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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise, insbesondere ein Automatgetriebe für ein Kraftfahrzeug.
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Automatgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassen nach dem Stand der Technik Planetensätze, 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.
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Aus der
DE 103 44 947 A1 ist ein Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise mit einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle und drei Planetensätzen bekannt, die in einem Gehäuse angeordnet sind. Das hieraus vorbekannte Mehrstufengetriebe hat eine Antriebswelle sowie eine hierzu koaxial und am anderen axialen Ende des Getriebes vorgesehene Abtriebswelle. Zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle ist zu diesen koaxial eine Zwischenwelle vorgesehen. Das Mehrstufengetriebe hat eine erste Kupplung, mit welcher die Zwischenwelle mit der Antriebswelle koppelbar ist. Über eine zweite Kupplung ist die Antriebswelle mit einer vierten Welle koppelbar, welche permanent mit dem Steg des zweiten Planetensatzes verbunden ist und welche über eine dritte Bremse mit dem Gehäuse koppelbar ist und einen Nabenabschnitt umfasst, welcher mit dem Hohlrad des ersten Planetensatzes verbunden ist. Dessen Sonnenrad sowie das Sonnenrad des zweiten Planetensatzes sind mit der Zwischenwelle verbunden. Die Antriebswelle ist wiederum mit dem Sonnenrad des dritten Planetensatzes verbunden. Dessen Steg ist über eine fünfte Welle mit dem Hohlrad des zweiten Planetensatzes verbunden, die über eine erste Bremse mit dem Gehäuse verbindbar ist. Das Hohlrad des dritten Planetensatzes ist von einer Nabe umgeben, welche über eine zweite Bremse mit dem Gehäuse koppelbar ist.
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Aus der
DE 10 2008 000 428 A1 der Anmelderin ist ein Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise bekannt, welches einen Antrieb und einen Abtrieb aufweist, welche in einem Gehäuse angeordnet sind. Bei dem bekannten Getriebe sind zumindest vier Planetensätze, im Folgenden als erster, zweiter, dritter und vierter Planetensatz bezeichnet, mindestens acht drehbare Wellen – im Folgenden als Antriebswelle, Abtriebswelle, dritte, vierte, fünfte, sechste, siebte und achte Welle bezeichnet, sowie zumindest sechs Schaltelemente, umfassend Bremsen und Kupplungen, vorgesehen, deren selektives Eingreifen verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb bewirkt, so dass vorzugsweise neun Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang realisierbar sind.
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Hierbei bilden der erste und der zweite Planetensatz, die vorzugsweise als Minus-Planetensätze, also mit negativer Standgetriebe-Übersetzung, ausgebildet sind, einen schaltbaren Vorschaltradsatz, wobei der dritte und der vierte Planetensatz einen Hauptradsatz bilden.
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Bei dem bekannten Mehrstufengetriebe ist vorgesehen, dass die Stege des ersten und des zweiten Planetensatzes über die vierte Welle miteinander gekoppelt sind, welche mit einem Element des Hauptradsatzes verbunden ist, dass das Hohlrad des ersten Planetensatzes mit dem Sonnenrad des zweiten Planetensatzes über die achte Welle gekoppelt ist, welche über eine erste Kupplung mit der Antriebswelle lösbar verbindbar ist und dass das Sonnenrad des ersten Planetensatzes mittels der dritten Welle über eine erste Bremse an ein Gehäuse des Getriebes ankoppelbar und über eine zweite Kupplung mit der Antriebswelle lösbar verbindbar ist, wobei das Hohlrad des zweiten Planetensatzes mittels der fünften Welle über eine zweite Bremse an ein Gehäuse des Getriebes ankoppelbar ist. Zudem ist die siebte Welle mit zumindest einem Element des Hauptradsatzes ständig verbunden und über eine dritte Bremse an das Gehäuse des Getriebes ankoppelbar, wobei die sechste Welle mit zumindest einem weiteren Element des Hauptradsatzes ständig verbunden und über eine dritte Kupplung mit der Antriebswelle lösbar verbindbar ist; die Abtriebswelle ist mit zumindest einem weiteren Element des Hauptradsatzes ständig verbunden.
