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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise, insbesondere ein Automatgetriebe für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Automatgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassen nach dem Stand der Technik Planetenradsätze, die mittels Reibungs- bzw. Schaltelementen, wie etwa Kupplungen und Bremsen, geschaltet werden und üblicherweise mit einem einer Schlupfwirkung unterliegenden und wahlweise mit einer Überbrückungskupplung versehenen Anfahrelement, wie etwa einem hydrodynamischen Drehmomentwandler oder einer Strömungskupplung, verbunden sind.
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Automatisch schaltbare Fahrzeuggetriebe in Planetenbauweise im Allgemeinen sind im Stand der Technik bereits vielfach beschrieben und unterliegen einer permanenten Weiterentwicklung und Verbesserung. So sollen diese Getriebe einen geringen Bauaufwand, insbesondere eine geringe Anzahl an Schaltelementen erfordern und bei sequentieller Schaltweise Doppelschaltungen, d.h. ein Zu- bzw. Abschalten von zwei Schaltelementen vermeiden, so dass bei Schaltungen in definierten Ganggruppen jeweils nur ein Schaltelement gewechselt wird. Ferner soll mittels derartiger Getriebe der Spritverbrauch gesenkt werden, was einerseits durch Reduzierung der internen Getriebeverluste und andererseits durch Betreiben des Verbrennungsmotors im idealen Betriebspunkt erfolgen kann.
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Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise zu hybridisieren, wobei zu diesem Zweck elektrische Maschinen hauptsächlich auf der Eingangswelle von lastschaltbaren Planetengetrieben installiert werden, um Hybridfunktionen wie Anfahren, Rekuperieren, Motorstart etc. zu übernehmen.
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Zudem ist bekannt, elektrische Maschinen auf der Abtriebswelle von Mehrstufengetrieben in Planetenbauweise anzuordnen, was jedoch in dem Nachteil resultiert, dass die im Getriebe vorhandenen Übersetzungsstufen nicht genutzt werden können. Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, eine elektrische Maschine auf einer Welle im Getriebe anzuordnen; hierbei werden die Lastschaltelemente des Getriebes, die in der Regel als Reibkupplungen und Reibbremsenausgeführt sind hinsichtlich ihrer Getriebeanordnung und Funktion beibehalten.
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Aus der
DE 10 2007 005 438 A1 der Anmelderin geht ein mehrgängiges Planetenkoppelgetriebe mit mehreren Planetenradsätzen und mehreren Schaltelementen hervor, bei dem wenigstens eine elektrische Maschine vorgesehen ist, welche mit einem der Planetenradsätze in Wirkverbindung steht, wobei von der elektrischen Maschine über eine Welle des ihr zugeordneten Planetenradsatzes ein Drehmoment in den Planetenradsatz einleitbar ist, um ein an dem zugeordneten Planetenradsatz anliegendes Drehmoment zur Darstellung einer Übersetzung in dem Planetenkoppelgetriebe über die elektrische Maschine abzustützen.
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Aus der
DE 10 2005 014 332 A1 geht ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs hervor, mit einem als Verbrennungsmotor ausgebildeten Antriebsmotor und einem mehrstufigen Automatgetriebe, das mehrere zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle angeordnete und miteinander gekoppelte Planetengetriebe aufweist, die jeweils als Getriebebauteile mindestens ein außenverzahntes Sonnenrad, einen mehrere außenverzahnte Planetenräder tragenden Planetenträger und ein innenverzahntes Hohlrad enthalten und die zur Einstellung verschiedener Gangstufen zumindest teilweise über mehrere, jeweils mit einem der Getriebebauteile in Verbindung stehende Schaltelemente schaltbar sind. Beidem bekannten Getriebe ist zur Schaffung eines Hybrid-Antriebsstrangs mindestens eines der Schaltelemente des Automatgetriebes als elektrische Maschine ausgebildet, deren Rotor drehfest mit dem zugeordneten Getriebebauteil und deren Stator drehfest mit dem Getriebegehäuse verbunden ist.
