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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeuggetriebe für einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, umfassend zwei Teilgetriebe mit jeweils einer Getriebeeingangswelle und einem gemeinsamen Getriebeausgang, wobei die Getriebeeingangswelle eines der Teilgetriebe der Anbindung einer Brennkraftmaschine dient und ein erstes Teilgetriebe als Stirnradstufengetriebe mit mehreren Stirnradstufen ausgeführt ist, und wobei eine Überlagerungsstufe vorgesehen ist, über welche ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Betrieb einer Elektromaschine überlagerbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, bei welchem ein vorgenanntes Kraftfahrzeuggetriebe zur Anwendung kommt.
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Antriebsstränge von Hybridfahrzeugen werden neben den klassischen Varianten in Form eines seriellen oder eines parallelen Hybrides zum Teil auch als Mischkonzepte konzipiert, bei welchen die Funktionen eines seriellen und eines parallelen Hybridantriebes in Abhängigkeit eines Fahrzustandes des jeweiligen Hybridfahrzeuges miteinander kombiniert werden können. Üblicherweise wird zu diesem Zweck eine Überlagerungsstufe vorgesehen, mittels welcher ein Betrieb einer Brennkraftmaschine mit dem Betrieb einer Elektromaschine überlagert werden kann. In der Folge können unterschiedliche Fahrfunktionen, wie ein rein elektrisches Fahren, ein reines Fahren über die Brennkraftmaschine, ein Antrieb über die Brennkraftmaschine mit Unterstützung durch die Elektromaschine, etc., dargestellt werden. Innerhalb des Antriebsstrangs wird eine derartige Überlagerungsstufe dann auch häufig mit in das Kraftfahrzeuggetriebe integriert.
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Aus der
DE 10 2010 043 354 A1 geht ein Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges mit einem Kraftfahrzeuggetriebe hervor, welches sich aus zwei Teilgetrieben zusammensetzt. Die beiden Teilgetriebe sind dabei jeweils als Stirnradstufengetriebe mit mehreren Stirnradstufen ausgeführt und verfügen über jeweils eine Getriebeeingangswelle, wobei Kraftflüsse innerhalb des jeweiligen Teilgetriebes von der zugehörigen Getriebeeingangswelle auf eine gemeinsame Getriebeausgangswelle der Teilgetriebe geführt werden können, welche einen Getriebeausgang des Kraftfahrzeuggetriebes definiert. Auf der Getriebeausgangswelle ist dabei eine Überlagerungsstufe in Planetenbauweise angeordnet, über welche die über die Teilgetriebe eingeleiteten Drehbewegungen überlagert und in eine effektive Drehbewegung der Getriebeausgangswelle umgesetzt werden können. Innerhalb des Antriebsstranges sind neben dem Kraftfahrzeuggetriebe zudem noch eine Brennkraftmaschine und eine Elektromaschine vorgesehen, wobei die Brennkraftmaschine über ein Anfahrelement drehfest mit der Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes gekoppelt werden kann, während die Elektromaschine mit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes permanent drehfest in Verbindung steht.
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Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftfahrzeuggetriebe für einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges zu schaffen, bei welchem bei einem kompakten Aufbau möglichst viele Fahrfunktionen dargestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Ein Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, bei welchem ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeuggetriebe zur Anwendung kommt, geht aus den Ansprüchen 9 und 10 hervor.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeuggetriebe für einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges zwei Teilgetriebe mit jeweils einer Getriebeeingangswelle und einem gemeinsamen Getriebeausgang. Dabei dient die Getriebeeingangswelle eines der Teilgetriebe der Anbindung einer Brennkraftmaschine. Zudem ist ein erstes Teilgetriebe als Stirnradstufengetriebe mit mehreren Stirnradstufen ausgeführt und eine Überlagerungsstufe vorgesehen, über welche ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Betrieb einer Elektromaschine überlagert werden kann.
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Bei dem ersten Teilgetriebe kann im Sinne der Erfindung eine beliebige Anzahl an Stirnradstufen vorgesehen und damit eine entsprechende Anzahl an darstellbaren Übersetzungsstufen dieses Teilgetriebes definiert sein. Eine Stirnradstufe setzt sich dabei aus mindestens zwei miteinander kämmenden Stirnrädern zusammen, kann aber auch mit mehr als zwei Stirnrädern ausgeführt sein, um im Vergleich zu übrigen Stirnradstufen eine Drehrichtungsumkehr zu realisieren und damit einen Rückwärtsgang zu definieren.