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Vorzugsweise ist bei dem bekannten Getriebe die vierte Welle ständig mit dem Hohlrad des dritten Planetensatzes verbunden, wobei die sechste Welle ständig mit dem Hohlrad des vierten Planetensatzes und dem Steg des dritten Planetensatzes verbunden und über die dritte Kupplung mit der Antriebswelle lösbar verbindbar ist. Ferner ist die siebte Welle ständig mit den Sonnenrädern des dritten und vierten Planetensatzes verbunden und über die dritte Bremse an ein Gehäuse des Getriebes ankoppelbar. Der Abtrieb erfolgt hierbei über die ständig mit dem Steg des vierten Planetensatzes verbundene Abtriebswelle. Des Weiteren können der dritte und der vierte Planetensatz zu einem Ravigneaux-Satz mit einem gemeinsamen Steg und einem gemeinsamen Hohlrad zusammengesetzt bzw. reduziert sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mehrstufengetriebe der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches sechs Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang mit ausreichender Übersetzung aufweist, bei dem der Bauaufwand und die Baugröße, insbesondere die Baulänge, bzw. das Gewicht optimiert werden und zudem der Wirkungsgrad hinsichtlich der Schlepp- und Verzahnungsverluste verbessert wird. Zudem sollen bei dem erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebe geringe Stützmomente auf die Schaltelemente wirken. Das erfindungsgemäß Getriebe soll sich vor allem für eine Front-Quer-Bauweise eignen.
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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 erfindungsgemäßes Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise vorgeschlagen, welches in einem Gehäuse angeordnet ist und eine Antriebswelle und eine axial versetzt zu der Antriebswelle angeordnete Abtriebswelle aufweist. Des Weiteren sind zumindest drei Planetensätze, im Folgenden als erster, zweiter und dritter Planetensatz bezeichnet, sowie zumindest fünf als Lamellenschaltelemente oder als form schlüssige Schaltelemente ausgeführte Schaltelemente, umfassend zwei Bremsen und drei Kupplungen, vorgesehen, deren selektives Eingreifen verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb bewirkt, so dass vorzugsweise sechs Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang realisierbar sind. Das erfindungsgemäße Mehrstufengetriebe hat neben den An- und Abtriebswellen, dritte, vierte, fünfte und sechste Wellen. Vorzugsweise können insgesamt sieben drehbare Wellen vorgesehen sein.
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Unter einer Welle kann hier insbesondere eine drehfeste Verbindung zwischen zumindest zwei Elementen verstanden werden, wobei die Elemente dieselbe Drehzahl aufweisen.
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Die Planetensätze sind axial betrachtet vorzugsweise in der Reihenfolge erster Planetensatz, zweiter Planetensatz, dritter Planetensatz oder dritter Planetensatz, zweiter Planetensatz, erster Planetensatz angeordnet und sind vorzugsweise als Minus-Planetensätze ausgebildet. Im Rahmen weiterer Ausführungsformen der Erfindung kann die axiale Reihenfolge der Planetensätze beliebig sein.
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Ein Minus-Planetenradsatz ist bevorzugt ein Planetenradsatz mit genau einem Steg, an dem Planetenräder drehbar gelagert sind, mit genau einem Sonnenrad und mit genau einem Hohlrad, wobei die Verzahnung jedes der Planetenräder sowohl mit der Verzahnung des Sonnenrades als auch mit der Verzahnung des Hohlrades kämmt, wodurch Hohlrad und Sonnenrad in entgegengesetzte Drehrichtung, wenn das Sonnenrad bei feststehenden Steg rotiert.
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Das Sonnenrad des ersten Planetensatzes mit dem Sonnenrad des zweiten Planetensatzes verbunden und über eine zweite Kupplung mit der Antriebswelle lösbar verbindbar, welche mit dem Sonnenrad des dritten Planetensatzes verbunden und über eine erste Kupplung mit der vierten Welle des Getriebes lösbar verbindbar ist. Der erste Planetensatz ist dabei regelmäßig konzentrisch zu der Abtriebswelle angeordnet, d.h. dreht um diese.
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Die vierte Welle ist mit dem Steg des zweiten Planetensatzes und in der Regel unter Zwischenschaltung eines Zwischenrades mit dem Hohlrad des ersten Planetensatzes verbunden und über eine zweite Bremse an das Gehäuse des Getriebes ankoppelbar, wobei die dritte Welle mit dem Hohlrad des zweiten Planetensatzes verbunden ist, über eine erste Bremse an das Gehäuse des Getriebes ankoppelbar ist und über eine dritte Kupplung mit der mit dem Steg des dritten Planetensatzes verbundenen sechsten Welle lösbar verbindbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe ist vorgesehen, dass die Abtriebswelle mit dem Steg des ersten Planetensatzes verbunden ist, wobei das Hohlrad des dritten Planetensatzes an das Gehäuse des Getriebes gekoppelt ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Mehrstufengetriebes ergeben sich insbesondere für Personenkraftwagen 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, als Anfahrelement. Ein solches Schaltelement kann zum Beispiel die zweite Bremse sein.