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Aus der
DE 10 2010 028 026 A1 der Anmelderin ist ein Hybridantriebsstrang und ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstranges bekannt. Hierbei weist der Hybridantriebsstrang einen Verbrennungsmotor, zumindest ein Zahnradgetriebe mit wenigstens zwei Teilgetrieben zum zugkraftunterbrechungsfreien Schalten, die jeweils zumindest eine schaltbare Gangstufe aufweisen, mehrere elektrische Maschinen, wobei wenigstens zwei Teilgetriebe jeweils zumindest einer elektrischen Maschine zugeordnet sind, die mit dem Verbrennungsmotor in Wirkverbindung stehen oder in Wirkverbindung gebracht werden können. Ferner weist der Hybridantriebsstrang zumindest einen Energiespeicher sowie zumindest eine Steuerungselektronik zum Ansteuern der elektrischen Maschinen auf, wobei zumindest eine einem Teilgetriebe zugeordnete elektrische Maschine über zumindest ein formschlüssiges Schaltelement mit dem Verbrennungsmotor in Wirkverbindung gebracht werden kann. Die in den wenigstens zwei Teilgetrieben vorhandenen schaltbaren Gangstufen werden, von einem Direktgang bei koaxialem An- und Abtrieb abgesehen, jeweils durch genau ein Einzelgetriebe, beispielsweise durch ein Stirnradpaar oder einen Planetenradsatz erzeugt. Ein 8-Gang-Getriebe mit koaxialem Abtrieb würde für die 8 Gänge mindestens 8 Einzelgetriebe in Form von 8 Stirnradpaaren benötigen, da ein weiteres Stirnradpaar für die Rückführung der Leistung auf den koaxialen Abtrieb benötigen.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Hybridantriebsstränge weisen den Nachteil auf, dass ein hoher Bauteil- und Bauraumbedarf erforderlich ist, wobei der Einsatz von Reibschaltelementen in hohen Schleppverlusten resultiert. Zudem ist oft ein zusätzliches Anfahrelement erforderlich, beispielsweise ein Wandler.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise anzugeben, mittels dessen mindestens neun Vorwärts-Gänge realisierbar sind. Das Getriebe soll einen geringen Bauaufwand erfordern und mit höher werdenden Gängen kleiner werdende Gangsprünge ermöglichen. Zudem soll das Getriebe einen hohen Getriebewirkungsgrad aufweisen und die bisher bekannten konventionellen Getriebefunktionen und sämtliche Funktionen eines Voll-Hybrid-Getriebes, d.h. Starten, Anfahren und Reversieren, Boosten und Rekuperieren sowie Lastschalten zur Verfügung stellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach wird ein Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise vorgeschlagen, umfassend einen mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Antrieb und einen Abtrieb, welche in einem Gehäuse angeordnet sind. Des Weiteren sind zumindest vier Planetenradsätze, im Folgenden als erster, zweiter, dritter und vierter Planetenradsatz bezeichnet, acht drehbare Wellen – im Folgenden als Antriebswelle, Abtriebswelle, dritte, vierte, fünfte, sechste, siebte und achte Welle bezeichnet – sowie sechs vorzugsweise als Lamellenschaltelemente oder als formschlüssige Schaltelemente ausgeführte Schaltelemente, umfassend Bremsen und Kupplungen, vorgesehen, deren selektives Eingreifen verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb bewirkt, so dass vorzugsweise acht Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang realisierbar sind.
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Die Planetenradsätze des Getriebes sind vorzugsweise als Minus-Planetenradsätze ausgebildet.
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Ein einfacher Minus-Planetenradsatz umfasst bekanntlich ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, an dem Planetenräder drehbar gelagert sind, die jeweils mit Sonnenrad und Hohlrad kämmen. Hierdurch weist das Hohlrad bei festgehaltenem Steg eine zum Sonnenrad entgegengesetzte Drehrichtung auf. Demgegenüber umfasst ein einfacher Plus-Planetenradsatz ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, an dem innere und äußere Planetenräder drehbar gelagert sind, wobei alle inneren Planetenräder mit dem Sonnenrad und alle äußeren Planetenräder mit dem Hohlrad kämmen, wobei jedes innere Planetenrad mit jeweils einem äußeren Planetenrad kämmt. Hierdurch weist das Hohlrad bei festgehaltenem Steg die gleiche Drehrichtung auf wie das Sonnenrad und es ergibt sich eine positive Standgetriebeübersetzung.
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Gemäß der Erfindung ist bei dem Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise die mit dem Verbrennungsmotor verbundene Antriebswelle mit dem Steg des ersten Planetenradsatzes verbunden und über eine erste Kupplung mit einer fünften Welle lösbar verbindbar, welche mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist, wobei eine siebte Welle mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes und dem Steg des dritten Planetenradsatzes verbunden ist, wobei eine achte Welle mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes und dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes verbunden ist und über eine zweite Kupplung mit der mit dem Steg des vierten Planetenradsatzes verbundenen Abtriebswelle lösbar verbindbar ist. Des Weiteren ist eine dritte Welle mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes verbunden und über eine erste Bremse an das Gehäuse des Getriebes ankoppelbar, wobei eine vierte Welle mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes und dem Hohlrad des vierten Planetenradsatzes verbunden und über eine zweite Bremse an das Gehäuse ankoppelbar ist. Ferner ist eine sechste Welle mit dem Sonnenrad des vierten Planetenradsatzes und dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes verbunden.
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Gemäß der Erfindung ist eine dritte oder vierte Kupplung vorgesehen, durch deren Schließen der erste Planetenradsatz verblockbar ist. Die dritte Kupplung kann gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung als Kupplung ausgeführt sein, welche die Antriebswelle mit der siebten Welle und somit den Steg mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes lösbar verbindet. Die vierte Kupplung kann als Kupplung ausgeführt sein, welche die Antriebswelle mit der dritten Welle und somit das Sonnenrad mit dem Steg des ersten Planetenradsatzes lösbar verbindet.