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Der Getriebeausgang des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuggetriebes kann im Rahmen der Erfindung durch eine Getriebeausgangswelle oder auch ein Zahnrad gebildet sein, über welches innerhalb eines Antriebsstranges eine Anbindung an auf das Kraftfahrzeuggetriebe folgende Komponenten des Antriebsstranges hergestellt wird. So kann es sich bei einem derartigen Zahnrad um das Differenzialrad eines Korbs eines Längs- oder auch Querdifferenzials handeln, über welches der Kraftfluss auf mehrere Achsen des Hybridfahrzeuges oder mehrere Antriebsräder einer Achse des Hybridfahrzeuges verteilt wird.
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Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass ein zweites Teilgetriebe des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuggetriebes durch mindestens eine Planetenstufe gebildet ist. Mit anderen Worten ist also das zweite Teilgetriebe in Planetenbauweise realisiert und umfasst mindestens eine Planetenstufe. Eine derartige Ausgestaltung eines Kraftfahrzeuggetriebes hat dabei den Vorteil, dass durch das damit verwirklichte Mischkonzept des Getriebes aus einem Teilgetriebe in Stirnradstufenbauweise und einem Teilgetriebe in Planetenbauweise eine kompakte Bauform verwirklicht werden kann, welche das erfindungsgemäße Kraftfahrzeuggetriebe insbesondere für Front-Quer-Konzepte bei PKWs geeignet macht. Denn mittels einer oder mehrerer Planetenstufen des zweiten Teilgetriebes kann eine entsprechende Anzahl an Übersetzungsverhältnissen auf geringem Bauraum realisiert werden.
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Im Unterschied dazu sind bei dem Kraftfahrzeuggetriebe der
DE 10 2010 043 354 A1 beide Teilgetriebe als Stirnradstufengetriebe realisiert, wodurch im Vergleich zum erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuggetriebe bei gleicher Anzahl an darstellbaren Gängen und Fahrzuständen ein höherer Platzbedarf notwendig ist.
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Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung weist das zweite Teilgetriebe eine einzige Planetenstufe mit den Komponenten Hohlrad, Planetensteg und Sonnenrad auf, von welchen eine erste Komponente mit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes drehfest verbunden und eine zweite Komponente mit dem Getriebeausgang gekoppelt ist, wohingegen eine dritte Komponente der Planetenstufe des zweiten Teilgetriebes zum einen an einem Gehäuse festgesetzt und zum anderen drehfest mit einer der beiden anderen Komponenten der Planetenstufe des zweiten Teilgetriebes gekoppelt werden kann. Vorteilhafterweise können hierdurch zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse des zweiten Teilgetriebes platzsparend realisiert werden.
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Eine Koppelung der dritten Komponente mit dem Gehäuse oder mit einer der beiden anderen Komponenten wird dabei jeweils über je ein zugehöriges Schaltelement vollzogen, wobei diese Schaltelemente im Sinne der Erfindung bevorzugt als formschlüssige Schaltelemente oder aber auch als kraftschlüssige Schaltelemente ausgeführt sein können. Kann dann mit Hilfe der Elektromaschine und/oder der Brennkraftmaschine innerhalb des Antriebsstranges eine Fremdsynchronisierung des jeweiligen Schaltelementes dargestellt werden, so können formschlüssig ausgeführte Schaltelemente dann insbesondere als Klauenschaltelemente vorliegen, wobei aber prinzipiell auch eine Ausführung als Sperrsynchronisationen denkbar ist. Ferner können die Schaltelemente gleich ausgeführt und dabei auch zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst sein oder aber als unterschiedliche Typen von Schaltelementen vorliegen. Schließlich kann das einzelne Schaltelement auch als lastschaltbares, kraftschlüssiges Schaltelement vorliegen, wie beispielsweise in Form einer nasslaufenden Lamellenkupplung.