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Alternativ bietet sich die Möglichkeit zwei Schaltelemente als Anfahrelemente zu verwenden. Solche zwei Schaltelemente können zum Beispiel die zweite Kupplung und die dritte Kupplung oder die zweite Kupplung und die zweite Bremse sein.
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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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Ferner liegen geringe Drehmomente in den Schaltelementen und in den Planetensätzen des Mehrstufengetriebes vor, wodurch der Verschleiß bei dem Mehrstufengetriebe in vorteilhafter Weise reduziert wird. Darüber hinaus liegen auch geringe Drehzahlen bei den Wellen, den Schaltelementen und den Planetensätzen vor. Besonders vorteilhaft ist die durch das Getriebe erzielbare niedrige Drehzahl des Stegs des dritten Planetensatzes, wodurch das Getriebe zum Einbau in Personenkraftwagen besonders geeignet ist.
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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.
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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; und
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2: ein beispielhaftes Schaltschema für ein Mehrstufengetriebe gemäß 1.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufengetriebes mit einer Antriebswelle 1, einer axial versetzt zu der Antriebswelle 1 jedoch sich parallel hierzu erstreckenden Abtriebswelle 2 und drei Planetensätzen P1, P2 und P3 dargestellt, welche in einem Gehäuse G angeordnet sind. Die Planetensätze P1, P2, P3 sind bei dem in 1 gezeigten Beispiel als Minus-Planetensätze ausgebildet. Gemäß der Erfindung kann zumindest ein Planetensatz als Plus-Planetensatz ausgeführt sein, wenn gleichzeitig die Steg- und Hohlradanbindung getauscht und der Betrag der Standgetriebeübersetzung im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetensatz um 1 erhöht wird.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Planetensätze axial betrachtet in der Reihenfolge P1, P2, P3 angeordnet.
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Wie aus 1 ersichtlich, sind fünf Schaltelemente, nämlich zwei Bremsen 03, 04 und drei Kupplungen 14, 15, 36 vorgesehen. Die räumliche Anordnung der Schaltelemente kann beliebig sein und wird nur durch die Abmessungen und die äußere Formgebung begrenzt. Die Kupplungen und die Bremse des Getriebes sind vorzugsweise als Reibschaltelemente, Lamellenschaltelemente oder als formschlüssige Schaltelemente ausgeführt.
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Als formschlüssige Schaltelemente eignen sich insbesondere die zweite Bremse 04 und die zweite Kupplung 15.
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Mit diesen Schaltelementen ist ein selektives Schalten von sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang realisierbar. Das gezeigte Ausführungsbeispiel des Mehrstufengetriebes weist insgesamt sieben drehbare Wellen auf, nämlich neben der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 2 die Wellen 3, 4, 5, 6 und 7. Dabei sind die Wellen 3 bis 6 koaxial zu der Antriebswelle 1, wohingegen die Welle 7 koaxial zu der Abtriebswelle 2 angeordnet ist. Die Welle 8 dient zur Lagerung des Hohlrades des ersten Planetenradsatzes P1.
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Bei dem Mehrstufengetriebe gemäß 1 ist das Sonnenrad des ersten Planetensatzes P1 über die siebte Welle mittels mit der fünften Welle 5 verbunden, die mit dem Sonnenrad des zweiten Planetensatzes P2 verbunden und über die zweite Kupplung 15 mit der Antriebswelle 1 lösbar verbindbar ist, welche mit dem Sonnenrad des dritten Planetensatzes P3 verbunden und über die erste Kupplung 14 mit der vierten Welle 4 des Getriebes lösbar verbindbar ist. Alternativ kann die Stirnradverbindung auch als eine Kette ausgeführt sein.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist die vierte Welle 4 mit dem Steg des zweiten Planetensatzes P2 und über eine Stirnradverbindung mit dem Hohlrad des ersten Planetensatzes P1 verbunden. Alternativ kann die Stirnradverbindung auch als Kette ausgeführt werden. Über die zweite Bremse 04 ist die vierte Welle 4 an das Gehäuse G des Getriebes ankoppelbar. Das Zwischenrad 8 ist fest mit der Abtriebswelle 2 verbunden. Ferner ist die Abtriebswelle 2 mit dem Steg des ersten Planetensatzes P1 verbunden. Das Hohlrad des dritten Planetensatzes P3 ist an das Gehäuse G des Getriebes gekoppelt ist. Die dritte Welle 3 ist mit dem Hohlrad des zweiten Planetensatzes P2 verbunden, über die erste Bremse 03 an das Gehäuse G des Getriebes ankoppelbar und über die dritte Kupplung 36 mit der mit dem Steg des dritten Planetensatzes P3 verbundenen sechsten Welle 6 lösbar verbindbar.