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Ferner ist eine fünfte, sechste oder siebte Kupplung vorgesehen, durch deren Schließen der dritte Planetenradsatz verblockbar ist. Die fünfte Kupplung kann gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung als Kupplung ausgeführt sein, welche sechste Welle mit der siebten Welle und somit den Steg mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes lösbar verbindet. Die sechste Kupplung kann als Kupplung ausgeführt sein, welche die sechste Welle mit der achten Welle und somit das Sonnenrad mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes lösbar verbindet, wobei die siebte Kupplung als Kupplung ausgeführt sein kann, welche die siebte Welle mit der achten Welle und somit das Sonnenrad mit dem Steg des dritten Planetenradsatzes lösbar verbindet.
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Gemäß der Erfindung kann eine elektrische Maschine mit jeder Welle des Mehrstufengetriebes in Planetenbauweise verbunden oder verbindbar sein. Ferner kann eine elektrische Maschine mit mindestens einer Welle verbunden oder verbindbar sein.
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Vorzugsweise ist eine elektrische Maschine über ein achtes und ein neuntes reib- oder formschlüssiges Schaltelement wahlweise mit der fünften oder mit der achten Welle lösbar verbindbar. Durch diese Ausgestaltung können mehrere, zusätzliche elektrische Fahrgänge realisiert werden, wobei aus diesen Fahrgängen ein Zustarten des Verbrennungsmotors durch Zuschalten von Schaltelementen des Mehrstufengetriebes in Planetenbauweise erfolgen kann.
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Die Schaltelemente des Mehrstufengetriebes in Planetenbauweise können als reibschlüssige oder als formschlüssige Schaltelemente ausgeführt sein, wobei vorzugsweise formschlüssige Schaltelemente, beispielsweise Klauenschaltelemente, verwendet werden, da diese weniger Bauraum als reibschlüssige Schaltelemente beanspruchen, günstiger herstellbar sind und einen besseren Wirkungsgrad aufweisen; durch die Verwendung von formschlüssigen Schaltelementen werden die Schleppmomente erheblich reduziert, wodurch Verbrauchseinsparungen ermöglicht werden. Aus diesem Grund werden formschlüssige Schaltelemente, wie Klauen, eingesetzt. Um beim erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise Verbrauchseinsparungen zu erzielen, wird im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, zumindest die zweite Bremse und die fünfte, sechste oder siebte Kupplung, bei denen große Schleppmomente auf Grund hoher Stützfaktoren/abzustützender Drehmomente zu erwarten sind, als formschlüssige Schaltelemente auszuführen. Ferner können die verwendeten Klauenschaltelemente als Synchronisierung ausgeführt sein, wodurch beim Wechsel elektrischer Fahrgänge Schaltelemente synchronisiert werden können, die sonst in ihrer Drehzahl über die elektrische Maschine nicht beeinflussbar sind.
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Die geometrische Lage bzw. Reihenfolge der einzelnen Planetensätze und Schaltelemente ist frei wählbar, solange es die Bindbarkeit der Elemente zulässt. So können einzelne Elemente beliebig in ihrer Lage verschoben werden, Die geometrische Lage der Schaltelemente ist prinzipiell frei wählbar. Anzustreben ist jedoch eine Position, an der sie gut von Aktuatoren erreichbar sind, insbesondere für den Fall, dass eine elektro-mechanische Aktuatorik verwendet wird. Andere Betätigungsarten für die Schaltelemente, wie z.B. eine hydraulische oder pneumatische Betätigung oder eine Betätigung mittels Federkraft sind ebenso denkbar.
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Das hier vorgestellte Getriebe weist den Vorteil auf, dass mit lediglich einer elektrischen Maschine und zumindest einem formschlüssigen Schaltelement alle konventionellen Funktionalitäten sowie sämtliche Hybridfunktionalitäten darstellbar sind.
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Zum Anfahren im EDA-Betrieb wirken der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine gemeinsam und leistungsverzweigt auf den Abtrieb, wobei die dabei wirkende Übersetzung im Bereich der Übersetzung des rein mechanischen ersten Ganges liegt. Eine etwas längere Übersetzung ist noch vertretbar, da damit zumindest bei geringer Steigung bzw. Fahrleistungsanforderung angefahren werden kann. Zum Laden der elektrischen Maschine im Stillstand wird in dieser Konstellation der Abtrieb festgebremst, was durch Betätigung der Feststellbremse erfolgen kann.
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Beim Fahren im EDA-Betrieb wirken der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine gemeinsam und leistungsverzweigt auf den Abtrieb, wobei die dabei wirkende Übersetzung im Bereich der Übersetzung des in diesem Fahrzustand geforderten rein mechanischen Ganges liegt.