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Abgesehen von der Bildung des zweiten Teilgetriebes durch eine einzelne Planetenstufe können im Sinne der Erfindung jedoch auch mehrere Planetenstufen vorgesehen werden, deren Komponenten über Schaltelemente unterschiedlich verschaltet werden können. Hierdurch lässt sich die Anzahl an darstellbaren Übersetzungsverhältnissen des zweiten Teilgetriebes steigern.
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Entsprechend einer ersten Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform wird dann die erste Komponente der Planetenstufe des zweiten Teilgetriebes durch das Hohlrad gebildet, während die zweite Komponente in Form des Planetenstegs und die dritte Komponente in Form des Sonnenrades vorliegen, wobei das Sonnenrad drehfest mit dem Planetensteg und damit dem Getriebeausgang gekoppelt werden kann. Gemäß einer hierzu alternativen Ausgestaltung wird hingegen die erste Komponente durch den Planetensteg, die zweite Komponente durch das Hohlrad und die dritte Komponente durch das Sonnenrad gebildet, wobei das Sonnenrad in diesem Fall, neben einer Festsetzbarkeit am Gehäuse, mit dem Planetensteg und damit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes gekoppelt werden kann. Hierdurch verändern sich gegenüber der vorgehend beschriebenen Variante eine Darstellung zweier Übersetzungsverhältnisse des zweiten Teilgetriebes, wobei ein kürzerer Gang bei einer verblockten Planetenstufe erzeugt wird, so dass bei Schalten dieses Ganges geringere Verzahnungswälzverluste auftreten. Weiter alternativ wird die erste Komponente der Planetenstufe des zweiten Teilgetriebes durch das Sonnenrad, die zweite Komponente durch den Planetensteg und die dritte Komponente durch das Hohlrad gebildet, wobei das Hohlrad dabei zum einen am Gehäuse festsetzbar und zum anderen in seiner Drehbewegung mit dem Sonnenrad und damit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes koppelbar ist. Bei dieser Verschaltung der Planetenstufe des zweiten Teilgetriebes können größere Gangsprünge und dadurch auch eine größere Getriebespreizung realisiert werden.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Überlagerungsstufe als Planetenstufe ausgeführt und umfasst die Komponenten Hohlrad, Planetensteg und Sonnenrad. Dabei kann von diesen Komponenten eine erste Komponente mit der Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes gekoppelt werden, während eine zweite Komponente mit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes verbunden ist. Schließlich dient eine dritte Komponente der Überlagerungsstufe der Einbindung der Elektromaschine. Im Sinne der Erfindung wird dabei bevorzugt die erste Komponente der Überlagerungsstufe durch das Sonnenrad, die zweite Komponente durch den Planetensteg, sowie die dritte Komponente durch das Hohlrad der Überlagerungsstufe gebildet, wobei im Rahmen der Erfindung aber auch ein anderweitiger Aufbau denkbar ist.
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Es ist eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausgestaltung, dass die erste Komponente der Überlagerungsstufe zudem drehfest mit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes verbindbar ist. Die erste Komponente der Überlagerungsstufe kann also, neben einer Koppelbarkeit mit der Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes, auch mit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes verbunden werden. Letzteres hat ein Verblocken der Überlagerungsstufe zur Folge, so dass eine mit der dritten Komponente der Überlagerungsstufe in Verbindung stehende Elektromaschine mit einer festen Übersetzung an die Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes angebunden werden kann.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung steht die dritte Komponente der Überlagerungsstufe mit einer Vorübersetzungsstufe in Verbindung, welche in Planetenbauweise mit den Komponenten Hohlrad, Planetensteg und Sonnenrad ausgeführt ist, von welchen eine erste Komponente drehfest mit der dritten Komponente der Überlagerungsstufe verbunden und eine zweite Komponente der Vorübersetzungsstufe an einem Gehäuse festgesetzt ist. Eine dritte Komponente der Vorübersetzungsstufe dient dann ferner einer Anbindung der Elektromaschine. Das Vorsehen einer Vorübersetzungsstufe hat dabei den Vorteil, dass hierdurch ein Hochdrehzahlkonzept für die Elektromaschine realisiert werden kann, so dass eine schlankbauende Elektromaschine mit hoher Drehzahl bei geringem Drehmoment Anwendung finden kann. Durch die Ausführung der Vorübersetzungsstufe als Planetenstufe ist eine Vorübersetzung dabei auf kompakte Art und Weise möglich. Abgesehen von einer Ausführung in Planetenbauweise kann eine derartige Vorübersetzungsstufe aber auch prinzipiell durch eine oder mehrere Stirnradstufen gebildet sein.
