten Gang I, dargestellt durch eine gestrichelte Linie, in dem das erste Schaltelement 11 ein Losrad 19 mit der Eingangswelle 14 formschließend verbindet. Das Losrad 19 wirkt mit einem Zahnrad 24 zusammen, welches auf einer Zwischenwelle 15 aufgenommen ist. Dadurch wird die Zwischenwelle 15 angetrieben, und ein weiteres Zahnrad 25 befindet sich ebenfalls auf der Zwischenwelle 15, das mit einem Zahnrad 26 zusammenwirkt, das auf der Abtriebswelle 16 der Fahrzeugachse 10 aufgenommen ist. Beispielhaft ist dabei die Fahrzeugachse 10 zudem mit einem Differenzial 27 gezeigt.
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Im eingelegten ersten Gang I ist die Lastkupplung 12 ungeschaltet, und die ersten und zweiten Kupplungsteile 12a und 12b stehen nicht in Reibschluss miteinander, und die Schaltung der Lastkupplung 12 erfolgt beispielhaft gezeigt durch ein Betätigungsglied 18.
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Das erste Schaltelement 11 ist beispielhaft als Bestandteil einer Schalteinheit 20 gezeigt, die beispielsweise durch eine Doppelzahnkupplung 20 gebildet sein kann. Dabei ist die Doppelzahnkupplung 20 ferner mit einem zweiten Schaltelement 13 ausgestaltet, das jedoch nicht in Eingriff mit der Hohlwelle 17 steht. Die Hohlwelle 17 ist dabei mit dem ersten Kupplungsteil 12a verbunden und das zweite Kupplungsteil 12b ist mit der Eingangswelle 14 verbunden. Wird das Schaltgetriebe 1 im gezeigten ersten Gang I betrieben, so findet eine Drehzahldifferenz zwischen dem ersten Kupplungsteil 12a und dem zweiten Kupplungsteil 12b statt. Durch die Rotation der Zwischenwelle 15 bewirkt der dauerhafte Eingriff des Zahnrades 23 auf der Zwischenwelle 15 auch eine Rotation des Zahnrades 22, das verdrehfest mit der Hohlwelle 17 und folglich verdrehfest mit dem ersten Kupplungsteil 12a ausgestaltet ist.
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Der Drehmomentpfad des ersten Ganges I ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt, und es ist angedeutet, dass sich die Schalteinheit 20 über das erste Schaltelement 11 in Formschluss mit dem Losrad 19 befindet.
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Erreicht das Elektrofahrzeug eine Grenzdrehzahl für den ersten Gang I, so muss die Drehzahl des Elektromotors 30 für einen optimalen Betriebspunkt im schnelleren Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs reduziert werden, sodass in den zweiten Gang geschaltet werden muss, der in Zusammenhang mit 2 beschrieben ist.
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2 zeigt das Schaltgetriebe 1 als Bestandteil der Antriebseinheit 100 zwischen dem Elektromotor 30 und der Fahrzeugachse 10, wobei der zweite Gang II eingeschaltet ist, dargestellt durch eine gestrichelte Linie. Dabei befindet sich die Schalteinheit 20 mit dem zweiten Schaltelement 13 in Formschluss mit dem rotierenden Bauteil umfassend das Zahnrad 22, die Hohlwelle 17 und das erste Kupplungsteil 12a. Dabei kann die Lastkupplung 12 deaktiviert sein, sodass – wenigstens das Betätigungsglied 18 – keinen Energieverbraucher darstellt. Der Drehmomentpfad läuft dabei über die Eingangswelle 14, über den Formschluss des zweiten Schaltelementes 13 zwischen der Schalteinheit 20 und dem Zahnrad 22, das mit dem Zahnrad 23 auf der Zwischenwelle 15 in Wirkverbindung steht. Schließlich wird die Drehbewegung der Zwischenwelle 15 mit dem Zahneingriff des Zahnrades 25 mit dem Zahnrad 26 auf die Abtriebswelle 16 über das Differenzial 27 der Fahrzeugachse 10 übertragen.
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Das erfindungsgemäße Schaltgetriebe 1 weist folglich eine Lastkupplung 12 auf, die lediglich für einen Gangwechsel zwischen dem ersten Gang I und dem zweiten Gang II notwendig ist, und der Gangwechsel vom ersten Gang I in den zweiten Gang II wird nachfolgend näher beschrieben.
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In Zusammenschau der 1 und 2 können folglich zwei Betriebsmodi beschrieben werden, und wird vom ersten Gang I gemäß 1 in den zweiten Gang II gemäß 2 geschaltet, so kann, im Schaltzustand des Schaltgetriebes 1 gemäß 1 die Lastkupplung 12 durch das Betätigungsglied 18 aktiviert werden, wobei die Lastkupplung 12 nur soweit geschlossen wird, bis das gesamte Drehmoment des Elektromotors 30 auf die Hauptstufe des zweiten Ganges II übertragen wird. In diesem Zustand ist das Losrad 19 des ersten Ganges I nahezu drehmomentfrei und kann über ein schematisch dargestelltes Schaltglied 21 durch ein axiales Verschieben der Schalteinheit 20 gelöst werden, sodass das zweite Schaltelement 13 außer Eingriff mit dem Losrad 19 gelangt. Das Losrad 19 ist folglich vom Elektromotor 30 entkoppelt.