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Zum Lastschalten oder Schalten mit Zugkrafterhaltung am Abtrieb wirken der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine gemeinsam und leistungsverzweigt auf den Abtrieb, wobei durch eine geeignete Drehzahlverstellung am Verbrennungsmotor und an der elektrischen Maschine das Abtriebsmoment aufrecht erhalten werden kann, wobei der geforderte neue Gang ansynchronisiert und geschaltet werden kann.
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Zum Lastschalten oder Schalten mit Zugkrafterhaltung am Abtrieb durch die abtriebsgekoppelte elektrische Maschine erhält die elektrische Maschine das Abtriebsmoment und die zu schaltenden Schaltelemente im Getriebe werden durch den Verbrennungsmotor synchronisiert, so dass der geforderte neue Gang geschalten werden kann.
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Bei geeigneter Verschaltung im Planetengetriebe kann das Fahrzeug allein durch die elektrische Maschine angetrieben werden; sind hierbei die weiteren Schaltelemente des Getriebes offen, so ist der Verbrennungsmotor in diesem Zustand abgekoppelt, wobei er durch Zuschalten von Schaltelementen gestartet bzw. hinzugeschaltet werden kann.
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Ferner sind mit dem erfindungsgemäßen Getriebe die Funktionen Reversieren, Rekuperieren, Boosten, Parksperrenfunktion realisierbar.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Mehrstufengetriebes ergeben sich geeignete Übersetzungen sowie eine erhöhte Gesamtspreizung des Mehrstufengetriebes, wodurch eine Verbesserung des Fahrkomforts und eine signifikante Verbrauchsabsenkung bewirkt werden.
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Darüber hinaus wird mit dem erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebe durch eine geringe Anzahl an Schaltelementen der Bauaufwand erheblich reduziert. In vorteilhafter Weise ist es mit dem erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebe möglich, ein Anfahren mit einem hydrodynamischen Wandler, einer externen Anfahrkupplung oder auch mit sonstigen geeigneten externen Anfahrelementen durchzuführen. Es ist auch denkbar, einen Anfahrvorgang mit einem im Getriebe integrierten Anfahrelement zu ermöglichen. Vorzugsweise eignet sich ein Schaltelement, welches im ersten Vorwärtsgang und im Rückwärtsgang betätigt wird.
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Des Weiteren ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebe ein guter Wirkungsgrad in den Hauptfahrgängen bezüglich der Schlepp- und Verzahnungsverluste.
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In vorteilhafter Weise liegen geringe Drehmomente in den Schaltelementen und in den Planetenradsätzen des Mehrstufengetriebes vor, wodurch der Verschleiß bei dem Mehrstufengetriebe in vorteilhafter Weise reduziert wird. Zudem wird durch die geringen Drehmomente eine entsprechend geringe Dimensionierung ermöglicht, wodurch der benötigte Bauraum und die entsprechenden Kosten reduziert werden. Darüber hinaus liegen auch geringe Drehzahlen bei den Wellen, den Schaltelementen und den Planetenradsätzen vor.
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Außerdem ist das erfindungsgemäße Getriebe derart konzipiert, dass eine Anpassbarkeit an unterschiedliche Triebstrangausgestaltungen sowohl in Kraftflussrichtung als auch in räumlicher Hinsicht ermöglicht wird. Das Getriebe kann beispielsweise in Front-Quer Bauweise oder im Rahmen eines Standardantriebs eingebaut werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. In diesen stellen dar:
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1: eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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2: ein beispielhaftes Schaltschema für ein Mehrstufengetriebe gemäß 1;
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3: eine Tabelle zur Veranschaulichung der realisierbaren elektrischen Fahrgänge sowie der Gänge, bei denen ein Zustarten des Verbrennungsmotors durch Zuschalten von Schaltelementen möglich ist;
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4: eine schematische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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5: eine schematische Ansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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6: eine schematische Ansicht einer vierten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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7: eine schematische Ansicht einer fünften bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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8: eine schematische Ansicht einer sechsten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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9: eine schematische Ansicht einer siebten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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10: ein beispielhaftes Schaltschema für ein Mehrstufengetriebe gemäß 9;
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11: eine schematische Ansicht einer achten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes; und
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12: eine schematische Ansicht einer neunten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Mehrstufengetriebe mit einer Antriebswelle 1, einer Abtriebswelle 2 und vier Planetenradsätzen, nämlich einem ersten Planetenradsatz P1, einem zweiten Planetenradsatz P2, einem dritten Planetenradsatz P3 und einem vierten Planetenradsatz P4 dargestellt, welche in einem Gehäuse G angeordnet sind. Die Planetenradsätze des Getriebes sind hierbei vorzugsweise als Minus-Planetenradsätze ausgebildet.