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Bei der mindestens einen Planetenstufe des zweiten Teilgetriebe, bei der Überlagerungsstufe und ggf. auch bei der Vorübersetzungsstufe handelt es sich im Sinne der Erfindung bevorzugt jeweils um je einen Minusplanetensatz, bei welchem der Planetensteg ein oder mehrere Planetenräder führt, wobei jedes Planetenrad dabei sowohl mit dem radial innenliegenden Sonnenrad als auch mit dem radial außenliegenden Hohlrad im Zahneingriff steht. Alternativ dazu kann die jeweilige Planetenstufe aber auch als Plusplanetensatz realisiert sein, bei welchem der Planetenträger mehrere Planetenräder drehbar gelagert führt, wobei die Planetenräder dabei zu Planetenradpaaren zusammengefasst sind, bei welchen je ein Planetenrad mit dem radial innenliegenden Sonnenrad und je ein Planetenrad mit dem radial außenliegenden Hohlrad kämmt, sowie die Planetenräder eines Paares untereinander im Zahneingriff stehen. Im Vergleich zur Ausführung als Minusplanetensatz sind dazu dann eine Hohlrad- und eine Steganbindung zu tauschen, sowie der Betrag der Standübersetzung um eins zu erhöhen.
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Innerhalb des Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges kann die Elektromaschine achsversetzt zu der Überlagerungsstufe vorgesehen sein und ist dann mit der Überlagerungsstufe über eine Stirnradstufe oder, wie vorstehend beschrieben, mittels einer Vorübersetzungsstufe gekoppelt. Alternativ dazu kann die Elektromaschine aber auch koaxial zu der Überlagerungsstufe vorgesehen sein, wobei ein Rotor der Elektromaschine dann bevorzugt unmittelbar drehfest mit einer der Komponenten der Überlagerungsstufe, insbesondere dem Hohlrad, verbunden ist. Ebenso kann aber auch bei Vorsehen einer Vorübersetzungsstufe in Planetenbauweise eine koaxiale Anordnung der Elektromaschine zu dieser Vorübersetzungsstufe realisiert sein, wobei in diesem Fall ein Rotor der Elektromaschine radial außen drehfest mit einer der Komponenten der Vorübersetzungsstufe, insbesondere dem Hohlrad der Vorübersetzungsstufe, in Verbindung steht.
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Es ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, dass die Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes über eine Übersetzungsstufe mit einer Welle koppelbar ist, die mit der Überlagerungsstufe in Verbindung steht und welche mit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes drehfest verbindbar ist. In Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist die Welle als Hohlwelle ausgeführt, welche koaxial zu der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes verläuft. Weiter bevorzugt ist bei der Übersetzungsstufe ein Stirnrad drehfest auf der Welle platziert und steht mit einem Stirnrad im Zahneingriff, welches drehbar auf der Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes gelagert und an dieser Getriebeeingangswelle festsetzbar ist. Durch Vorsehen einer derartigen Übersetzungsstufe kann zum einen problemlos eine Überlagerung eines Betriebs der Brennkraftmaschine und eines Betriebs der Elektromaschine realisiert werden, indem die Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes an die Überlagerungsstufe angebunden wird. Zum anderen ist aber auch ein Zugriff der Brennkraftmaschine auf die Gänge des zweiten Teilgetriebes durch Koppelung der beiden Getriebeeingangswellen darstellbar. Bei Ausführung der Welle als Hohlwelle ist ferner deren platzsparende Anordnung im Bereich der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes möglich.
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Im Sinne der Erfindung wird eine Koppelung der Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes mit der Welle, sowie eine Koppelung der Welle mit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes über je ein Schaltelement dargestellt, wobei die Schaltelemente bevorzugt jeweils als formschlüssige Schaltelemente und hier insbesondere als Klauenschaltelemente ausgeführt sind. Alternativ dazu könnten die Schaltelemente im Einzelnen aber auch als Sperrsynchronisationen realisiert sein oder als kraftschlüssige Schaltelemente, wie beispielsweise Lamellenkupplungen, vorliegen.
