DE102013205073A1

DE102013205073A1 - Mehrstufiges getriebe

Info

Publication number: DE102013205073A1
Application number: DE102013205073A
Authority: DE
Inventors: Reid Alan Baldwin
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-23
Also published as: US8882628B2; US20130260946A1; CN103363036B; DE102013205073B4; CN103363036A

Abstract

Vier Planetenradsätze, drei rotierende Kupplungen und zwei Bremsen können dazu angeordnet sein, acht Vorwärtsgangstufen und eine Rückwärtsgangstufe zu erzeugen. Der erste und der vierte Zahnradsatz können im Wesentlichen koplanar miteinander sein, und der zweite und der dritte Zahnradsatz können im Wesentlichen koplanar miteinander sein. Die niedrigste Vorwärtsgangstufe könnte zur Verwendung als ein Spezialniedriggangbereichsgang geeignet sein, während die verbleibenden sieben Vorwärtsgänge eine adäquate Spanne zum normalen Fahren bereitstellen können.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Automatikgetriebe für Kraftfahrzeuge. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf eine Anordnung von Planetenradsätzen, Kupplungen, Bremsen und die Verbindungen zwischen ihnen in einem Leistungsgetriebe.
Kraftfahrzeughersteller stehen immer mehr unter Druck, die Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen zu verbessern. Ein Mittel zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz ist die Verwendung von Getrieben mit mehreren Gangstufen, wodurch der Motor bei verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten näher an seiner effizientesten Drehzahl betrieben wird. Im Allgemeinen erfordert die Erhöhung der Anzahl von zur Verfügung stehenden Gangstufen die Erhöhung der Anzahl von Zahnradsätzen und Kupplungen und folglich eine physische Verlängerung des Getriebes. Kraftfahrzeughersteller stehen jedoch auch unter Druck, die Breite des Motorraums zu reduzieren. Bei quer montierten Antriebssträngen schränkt dies stark die Möglichkeit ein, ein längeres Getriebe zu verwenden.
Fahrzeuge mit Vierradantrieb, die auf Längsantriebssträngen basieren, verwenden ein Verteilergetriebe hinter dem Getriebe. Viele Verteilergetriebe enthalten einen vom Fahrer gewählten Niedriggangbereichmodus, der zusätzliche Untersetzung bereitstellt. Dieser Niedriggangbereichmodus ist nützlich, wenn zusätzliches Drehmoment erforderlich ist oder wenn Fahrzeuggeschwindigkeitssteuerung erforderlich ist. Fahrzeuge mit Querantriebssträngen verwenden kein Verteilergetriebe und haben Fahrern deshalb keinen Niedriggangbereichmodus geboten.
Bestimmte Getriebesysteme, die hier offenbart werden, umfassen Anordnungen von Planetenradsätzen und Kopplern, die miteinander verbunden sind, um bis zu acht Vorwärtsgangstufen und mindestens eine Rückwärtsgangstufe zu erzeugen. Einige Ausführungsformen eignen sich besonders für Anwendungen, die eine reduzierte axiale Länge erfordern, da zwei Planetenradsätze in einer einzigen axialen Ebene positioniert werden können. Bei einigen Ausführungsformen können die Sonnenräder der äußeren Planetenradsätze direkt an den Hohlrädern der inneren Planetenradsätze befestigt werden. Der Gesamtdurchmesser der beiden in einer einzigen Ebene positionierten Zahnradsätze könnte übermäßig sein, wenn das Zähnezahlverhältnis des äußeren Zahnradsatzes zu groß ist. Bei einigen offenbarten Ausführungsformen kann jedoch ein kleines Zähnezahlverhältnis für die äußeren Zahnradsätze gewählt werden, während günstige Beabstandung zwischen den Gangstufen beibehalten wird. Die acht Vorwärtsgangstufen können weit beabstandet sein. Infolgedessen kann der erste Vorwärtsgang in einem Spezialniedriggangbereichsmodus verwendet werden, der dem durch ein Verteilergetriebe erreichten Niedriggangbereichmodus ähnelt.
1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Getriebeanordnung.
2 ist eine Tabelle, die vorgeschlagene Verhältnisse der Zähnezahlen für die Ausführungsform von 1 zeigt.
3 ist eine Tabelle, die das Kupplungsbetätigungsdiagramm und sich ergebende Verhältnisse zeigt, wenn die Ausführungsform von 1 die in 2 gezeigten Zähnezahlverhältnisse aufweist.