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Gemäß der Erfindung kann zumindest ein Planetenradsatz P1, P2, P3, P4 als Plus-Planetenradsatz ausgeführt sein, wenn gleichzeitig die Steg- und Hohlradanbindung getauscht und der Betrag der Standgetriebeübersetzung im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetenradsatz um 1 erhöht wird.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Planetenradsätze P1, P2, P3, P4 axial betrachtet in der Reihenfolge erster Planetenradsatz P1, zweiter Planetenradsatz P2, dritter Planetenradsatz P3, vierter Planetenradsatz P4 angeordnet. Gemäß der Erfindung sind die axiale Reihenfolge der einzelnen Planetenradsätze und die Anordnung der Schaltelemente frei wählbar, solange es die Bindbarkeit der Elemente zulässt.
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Das erfindungsgemäße Mehrstufengetriebe weist insgesamt acht drehbare Wellen auf, nämlich die Wellen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, wobei die Antriebswelle die erste Welle 1 und die Abtriebswelle die zweite Welle 2 des Getriebes bilden.
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Erfindungsgemäß ist bei dem Mehrstufengetriebe gemäß 1 vorgesehen, dass die mit dem Verbrennungsmotor verbundene Antriebswelle 1 mit dem Steg des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden und über eine erste Kupplung 15 mit einer fünften Welle 5 lösbar verbindbar ist, welche mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden ist, wobei eine siebte Welle 7 mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes P1 und dem Steg des dritten Planetenradsatzes P3 verbunden ist und wobei eine achte Welle 8 mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes P2 und dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes P3 verbunden ist und über eine zweite Kupplung 28 mit der mit dem Steg des vierten Planetenradsatzes P4 verbundenen Abtriebswelle 2 des Getriebes lösbar verbindbar ist.
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Bezugnehmend auf 1 ist eine dritte Welle 3 mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden und über eine erste Bremse 03 an das Gehäuse G des Getriebes ankoppelbar, wobei eine vierte Welle 4 mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes P2 und dem Hohlrad des vierten Planetenradsatzes P4 verbunden und über eine zweite Bremse 04 an das Gehäuse ankoppelbar ist. Zudem ist eine sechste Welle 6 mit dem Sonnenrad des vierten Planetenradsatzes P4 und dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes P3 verbunden.
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Bei dem gezeigten Beispiel ist eine dritte Kupplung 17 vorgesehen, durch deren Schließen der erste Planetenradsatz P1 verblockbar ist, wobei die dritte Kupplung 17 als Kupplung ausgeführt ist, welche die Antriebswelle 1 mit der siebten Welle 7 und somit den Steg mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes P1 lösbar verbindet.
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Wie 1 zu entnehmen ist eine fünfte Kupplung 67 vorgesehen, durch deren Schließen der dritte Planetenradsatz P3 verblockbar ist, welche die sechste Welle 6 mit der siebten Welle 7 und somit den Steg mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes P3 lösbar verbindet.
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Gemäß der Erfindung ist eine elektrische Maschine EM über ein achtes und ein neuntes reib- oder formschlüssiges Schaltelement E5, E8 wahlweise mit der fünften oder mit der achten Welle 5, 8 lösbar verbindbar. Durch diese Ausgestaltung können mehrere, zusätzliche elektrische Fahrgänge realisiert werden, wobei aus diesen Fahrgängen ein Zustarten des Verbrennungsmotors durch Zuschalten von Schaltelementen des Mehrstufengetriebes in Planetenbauweise erfolgen kann. Alternativ zu der gezeigten Ausgestaltung können die fünfte und achte Welle 5, 8 mit jeweils einer elektrischen Maschine lösbar verbindbar sein.
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Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung kann zur Betätigung der ersten Bremse 03 und der dritten Kupplung 17 oder der ersten Bremse 03 und der ersten Kupplung 15 ein doppeltwirkender Aktuator vorgesehen sein.
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In 2 ist ein beispielhaftes Schaltschema für die mechanischen Vorwärts-Gänge eines Mehrstufengetriebes gemäß 1 dargestellt, wobei das Getriebe neun Vorwärts-Gänge aufweist. Für jeden Gang werden drei Schaltelemente geschlossen. Dem Schaltschema können die jeweiligen Übersetzungen i der einzelnen Gangstufen und die daraus zu bestimmenden Gangsprünge bzw. Stufensprünge ϕ für die verwendeten Standgetriebeübersetzungen der Planetenradsätze zum nächst höheren Gang beispielhaft entnommen werden, wobei der Wert 9,010 die Spreizung des Getriebes darstellt.
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Die Werte für die Standgetriebeübersetzungen der Planetenradsätze P1, P2, P3, P4 sind bei dem gezeigten Beispiel jeweils –3,486, –1,681, –1,804 und –2,466. Aus 2 wird ersichtlich, dass bei sequentieller Schaltweise jeweils nur ein Schaltelement zugeschaltet und ein Schaltelement abgeschaltet werden muss, da zwei benachbarte Gangstufen zwei Schaltelemente gemeinsam benutzen. Ferner wird ersichtlich, dass eine große Spreizung bei kleinen Gangsprüngen erzielt wird.