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Alternativ zu der vorgenannten Weiterbildung könnte eines der Stirnräder der Übersetzungsstufe auch drehbar auf der Welle gelagert und das jeweils andere Stirnrad drehfest auf der Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes vorgesehen sein. In der Folge wäre dann seitens der Welle ein Schaltelement zur drehfesten Anbindung des Stirnrades der Übersetzungsstufe vorzusehen. Dies hätte zur Folge, dass sich bei einem rein elektrischen Fahren über das zweite Teilgetriebe Schleppverluste verringern lassen, da die Übersetzungsstufe in diesem Fall nicht mit dreht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist den Teilgetrieben jeweils eine Vorgelegewelle zugeordnet, wobei beide Vorgelegewellen jeweils über je eine Abtriebsstufe mit dem Getriebeausgang gekoppelt sind. Hierdurch lassen sich unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse und Fahrfunktionen innerhalb von drei Radebenen des Kraftfahrzeuggetriebes realisieren.
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In Weiterbildung der Erfindung ist bei Anordnung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuggetriebes in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges die Brennkraftmaschine entweder drehfest mit der Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes verbunden oder aber mittels eines Anfahrelements drehfest mit der Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes verbindbar. Die Brennkraftmaschine ist also entweder permanent mit der Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes gekoppelt oder es besteht eine Ankoppelungsmöglichkeit über ein Anfahrelement, welches dabei bevorzugt als Trennkupplung ausgestaltet ist. Erfindungsgemäß kann der Brennkraftmaschine zudem eine zusätzliche Elektromaschine zugeordnet sein, über welche ein Starten der Brennkraftmaschine und/oder eine Bereitstellung von elektrischer Energie, beispielsweise für einen Bordnetzbedarf, realisiert werden kann. Diese Elektromaschine kann dabei mit der Brennkraftmaschine über einen Riementrieb verbunden sein.
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Bevorzugt können bei Anordnung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuggetriebes in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges unterschiedliche Funktionen, nämlich ein rein elektrisches Fahren, ein reiner Antrieb über die Brennkraftmaschine, ein Antreiben der Elektromaschine über die Brennkraftmaschine, ein Starten der Brennkraftmaschine über die Elektromaschine, Lastschaltungen mit elektromotorischer Stützung der Zugkraft, Lastschaltung mit Überlagerung einer Antriebsbewegung der Elektromaschine mit Antriebsbewegungen der Brennkraftmaschine, etc. dargestellt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Hauptanspruchs oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines Teils eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Teils eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges gemäß einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung;
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3 ein beispielhaftes Schaltschema eines Kraftfahrzeuggetriebes des Antriebsstranges aus 1 oder aus 2;
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4 eine schematische Ansicht eines Teils eines Antriebsstranges entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
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5 ein beispielhaftes Schaltschema eines Kraftfahrzeuggetriebes des Antriebsstranges aus 4.
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Aus 1 geht eine schematische Ansicht eines Teils eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges hervor. Dabei umfasst der dargestellte Teil des Antriebsstranges eine Brennkraftmaschine 1, eine Elektromaschine 2 und ein Kraftfahrzeuggetriebe 3, welches sich aus zwei Teilgetrieben 4 und 5, sowie einer Überlagerungsstufe 6 zusammensetzt.
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Wie in 1 zu erkennen ist, verfügen die Teilgetriebe 4 und 5 über je eine zugehörige Getriebeeingangswelle 7 bzw. 8, sowie einen gemeinsamen Getriebeausgang 9, der vorliegend durch ein Differenzialrad 10 eines Differenzialgetriebes 11 gebildet ist. Besonders bevorzugt ist der Antriebsstrang als Front-Quer-Konzept ausgeführt, bei welchen die Brennkraftmaschine 1, die Elektromaschine 2 und das Kraftfahrzeuggetriebe 3 frontseitig des Hybridfahrzeuges quer zur Fahrtrichtung verbaut sind, wobei es sich in diesem Fall bei dem Differenzialgetriebe 11 um ein Achsdifferenzial einer Vorderachse des Kraftfahrzeuges handelt.