4 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Getriebeanordnung.
5 ist eine Tabelle, die vorgeschlagene Zähnezahlverhältnisse für die Ausführungsform von 4 zeigt.
6 ist eine Tabelle, die das Kupplungsbetätigungsdiagramm und sich ergebende Verhältnisse zeigt, wenn die Ausführungsform von 4 die in 5 gezeigten Zähnezahlverhältnisse aufweist.
7 ist ein Hebeldiagramm für die Getriebeanordnung.
Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart, es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgestaltet werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details der besonderen Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die in dieser Anmeldung offenbart werden, sollen nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise auszuüben ist.
Zwei Komponenten sind aneinander befestigt, wenn sie so eingeschränkt sind, dass sie unter allen Betriebsbedingungen im Wesentlichen identische Drehgeschwindigkeiten aufweisen. Hingegen sind zwei Komponenten durch ein Bedienelement lösbar gekoppelt, wenn sie so eingeschränkt sind, dass sie sich mit im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit drehen, wann immer das Bedienelement vollständig eingerückt wird, und sie zumindest unter einigen anderen Betriebsbedingungen verschiedene Geschwindigkeiten aufweisen. Eine Komponente, die mit einer nicht rotierenden Komponente, wie zum Beispiel einem Getriebegehäuse, lösbar gekoppelt ist, wird als lösbar gegen Drehung gehalten angesehen, und das Bedienelement kann als Bremse bezeichnet werden. Ein Element weist eine positive Geschwindigkeit auf, wenn es sich in einer Richtung dreht, und eine negative Geschwindigkeit, wenn es sich in die entgegengesetzte Richtung dreht.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Getriebes gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Eingang 10 wird durch den Fahrzeugmotor, vorzugsweise über einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit einer (nicht gezeigten) Überbrückungskupplung, angetrieben. Der Ausgang 12 treibt die Fahrzeugräder über das Ausgangszahnrad 14 und eine (nicht gezeigte) Differenzialanordnung an. Das Getriebegehäuse 16 ist an der Fahrzeugstruktur befestigt und dreht sich nicht bezüglich des Fahrzeugs.
Ein erster einfacher Planetenradsatz enthält ein Sonnenrad 18, ein Hohlrad 20 und einen Träger 22. Ein Satz von Planetenrädern 24 wird am Träger 22 gestützt und kämmt sowohl mit dem Sonnenrad 18 als auch mit dem Hohlrad 20. Ebenso enthält ein zweiter einfacher Planetenradsatz ein Sonnenrad 26, ein Hohlrad 28, einen Träger 30 und Planetenräder 32. Das Sonnenrad 26 ist am Hohlrad 20 befestigt und der Träger 30 ist am Sonnenrad 18 befestigt. Der dritte einfache Planetenradsatz, der ein Sonnenrad 34, ein Hohlrad 36, einen Träger 38 und Planetenräder 40 enthält, verläuft koplanar mit dem zweiten Zahnradsatz und befindet sich radial außerhalb desselben. Das Hohlrad 28 und das Sonnenrad 34 sind zu einem gemeinsamen Glied 42 kombiniert. Das Hohlrad 36 ist am Eingang 10 befestigt. Schließlich ist der vierte einfache Planetenradsatz, der ein Sonnenrad 44, ein Hohlrad 46, einen Träger 48 und Planetenräder 50 enthält, koplanar mit dem ersten Zahnradsatz und befindet sich radial außerhalb desselben. Das Sonnenrad 44 ist am Träger 22 befestigt, während der Träger 48 am Ausgang 12 befestigt ist. Das Verhältnis der Anzahl von Zähnen am Hohlrad zu der Anzahl von Zähnen am Sonnenrad wird als Betaverhältnis bezeichnet. Vorgeschlagene Betaverhältnisse für diese Zahnradsätze werden in 2 gezeigt.