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Der erste Vorwärts-Gang ergibt sich durch Schließen der zweiten Bremse 04 und der ersten und fünften Kupplung 15, 67, der zweite Vorwärts-Gang durch Schließen der zweiten Bremse 04 und der dritten und fünften Kupplung 17, 67, der dritte Vorwärts-Gang durch Schließen der zweiten Bremse 04 und der zweiten und dritten Kupplung 28, 17, der vierte Vorwärts-Gang durch Schließen der ersten und zweiten Bremse 03, 04 und der zweiten Kupplung 28, der fünfte Vorwärts-Gang durch Schließen der zweiten Bremse 04 und der ersten und zweiten Kupplung 15, 28, der sechste Vorwärts-Gang durch Schließen der ersten Bremse 03 und der ersten und zweiten Kupplung 15, 28, der bei dem gezeigten Beispiel als Direktgang ausgeführte siebte Vorwärts-Gang durch Schließen der ersten, zweiten und fünften Kupplung 15, 28, 67, der achte Vorwärts-Gang durch Schließen der ersten Bremse 03 und der zweiten und fünften Kupplung 28, 67 und der neunte Vorwärts-Gang ergibt sich durch Schließen der ersten Bremse 03 und der ersten und fünften Kupplung 15, 67.
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Ferner sind drei weitere Vorwärts-Gänge mit einer Übersetzung höher als 1 realisierbar, die im Schaltschema gemäß 2 mit Z bezeichnet sind. Diese werden durch Schließen der zweiten Bremse 04 und der ersten und dritten Kupplung 15, 17, durch Schließen der ersten und zweiten Bremse 03, 04 und der fünften Kupplung 67 oder durch Schließen der ersten und zweiten Bremse 03, 04 und der ersten Kupplung 15 realisiert. Wie aus 2 ersichtlich, kann der Direktgang auch durch Schließen der ersten, zweiten und dritten Kupplung 15, 28, 17, oder durch Schließen der ersten, dritten und fünften Kupplung 15, 17, 67 oder durch Schließen der zweiten, dritten und fünften Kupplung 28, 17, 67 realisiert werden. Diese Direktgänge sind in 1 mit M bezeichnet.
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Gemäß der Erfindung ergeben sich auch bei gleichem Getriebeschema je nach Schaltlogik unterschiedliche Gangsprünge, so dass eine anwendungs- bzw. fahrzeugspezifische Variation ermöglicht wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe ist zumindest ein Rückwärts-Gang mittels der elektrischen Maschine darstellbar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe werden in vorteilhafter Weise rein elektrische Fahrgänge realisiert, wie anhand der Tabelle in 3 veranschaulicht. Die erste Spalte der Tabelle zeigt die Welle, die mit der elektrischen Maschine EM durch Schließen des entsprechenden Schaltelementes E5 oder E8 verbunden ist, die zweite Spalte die dadurch erzielbare Übersetzung am Abtrieb des Getriebes, die vierte Spalte die zur Realisierung des elektrischen Fahrgangs im geschlossenen Zustand benötigten Schaltelemente des Getriebes und die dritte Spalte die mechanischen Gänge, bei denen durch Zuschalten eines weiteren Schaltelementes ein Zustarten des Verbrennungsmotors möglich ist.
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Demnach werden rein elektrische Fahrgänge durch Schließen der achten Kupplung E5, der zweiten Bremse 04 und der fünften Kupplung 67, durch Schließen der achten Kupplung E5, der zweiten Bremse 04 und der zweiten Kupplung 28, durch Schließen der achten, zweiten und fünften Kupplung E5, 28, 67, durch Schließen der achten Kupplung, ersten und zweiten Kupplung E5, 15, 28, durch Schließen der neunten Kupplung E8, der zweiten Bremse 04 und der fünften Kupplung 67, durch Schließen der neunten Kupplung E8, der zweiten Bremse 04 und der zweiten Kupplung 28, durch Schließen der neunten, zweiten und fünften Kupplung E8, 28, 67 und durch Schließen der neunten, ersten und zweiten Kupplung E8, 15, 28 realisiert, wobei durch Schließen eines weiteren Schaltelementes, derart, dass ein mechanischer Gang gemäß 2 geschaltet wird, ein Zustarten des Verbrennungsmotors ermöglicht wird.