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Das resultierende Drehmoment an der Abtriebswelle 16 ändert sich dabei nicht. Ebenso bleiben die Drehzahlen der Eingangswellen 14 und der Zwischenwelle 15 nach wie vor unverändert, da die Lastkupplung 12 das Drehmoment des Elektromotors 30 trotz rutschender Kupplungsteile 12a und 12b an die Zwischenwelle 15 überträgt. Nachdem diese Drehmomentübergabe abgeschlossen ist und die Eingangswelle 14 mit dem Elektromotor 30 nur noch über eine Reibkupplung mit der Abtriebswelle 16 des Fahrzeugs verbunden ist, wird nun der Drehzahlausgleich durchgeführt. Dabei wird das Drehmoment im Elektromotor 30 bei gleichbleibendem Kupplungsdrehmoment der Lastkupplung 12 reduziert. Die Drehzahl der Eingangswelle 14 wird geringer und gleicht sich immer weiter der Synchrondrehzahl des zweiten Ganges II an, sodass die Kupplungsteile 12a und 12b schließlich die gleiche Drehzahl aufweisen.
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Das Drehmoment an der Abtriebswelle 16 bleibt dabei weiterhin unverändert, da die immer noch rutschende Lastkupplung 12 ein durch das Betätigungsglied 18 eingeprägtes Drehmoment überträgt. Sobald die Eingangswelle 14 die Synchrondrehzahl mit der Hohlwelle 17 erreicht hat, wird das zweite Schaltelement 13 geschlossen und der zweite Gang II ist eingelegt. Die Lastkupplung 12 kann nun geöffnet werden, wodurch auch ein nicht gezeigtes Ausrücklager, beispielsweise zwischen dem Betätigungsglied 18 und dem zweiten Kupplungsteil 12b, entlastet wird.
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Für eine Rückschaltung vom zweiten Gang II zum ersten Gang I im Zugbetrieb des Elektrofahrzeugs laufen die vorstehend beschriebenen Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge ab. Dafür muss zunächst der Drehmomentfluss vom formschlüssigen zweiten Schaltelement 13 auf die Lastkupplung 12 geleitet werden. Die Lastkupplung 12 wird daraufhin zunächst geschlossen, während das zweite Schaltelement 13 unter Belastung geöffnet wird. Je nach Fahrsituation wird dabei die Schaltkraft über das Betätigungsglied 18 mit der Lastkupplung 12 angepasst.
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Kinematisch erfolgt lediglich der Abbau von elastischen Verformungen in der Schaltverzahnung, da die Lastkupplung 12 und das zweite Schaltelement 13 exakt dieselben Wellen 14 und 15 miteinander verbinden. Nachdem der Drehmomentfluss über die Lastkupplung 12 realisiert wird, erfolgt der Drehzahlausgleich. Bei dieser Rückschaltung muss die Drehzahl des Elektromotors 30 erhöht werden, was dadurch erreicht wird, dass das Drehmoment des Elektromotors 30 über den Wert des eingestellten Kupplungsmomentes angehoben wird. Die Lastkupplung 12 beginnt zu rutschen und die Eingangswelle 14 wird beschleunigt. Sobald die Eingangswelle 14 die Synchrondrehzahl mit der Hohlwelle 17 erreicht hat, wird wiederum das erste Schaltelement 11 geschlossen und das Drehmoment fließt vollständig über diesen Pfad, wie in 1 dargestellt. Die beschriebenen Vorgänge variieren je nach Fahrsituation und Betriebsgrenzen bezüglich des maximalen Drehmomentes des Elektromotors 30 und bezüglich der erreichbaren Gesamtschaltzeit und überschneiden sich teilweise in der zeitlichen Abfolge.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Antriebseinheit
- 1
- Schaltgetriebe
- 10
- Fahrzeugachse
- 11
- erstes Schaltelement
- 12
- Lastkupplung
- 12a
- erster Kupplungsteil
- 12b
- zweiter Kupplungsteil
- 13
- zweites Schaltelement
- 14
- Eingangswelle
- 15
- Zwischenwelle
- 16
- Abtriebswelle
- 17
- Hohlwelle
- 18
- Betätigungsglied
- 19
- Losrad
- 20
- Schalteinheit, Doppelzahnkupplung
- 21
- Schaltglied
- 22
- Zahnrad
- 23
- Zahnrad
- 24
- Zahnrad
- 25
- Zahnrad
- 26
- Zahnrad
- 27
- Differenzial
- 30
- Elektromotor
- I
- erster Gang
- II
- zweiter Gang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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