Die Bremsen 52 und 54 und die Kupplungen 56, 58 und 60 sind in einigen Beispielen hydraulisch betätigte Reiblamellenkupplungen. Wenn ein Steuersystem solch einer Kupplung Druckfluid zuführt, dann drückt ein Kolben die Platten zusammen, so dass die lösbar gekoppelten Elemente zur Drehung mit der gleichen Geschwindigkeit gezwungen werden. Wenn der Druck abgebaut wird, dann drückt eine Feder die Platten auseinander, so dass sich die lösbar gekoppelten Elemente mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten mit minimalem übertragenem Widerstandsmoment drehen können. Die Bremse 52 koppelt die Kombination aus Hohlrad 20 und Sonnenrad 26 lösbar mit dem Getriebegehäuse 16. Ebenso koppelt die Bremse 54 das Hohlrad 46 lösbar mit dem Getriebegehäuse 16. Die Kupplung 56 koppelt den Träger 48 lösbar mit dem Ausgang 12. Die Kupplung 58 koppelt den Träger 38 lösbar mit der Kombination aus Sonnenrad 18 und Träger 30. Schließlich koppelt die Kupplung 60 die Kombination aus Sonnenrad 18 und Träger 30 lösbar mit dem Eingang 10.
3 zeigt, welche Kupplungen eingerückt werden, um jede der zur Verfügung stehenden acht Vorwärtsgangstufen und eine Rückwärtsgangstufe zu wählen. Schalten zwischen benachbarten Stufen wird durch das koordinierte Lösen einer Kupplung und Einrücken einer anderen Kupplung erreicht, wobei beide Kupplungen im eingerückten Zustand gehalten werden. Weiterhin zeigt 3 das sich ergebende Übersetzungsverhältnis, wenn die Zähnezahlen der Zahnradsätze die in 2 gezeigten Verhältnisse aufweisen. Unter den meisten Fahrbedingungen kann der 1. Vorwärtsgang übersprungen und der 2. Vorwärtsgang verwendet werden, um aus einem stationären Zustand zu starten. In Situationen, die mehr Radmoment und eine genauere Geschwindigkeitssteuerung erfordern, kann der Fahrer einen Niedriggangbereichbetriebsmodus wählen. In diesem Modus würde das Fahrzeug alle acht Vorwärtsgänge verwenden.
Das Getriebe kann wahlweise eine Freilaufkupplung 62 enthalten, die die Kombination aus Hohlrad 20 und Sonnenrad 26 gegen Drehung in einer Richtung hält, während sie eine Drehung in die entgegengesetzte Richtung gestattet. Wenn die Freilaufkupplung 62 vorhanden ist, dann ist es nicht erforderlich, die Bremse 52 im 1. und 2. Vorwärtsgang einzurücken. Dadurch wird das Schalten vom 2. in den 3.
Gang vereinfacht, da das Steuersystem die Freigabe der Kupplung nicht aktiv zu steuern braucht. Beim Einrücken der Kupplung 58 überholt die Freilaufkupplung 62 automatisch.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Getriebes gemäß der vorliegenden Erfindung. Komponenten, die sowohl der ersten als auch der zweiten Ausführungsform gemein sind, werden in 1 und in 4 mit der gleichen Bezugszahl bezeichnet.
Ein Doppelritzel-Planetenradsatz enthält ein Sonnenrad 64, ein Hohlrad 66 und einen Träger 68. Ein Satz von inneren Planetenrädern 70 wird auf dem Träger 68 gestützt und kämmt mit dem Sonnenrad 64. Ein Satz von äußeren Planetenrädern 72 wird auf dem Träger 68 gestützt. Jedes äußere Planetenrad kämmt mit einem der inneren Planetenräder und mit dem Hohlrad 66. Ein einfacher Planetenradsatz enthält das Sonnenrad 26, das Hohlrad 28, den Träger 30 und die Planetenräder 32. Das Sonnenrad 26 ist am Träger 68 befestigt, und der Träger 30 ist am Sonnenrad 64 befestigt. Ein anderer einfacher Planetenradsatz, der das Sonnenrad 34, das Hohlrad 36, den Träger 38 und die Planetenräder 40 enthält, ist koplanar mit dem zweiten Radsatz und befindet sich radial außerhalb desselben. Das Hohlrad 28 und das Sonnenrad 34 sind zu einem gemeinsamen Glied 42 kombiniert. Das Hohlrad 36 ist am Eingang 10 befestigt. Schließlich ist ein anderer einfacher Planetenradsatz, der das Sonnenrad 44, das Hohlrad 46, den Träger 48 und die Planetenräder 50 enthält, koplanar mit dem Doppelritzel-Planetenradsatz und befindet sich radial außerhalb desselben. Das Hohlrad 66 und das Sonnenrad 44 sind zu einem gemeinsamen Glied 74 kombiniert. Der Träger 48 ist am Ausgang 12 befestigt. Vorgeschlagene Betaverhältnisse für diese Zahnradsätze werden in 5 gezeigt.