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Anstelle der dritten Kupplung 17, durch deren Schließen der erste Planetenradsatz P1 verblockt wird, kann eine vierte Kupplung 13 vorgesehen sein, welche die Antriebswelle 1 mit der dritten Welle 3 und somit das Sonnenrad mit dem Steg des ersten Planetenradsatzes P1 lösbar verbindet. Ferner kann die fünfte Kupplung 67, durch deren Schließen der dritte Planetenradsatz verblockt wird durch eine sechste Kupplung 68 oder durch eine siebte Kupplung 78 ersetzt werden, wobei die sechste Kupplung 68 die sechste Welle 6 mit der achten Welle 8 und somit das Sonnenrad mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes P3 lösbar verbindet und wobei die siebte Kupplung 78 die siebte Welle 7 mit der achten Welle 8 und somit das Sonnenrad mit dem Steg des dritten Planetenradsatzes P3 lösbar verbindet.
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Die unterschiedlichen funktionsgleichen Varianten, die sich durch Einbau der vierten Kupplung und/oder den Einbau der sechsten oder siebten Kupplung ergeben werden anhand 4, 5, 6, 7, und 8 dargestellt. Bei dem Beispiel gemäß 4 ist die dritte Kupplung 17 durch die vierte Kupplung 13 ersetzt, wobei bei dem Beispiel gemäß 5 die fünfte Kupplung 67 durch die sechste Kupplung 68 ersetzt ist. Ferner sind bei dem Getriebe gemäß 6 die dritte Kupplung 17 durch die vierte Kupplung 13 und die fünfte Kupplung 67 durch die sechste Kupplung 68 ersetzt.
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Ferner wird gemäß 7 ein Getriebe gezeigt, bei dem die fünfte Kupplung 67 durch die siebte Kupplung 78 ersetzt ist, wobei 8 ein Getriebe zeigt, bei dem die dritte Kupplung 17 durch die vierte Kupplung 13 und die fünfte Kupplung 67 durch die siebte Kupplung 78 ersetzt sind.
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Das den Ausführungsformen gemäß 4, 5, 6, 7 und 8 entsprechende Schaltschema entspricht dem Schaltschema gemäß 2 mit dem Unterschied, dass für den Fall, dass eine vierte Kupplung 13 vorgesehen ist, diese die dritte Kupplung 17 ersetzt und dass für den Fall, dass eine sechste oder siebte Kupplung 68, 78 vorgesehen ist, diese die fünfte Kupplung 67 ersetzt. Ferner wird für den Fall, dass eine sechste oder siebte Kupplung 68, 78 vorgesehen ist, in der Tabelle der rein elektrischen Fahrgänge gemäß 3 die fünfte Kupplung 67 durch die sechste bzw. siebte Kupplung 68, 78 ersetzt.
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Gemäß der Erfindung sind zumindest die zweite Bremse 04 und die fünfte, sechste oder siebte Kupplung 67, 68, 78 als formschlüssige Schaltelemente ausgeführt.
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Gegenstand der 9 ist ein erfindungsgemäßes Getriebe, bei dem die mit dem Verbrennungsmotor verbundene Antriebswelle 1 mit dem Steg des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden und über eine erste Kupplung 15 mit einer fünften Welle 5 lösbar verbindbar ist, welche mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden ist, wobei eine dritte Welle 3 mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden und über eine zehnte Kupplung 37 mit der mit dem Steg des dritten Planetenradsatzes P3 verbundenen siebten Welle 7 lösbar verbindbar ist und wobei eine achte Welle 8 mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes P2 und dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes P3 verbunden ist und über eine zweite Kupplung 28 mit der mit dem Steg des vierten Planetenradsatzes P4 verbundenen Abtriebswelle 2 des Getriebes lösbar verbindbar ist.
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Bezugnehmend auf 9 ist das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes P1 an das Gehäuse G gekoppelt (Welle 0), wobei eine vierte Welle 4 mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes P2 und dem Hohlrad des vierten Planetenradsatzes P4 verbunden und über eine zweite Bremse 04 an das Gehäuse ankoppelbar ist. Zudem ist eine sechste Welle 6 mit dem Sonnenrad des vierten Planetenradsatzes P4 und dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes P3 verbunden.
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Ferner ist eine dritte Kupplung 17 vorgesehen, welche die Antriebswelle 1 mit der siebten Welle 7 lösbar verbindet.
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Des Weiteren ist eine fünfte Kupplung 67 vorgesehen, durch deren Schließen der dritte Planetenradsatz P3 verblockbar ist, welche die sechste Welle 6 mit der siebten Welle 7 und somit den Steg mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes P3 lösbar verbindet. Die fünfte Kupplung 67, durch deren Schließen der dritte Planetenradsatz verblockt wird, kann analog zum Ausführungsbeispiel nach 1 durch eine sechste Kupplung 68 oder durch eine siebte Kupplung 78 ersetzt werden, wobei die sechste Kupplung 68 die sechste Welle 6 mit der achten Welle 8 und somit das Sonnenrad mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes P3 lösbar verbindet und wobei die siebte Kupplung 78 die siebte Welle 7 mit der achten Welle 8 und somit das Sonnenrad mit dem Steg des dritten Planetenradsatzes P3 lösbar verbindet. Die Ausgestaltung des Getriebes, umfassend die sechste Kupplung 68 ist Gegenstand der 11, wobei 12 das Getriebe, umfassend die siebte Kupplung 78 darstellt.