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Aus 1 geht ferner hervor, dass das erste Teilgetriebe 4 als Stirnradstufengetriebe mit mehreren Stirnradstufen 12 bis 14 ausgeführt ist. Dabei sind die Stirnradstufen 12, 13 und 14 jeweils zwischen der Getriebeeingangswelle 7 des ersten Teilgetriebes 4 und einer Vorgelegewelle 15 angeordnet, welche achsparallel zur Getriebeeingangswelle 7 liegt und ein permanent mit dem Differenzialrad 10 kämmendes Stirnrad 16 trägt.
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Die Stirnradstufen 12, 13 und 14 setzen sich jeweils aus je zwei miteinander kämmenden Stirnrädern zusammen, von welchen im Falle der Stirnradstufen 12 und 13 ein Stirnrad drehfest auf der Getriebeeingangswelle 7 angeordnet ist, während das jeweils andere Stirnrad drehbar auf der Vorgelegewelle 15 gelagert ist. Hingegen ist im Falle der Stirnradstufe 14 das eine Stirnrad drehfest auf der Vorgelegewelle 15 platziert, während das Stirnrad seitens der Getriebeeingangswelle 7 drehbar gelagert ist. Die drehbar gelagerten Stirnräder der Stirnradstufen 12, 13 und 14 können dann jeweils über je ein zugehöriges Schaltelement A bzw. B bzw. C an der Vorgelegewelle 15 bzw. an der Getriebeeingangswelle 7 festgesetzt werden, so dass eine Drehbewegung der Getriebeeingangswelle mit einem je zugehörigen Übersetzungsverhältnis der jeweiligen Stirnradstufe 12 bzw. 13 bzw. 14 auf die Vorgelegewelle 15 übersetzt und im weiteren Verlauf durch Zusammenspiel des Stirnrades 16 mit dem Differenzialrad 10 zum Getriebeausgang 9 übertragen wird. Vorliegend sind dabei die Schaltelemente A, B und C als formschlüssige Schaltelemente in Form von Klauenkupplungen ausgeführt, wobei die Schaltelemente A und B in einem Doppelschaltelement zusammengefasst sind.
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Die Getriebeeingangswelle 7 des ersten Teilgetriebes 4 ist vorliegend koaxial zu einer Abtriebswelle 17 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet und kann über ein zwischenliegendes Anfahrelement 18 in Form einer Trennkupplung drehfest mit der Abtriebswelle 17 verbunden werden. In der Folge kann eine Antriebsbewegung der Brennkraftmaschine 1 durch Koppelung der Getriebeeingangswelle 7 mit der Abtriebswelle 17, sowie durch Einbindung einer der Stirnradstufen 12 oder 13 oder 14 in den Kraftfluss über das erste Teilgetriebe 4 auf den Getriebeausgang 9 übersetzt werden.
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Im Unterschied zum ersten Teilgetriebe 4 wird das zweite Teilgetriebe 5 des Kraftfahrzeuggetriebes 3 durch eine Planetenstufe 19 gebildet und ist infolge dessen in Planetenbauweise ausgeführt. Von den Komponenten dieser Planetenstufe 19 ist dabei ein Hohlrad HO1 drehfest mit der Getriebeeingangswelle 8 des zweiten Teilgetriebes 5 verbunden, wohingegen ein Planetensteg PS1 drehfest mit einer Vorgelegewelle 20 des zweiten Teilgetriebes 5 in Verbindung steht, die koaxial zu der Getriebeeingangswelle 8 verläuft. Der Planetensteg PS1 trägt dabei mehrere Planetenräder, welche jeweils sowohl mit dem radial umliegenden Hohlrad HO1, als auch mit einem radial innenliegenden Sonnenrad SO1 kämmen. Infolge dessen ist die Planetenstufe 19 des zweiten Teilgetriebes 5 im vorliegenden Fall als Minusplanetenstufe realisiert.
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Das Sonnenrad SO1 ist drehfest auf einer koaxial zur Vorgelegewelle 20 verlaufenden Hohlwelle 21 platziert, die zur Darstellung zweier unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse der Planetenstufe 19 zum einen über ein Schaltelement D drehfest mit der Vorgelegewelle 20 verbunden werden kann und im Folgenden ein Verblocken der Planetenstufe 19 bewirkt. Zum anderen kann die Hohlwelle 21 über ein Schaltelement E an einem Gehäuse 22 des Kraftfahrzeuggetriebes 3 festgesetzt werden, so dass in der Folge auch das Sonnenrad SO1 stillgesetzt und im Folgenden die Planetenräder des Planetensteges PS1 an dem stillstehenden Sonnenrad SO1 abwälzen.