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Hierbei können die erste Kupplung 14 und die zweite Kupplung 15 axial betrachtet nebeneinander angeordnet sein und einen gemeinsamen Außenlamellenträger aufweisen. Alternativ können die Kupplungen K14 und K13 einen gemeinsamen Innenlamellenträger aufweisen oder radial geschachtelt werden und einen gemeinsamen Innen-/ Außenlamellenträger aufweisen. Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist insbesondere aufgrund der Anordnung der Antriebs- und der Abtriebsachse mit einem auf der Abtriebswelle 2 angeordneten Festrad 9 als Abtriebsrad für eine Front-Quer-Bauweise geeignet. Das Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere für PKW mit einer entsprechenden Motorisierung bei angetriebener Vorderachse.
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In 2 ist ein beispielhaftes Schaltschema eines Mehrstufengetriebes gemäß 1 und 2 dargestellt. Für jeden Gang werden zwei Schaltelemente geschlossen. Dem Schaltschema können die jeweiligen Übersetzungen i der einzelnen Gangstufen und die daraus zu bestimmenden Gangsprünge bzw. Stufensprünge φ zum nächst höheren Gang beispielhaft entnommen werden, wobei der Wert 6,281 beispielhaft die Spreizung des Getriebes darstellt.
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Die Werte für die Standgetriebeübersetzungen der als Minus-Planetensätze ausgeführten Planetensätze P1, P2, P3 sind bei dem gezeigten Beispiel jeweils –2,640, –2,640 und –1,500. Über die Wahl der Stirnradübersetzung bzw. Kette lässt sich die Standübersetzungswahl und/ oder die Getriebeübersetzungsreihe vorteilhaft beeinflussen. Aus 2 wird ersichtlich, dass bei sequentieller Schaltweise jeweils nur ein Schaltelement zugeschaltet und ein Schaltelement abgeschaltet werden muss, da zwei benachbarte Gangstufen ein Schaltelement 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 zweiten Kupplung 15, der zweite Vorwärts-Gang durch Schließen der ersten Bremse 03 und der zweiten Kupplung 15, der dritte Vorwärts-Gang durch Schließen der zweiten und dritten Kupplung 15, 36, der vierte Vorwärts-Gang durch Schließen der ersten und zweiten Kupplung 14, 15, der fünfte Vorwärts-Gang durch Schließen der ersten und dritten Kupplung 14, 36 und der sechste Vorwärts-Gang ergibt sich durch Schließen der ersten Bremse 03 und der ersten Kupplung 14, wobei sich der Rückwärtsgang durch Schließen der zweiten Bremse 04 und der dritten Kupplung 36 ergibt.
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Dadurch, dass im ersten Vorwärtsgang und im ersten Rückwärtsgang die zweite Bremse 04 geschlossen ist, kann dieses Schaltelement als Anfahrelement eingesetzt werden.
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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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Prinzipiell kann der Antrieb überall an der Antriebswelle 1 und das Abtriebsrad 9 überall an der Abtriebswelle 2 angeordnet werden.
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Erfindungsgemäß ist es 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 erfindungsgemäß 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 trockene Trennkupplung, eine nasse Trennkupplung, 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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Die eingesetzten Reibschaltelemente können als lastschaltbare Kupplungen oder Bremsen ausgebildet sein. Insbesondere können kraftschlüssige Kupplungen oder Bremsen, wie z.B. Lamellenkupplungen, Bandbremsen und/oder Konuskupplungen, verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil des hier vorgestellten Mehrstufengetriebes besteht darin, dass auf jeder Welle als Generator und/oder als zusätzliche Antriebsmaschine eine elektrische Maschine anbringbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebswelle
- 2
- Abtriebswelle
- 3
- dritte Welle
- 4
- vierte Welle
- 5
- fünfte Welle
- 6
- sechste Welle
- 7
- siebte Welle
- 8
- Stirnradverbindung
- 9
- Festrad
- 03
- erste Bremse
- 04
- zweite Bremse
- 14
- erste Kupplung
- 15
- zweite Kupplung
- 36
- dritte Kupplung
- P1
- erster Planetensatz
- P2
- zweiter Planetensatz
- P3
- dritter Planetensatz
- i
- Übersetzung
- φ
- Stufensprung
- G
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10344947 A1 [0004]
- DE 102008000428 A1 [0005]