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Bezugnehmend auf 9, 11 und 12 ist eine elektrische Maschine EM über ein achtes und ein neuntes reib- oder formschlüssiges Schaltelement E5, E8 wahlweise mit der fünften oder mit der achten Welle 5, 8 lösbar verbindbar. Alternativ zu dieser Ausgestaltung können die fünfte und achte Welle 5, 8 mit jeweils einer elektrischen Maschine lösbar verbindbar sein.
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Demnach unterscheidet sich das in 9 gezeigte Getriebe von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass die erste Bremse 03 und die vierte Kupplung 13 entfallen, wobei das Schließen der dritten Kupplung 17 nicht zu einer Verblockung des ersten Planetenradsatzes P1 führt, dass die dritte Welle 3 mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden und über eine zehnte Kupplung 37 mit der mit dem Steg des dritten Planetenradsatzes P3 verbundenen siebten Welle 7 lösbar verbindbar ist und dass das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes P1 an das Gehäuse G gekoppelt ist.
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Das in 10 gezeigte Schaltschema für das Getriebe gemäß 9 entspricht dem Schaltschema nach 1 mit dem Unterschied, dass die erste Bremse 03 durch die zehnte Kupplung 37 ersetzt wird, wobei für den Fall, dass eine sechste oder siebte Kupplung 68, 78 vorgesehen ist, diese die fünfte Kupplung 67 ersetzt. Ferner wird für den Fall, dass eine sechste oder siebte Kupplung 68, 78 vorgesehen ist, in der Tabelle der rein elektrischen Fahrgänge gemäß 3 die fünfte Kupplung 67 durch die sechste bzw. siebte Kupplung 68, 78 ersetzt. Für die Ausführungsform nach 9 bleibt die Tabelle gemäß 3 unverändert.
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Erfindungsgemäß ist es ferner optional möglich, an jeder geeigneten Stelle des Mehrstufengetriebes zusätzliche Freiläufe vorzusehen, beispielsweise zwischen einer Welle und dem Gehäuse oder um zwei Wellen gegebenenfalls zu verbinden.
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Auf der Antriebsseite oder auf der Abtriebsseite können ein Achsdifferential und/oder ein Verteilerdifferential angeordnet werden.
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Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Antriebswelle 1 durch ein Kupplungselement von einem Antriebs-Motor nach Bedarf getrennt werden, wobei als Kupplungselement ein hydrodynamischer Wandler, eine hydraulische Kupplung, eine trockene Anfahrkupplung, eine nasse Anfahrkupplung, eine Magnetpulverkupplung oder eine Fliehkraftkupplung einsetzbar sind. Es ist auch möglich, ein derartiges Anfahrelement in Kraftflussrichtung hinter dem Getriebe anzuordnen, wobei in diesem Fall die Antriebswelle 1 ständig mit der Kurbelwelle des Antriebs-Motors verbunden ist.
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Das erfindungsgemäße Mehrstufengetriebe ermöglicht außerdem die Anordnung eines Torsionsschwingungsdämpfers zwischen Antriebsmotor und Getriebe.
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Im Rahmen einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann auf jeder Welle, bevorzugt auf der Antriebswelle 1 oder der Abtriebswelle 2, eine verschleißfreie Bremse, wie z.B. ein hydraulischer oder elektrischer Retarder oder dergleichen, angeordnet sein, was insbesondere für den Einsatz in Nutzkraftfahrzeugen von besonderer Bedeutung ist. Des Weiteren kann zum Antrieb von zusätzlichen Aggregaten auf jeder Welle, bevorzugt auf der Antriebswelle 1 oder der Abtriebswelle 2, ein Nebenabtrieb vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 0
- Welle
- 1
- erste Welle, Antriebswelle
- 2
- zweite Welle, Abtriebswelle
- 3
- dritte Welle
- 4
- vierte Welle
- 5
- fünfte Welle
- 6
- sechste Welle
- 7
- siebte Welle
- 8
- achte Welle
- 03
- erste Bremse
- 04
- zweite Bremse
- 13
- vierte Kupplung
- 15
- erste Kupplung
- 17
- dritte Kupplung
- 28
- zweite Kupplung
- 37
- zehnte Kupplung
- 67
- fünfte Kupplung
- 68
- sechste Kupplung
- 78
- siebte Kupplung
- E5
- achte Kupplung
- E8
- neunte Kupplung
- EM
- elektrische Maschine
- G
- Gehäuse
- P1
- erster Planetenradsatz
- P2
- zweiter Planetenradsatz
- P3
- dritter Planetenradsatz
- P4
- vierter Planetenradsatz
- i
- Übersetzung
- ϕ
- Stufensprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007005438 A1 [0006]
- DE 102005014332 A1 [0007]
- DE 102010028026 A1 [0008]