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Die Schaltelemente D und E sind jeweils als formschlüssige Schaltelemente in Form von Klauenkupplungen ausgeführt und zudem zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst, innerhalb welchem entweder eine Betätigung des Schaltelements D oder des Schaltelements E vorgenommen werden kann. Wie zudem in 1 zu erkennen ist, trägt die Vorgelegewelle 20 noch ein Stirnrad 23, das permanent mit dem Differenzialrad 10 im Zahneingriff steht. In der Folge steht auch die Vorgelegewelle 20 des zweiten Teilgetriebes 5, genauso wie die Vorgelegewelle 15 des ersten Teilgetriebes 4, permanent mit dem Getriebeausgang 9 in Verbindung.
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Die Überlagerungsstufe 6, mittels welcher ein Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit einem Betrieb der Elektromaschine 2 überlagert werden kann, wird vorliegend ebenfalls durch eine Planetenstufe 24 gebildet, die sich aus einem Hohlrad HO2, einem Planetensteg PS2 und einem Sonnenrad SO2 zusammensetzt. Dabei ist auch diese Planetenstufe 24 wiederum als Minusplanetenstufe realisiert, indem der Planetensteg PS2 mehrere Planetenräder trägt, welche jeweils sowohl mit dem radial innenliegenden Sonnenrad SO2, als auch dem radial außenliegenden Hohlrad HO2 in Zahneingriff stehen. Wie in 1 zu erkennen ist, ist der Planetensteg PS2 drehfest mit der Getriebeeingangswelle 8 des zweiten Teilgetriebes 5 gekoppelt, während das Sonnenrad SO2 drehfest auf einer koaxial zur Getriebeeingangswelle 8 verlaufenden Hohlwelle 25 aufgesetzt ist. Das Hohlrad HO2 ist auf einer radialen Außenseite zudem mit einer umlaufenden Verzahnung ausgestattet, über welche das Hohlrad HO2 mit einem Stirnrad 26 im Zahneingriff steht, das drehfest auf einer Rotorwelle 27 der Elektromaschine 2 platziert ist. Dabei ist die Elektromaschine 2 mit ihrer Rotorwelle 27 achsversetzt zu der Getriebeeingangswelle 8 des zweiten Teilgetriebes 5 angeordnet.
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Auf der Hohlwelle 25 ist des Weiteren ein Stirnrad 28 drehfest aufgesetzt, das mit einem seitens der Getriebeeingangswelle 7 des ersten Teilgetriebes 4 drehbar gelagerten Stirnrad 29 kämmt. Letzteres kann über ein Schaltelement F an der Getriebeeingangswelle 7 festgesetzt werden, so dass eine Drehbewegung der Getriebeeingangswelle 7 durch Zusammenspiel der Stirnräder 28 und 29 auf die Hohlwelle 25 übersetzt wird, wobei eine Drehbewegung der Hohlwelle 25 mittels der Überlagerungsstufe 6 mit einer über die Elektromaschine 2 eingeleiteten Drehbewegung des Hohlrades HO2 überlagerbar und entsprechend auf die Getriebeeingangswelle 8 übersetzbar ist.
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Das Schaltelement F ist ebenso wie das Schaltelement C im vorliegenden Fall als formschlüssiges Schaltelement in Form einer Klauenkupplung realisiert und mit dem Schaltelement C zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst. Dabei kann innerhalb dieses Doppelschaltelements entweder eine Ansteuerung des Schaltelements C oder des Schaltelements F vorgenommen werden.