Die Bremse 52 verbindet die Kombination aus Träger 68 und Sonnenrad 26 mit dem Getriebegehäuse 16. Ebenso verbindet die Bremse 54 das Hohlrad 46 mit dem Getriebegehäuse 16. Die Kupplung 56 verbindet den Träger 48 mit dem Ausgang 12. Die Kupplung 58 verbindet den Träger 38 mit der Kombination aus Sonnenrad 64 und Träger 30. Schließlich verbindet die Kupplung 60 die Kombination aus Sonnenrad 64 und Träger 30 mit dem Eingang 10. 6 zeigt, welche Kupplungen eingerückt werden, um jedes der zur Verfügung stehenden Verhältnisse zu wählen, und das sich ergebende Übersetzungsverhältnis, wenn die Zähnezahlen jedes der Zahnradsätze die in 5 gezeigten Verhältnisse aufweisen.
7 zeigt ein Hebeldiagramm. Jeder Hebel entspricht drei oder mehr Elementen, die sich um eine gemeinsame Achse drehen und zur Drehung mit Geschwindigkeiten, die in einer linearen Beziehung stehen, eingeschränkt sind. Mit anderen Worten, die Geschwindigkeit jedes Elements des Hebels unter irgendeiner Betriebsbedingung ist das gewichtete Mittel der Geschwindigkeiten von beliebigen zwei anderen Elementen des Hebels unter der gleichen Betriebsbedingung. Komponenten, die so eingeschränkt sind, dass sie unter allen Betriebsbedingungen die gleiche Geschwindigkeit wie die anderen haben, wie bezüglich der gemeinsamen Achse gemessen, werden als ein einziges Element betrachtet. Zum Beispiel bilden ein Träger und ein entsprechender Planetenradsatz ein einziges Element.
Jeder Hebel weist zwei Elemente auf, die als die äußeren Elemente bezeichnet werden. Unter einer beliebigen Betriebsbedingung hat das äußere Element die langsamste Geschwindigkeit, und das andere äußere Element hat die schnellste Geschwindigkeit. Diese Rollen können unter anderen Betriebsbedingungen vertauscht werden. Die verbleibenden Elemente, die als innere Elemente bezeichnet werden, haben unter jeder Betriebsbedingung Zwischengeschwindigkeiten. In einem Hebeldiagramm entsprechen äußere Elemente den Endpunkten eines Hebels, während die inneren Elemente den Punkten entlang dem Hebel entsprechen.
Ein einfacher Planetenradsatz entspricht einem Hebel mit drei Knoten mit dem Sonnenrad als ein äußeres Element, dem Hohlrad als das andere äußere Element und dem Träger als ein inneres Element. Ein Doppelritzel-Planetenradsatz entspricht andererseits einem Hebel mit drei Knoten mit dem Sonnenrad und dem Träger als äußere Elemente und dem Hohlrad als das innere Element. Andere Vorrichtungen können als Hebel in einem Hebeldiagramm dargestellt werden. Der Hebel 76 stellt den dritten Zahnradsatz in 1 und in 4 dar. Das Sonnenrad 34 und das Hohlrad 36 sind äußere Elemente und der Träger 38 ist ein inneres Element. Ebenso stellt der Hebel 78 den vierten Zahnradsatz in 1 und in 4 dar. Das Sonnenrad 44 und das Hohlrad 46 sind äußere Elemente und der Träger 48 ist ein inneres Element.
Ein Hebel mit vier Knoten kann aus zwei Hebeln mit drei Knoten geschaffen werden, indem zwei der Elemente des ersten Hebels mit drei Knoten an zwei entsprechenden Elementen des zweiten Hebels mit drei Knoten befestigt werden.
Zum Beispiel stellt der Hebel 80 mit vier Knoten die ersten beiden Zahnradsätze von 1 dar. Das äußere Element 82 entspricht dem Hohlrad 28. Das innere Element 84 entspricht der Kombination aus Sonnenrad 18 und Träger 30. Das innere Element 86 entspricht dem Träger 22. Schließlich entspricht das äußere Element 88 der Kombination aus Hohlrad 20 und Sonnenrad 26. Der Hebel mit vier Knoten entspricht weiterhin zwei Zahnradsätzen von 4. Das äußere Element 82 entspricht dem Hohlrad 28. Das innere Element 84 entspricht der Kombination aus Sonnenrad 26 und Träger 30. Das innere Element 86 entspricht dem Hohlrad 66. Schließlich entspricht das äußere Element 88 der Kombination aus Träger 68 und Sonnenrad 26.
Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen dienen die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke eher der Beschreibung als der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale der verschiedenen Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Getriebe, das Folgendes umfasst: einen Eingang; einen Ausgang; mehrere Kupplungen und einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Planetenradsatz, wobei die Kupplungen und die Zahnradsätze dazu angeordnet sind, mindestens acht Vorwärtsgangstufen zwischen dem Eingang und dem Ausgang zu erzeugen, wobei der erste und der vierte Zahnradsatz im Wesentlichen koplanar zueinander sind und der zweite und der dritte Zahnradsatz im Wesentlichen koplanar zueinander sind, um die axiale Länge des Getriebes zu reduzieren.
Getriebe nach Anspruch 1, wobei sich der vierte Zahnradsatz radial außerhalb des ersten Zahnradsatzes befindet und sich der dritte Zahnradsatz radial außerhalb des zweiten Zahnradsatzes befindet, wobei jeder Zahnradsatz ein Betaverhältnis aufweist und wobei die Betaverhältnisse des dritten und des vierten Zahnradsatzes unter 1,8 betragen.
Getriebe nach Anspruch 1, wobei sich der dritte Zahnradsatz radial außerhalb des zweiten Zahnradsatzes befindet; der dritte Zahnradsatz und der zweite Zahnradsatz ein erstes gemeinsames Glied teilen; das erste gemeinsame Glied ein Hohlrad des zweiten Zahnradsatzes ist; und das erste gemeinsame Glied ein Sonnenrad des dritten Zahnradsatzes ist.
Getriebe nach Anspruch 3, wobei sich der vierte Zahnradsatz radial außerhalb des ersten Zahnradsatzes befindet; der vierte Zahnradsatz und der erste Zahnradsatz ein zweites gemeinsames Glied teilen; das zweite gemeinsame Glied ein Hohlrad des ersten Zahnradsatzes ist; und das zweite gemeinsame Glied ein Sonnenrad des vierten Zahnradsatzes ist.
Fahrzeug, das Folgendes umfasst: einen Eingang, der zum Antrieb durch einen Verbrennungsmotor konfiguriert ist; einen Ausgang, der zum Antrieb mehrerer Räder konfiguriert ist; und ein Getriebe, das ein erstes Sonnenrad, ein erstes Hohlrad, einen ersten Träger, ein zweites Sonnenrad, das am ersten Hohlrad oder am ersten Träger befestigt ist, ein zweites Hohlrad, einen zweiten Träger, der am ersten Sonnenrad befestigt ist, ein drittes Sonnenrad, das am zweiten Hohlrad befestigt ist, ein drittes Hohlrad, das am Eingang befestigt ist, einen dritten Träger, ein viertes Sonnenrad, das am ersten Hohlrad oder am ersten Träger befestigt ist, ein viertes Hohlrad und einen vierten Träger, der am Ausgang befestigt ist, enthält.
Fahrzeug nach Anspruch 5, das weiterhin Folgendes umfasst: eine erste Bremse, die das zweite Sonnenrad lösbar gegen Drehung hält; eine zweite Bremse, die das vierte Hohlrad lösbar gegen Drehung hält; eine erste Kupplung, die den dritten Träger lösbar mit dem Ausgang koppelt; eine zweite Kupplung, die den zweiten Träger lösbar mit dem Eingang koppelt; und eine dritte Kupplung, die den zweiten Träger lösbar mit dem dritten Träger koppelt.
Fahrzeug nach Anspruch 6, wobei das dritte Sonnenrad im Wesentlichen koplanar mit dem zweiten Hohlrad ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei das vierte Sonnenrad im Wesentlichen koplanar mit dem ersten Hohlrad ist.
Fahrzeug nach Anspruch 5, das weiterhin Folgendes umfasst: einen Bereichswählhebel, der dazu konfiguriert ist, einem Fahrer zu gestatten, zwei verschiedene Vorwärtsfahrmodi auszuwählen; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, eine niedrigste Vorwärtsgangstufe zu verwenden, wenn der Fahrer einen ersten Vorwärtsfahrmodus wählt, und dazu konfiguriert ist, die niedrigste Vorwärtsgangstufe nicht zu verwenden, wenn der Fahrer einen zweiten Vorwärtsfahrmodus wählt.