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Um zudem die Übersetzungsverhältnisse der Planetenstufe 19 des zweiten Teilgetriebes 5 direkt für die Brennkraftmaschine 1 nutzbar zu machen, kann die Hohlwelle 25 zudem mittels eines Schaltelements G drehfest mit dem Hohlrad HO1 der Planetenstufe 19 gekoppelt werden, so dass ausgehend von der Getriebeeingangswelle 7 durch Zusammenspiel der Stirnräder 28 und 29 eine Übersetzung auf die Getriebeeingangswelle 8 erfolgt, wobei diese Drehbewegung dann über eines der beiden darstellbaren Übersetzungsverhältnisse der Planetenstufe 19 auf die Vorgelegewelle 20 übertragen und im Folgenden weiter zum Getriebeausgang 9 übersetzt werden kann. Ähnlich wie die Schaltelemente A bis F ist dabei auch das Schaltelement G als Klauenkupplung und damit als formschlüssiges Schaltelement ausgestaltet. Das Betätigen des Schaltelements G hat zudem ein Verblocken der Überlagerungsstufe 6 zur Folge, wodurch auch die Elektromaschine 2 mit einer festen Übersetzung an die Getriebeeingangswelle 8 angebunden werden kann.
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Aus 2 geht eine zweite Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung hervor, wobei diese Ausgestaltung dabei weitestgehend der Variante nach 1 entspricht. Dabei unterscheidet sich zum einen der Aufbau eines zweiten Teilgetriebes 30 dadurch von der vorhergehenden Variante, dass die Komponenten einer Planetenstufe 31 anderweitig zwischen einer Getriebeeingangswelle 32 und einer Vorgelegewelle 33 eingebunden sind. So ist ein Hohlrad HO3 der Planetenstufe 31 in diesem Fall drehfest mit der Vorgelegewelle 33 verbunden, während ein mehrere Planetenräder führender Planetensteg PS3 drehfest mit der Getriebeeingangswelle 32 gekoppelt ist. Ein Sonnenrad SO3 der Planetenstufe 31 ist auf einer Hohlwelle 34 angeordnet, welche koaxial zu der Getriebeeingangswelle 32 verläuft und zum einen über das Schaltelement D am Gehäuse 22 festgesetzt, sowie zum anderen über das Schaltelement E drehfest mit der Getriebeeingangswelle 32 verbunden werden kann. Die Schaltelemente D und E haben also gegenüber der Variante nach 1 die jeweils vornehmbare Anbindung getauscht. Erneut sind die Schaltelemente D und E in einem Doppelschaltelement zusammengefasst, welches in diesem Fall axial benachbart zu dem Schaltelement G liegt.
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Weiter unterschiedlich zu der Variante nach 1 ist der Überlagerungsstufe 6 seitens der Elektromaschine 2 eine Vorübersetzungsstufe 35 vorgeschaltet, über welche eine Drehbewegung der Rotorwelle 27 der Elektromaschine 2 ins Langsame übersetzt werden kann. In der Folge kann die Elektromaschine als schnelllaufende Elektromaschine mit hoher Drehzahl bei geringem Drehmoment ausgeführt werden. Die Vorübersetzungsstufe 35 ist dabei ebenfalls als Planetenstufe ausgeführt, deren Sonnenrad SO4 auf der Rotorwelle 27 angeordnet ist, während ein Hohlrad HO4 der Vorübersetzungsstufe 35 am Gehäuse 22 permanent festgesetzt ist. Ein mehrere Planetenräder führender Planetensteg PS4 steht hingegen drehfest mit einem Stirnrad 36 in Verbindung, welches seitens der Überlagerungsstufe 6 mit einer Außenverzahnung des Hohlrades HO2 kämmt. Die durch den Planetensteg PS4 geführten Planetenräder stehen jeweils sowohl mit dem Sonnenrad SO4, als auch mit dem Hohlrad HO4 im Zahneingriff. Die Vorübersetzungsstufe 35 ist dementsprechend genau wie die Überlagerungsstufe 6 und die Planetenstufe 31 als Minusplanetensatz ausgeführt. Im Übrigen entspricht die Variante nach 2 der Ausgestaltung nach 1.
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Aus 3 geht ein beispielhaftes Schaltschema hervor, in welchem die unterschiedlichen über das Kraftfahrzeuggetriebe 3 nach 1 und nach 2 darstellbaren Gänge und damit auch die unterschiedlichen Fahrfunktionen des Antriebsstranges tabellarisch gezeigt sind. Auf diese unterschiedlichen Betriebsweisen soll nun unter Einbeziehung des Schaltschemas aus 3 näher eingegangen werden:
So kann zum einen ein im generatorischen Betrieb der Elektromaschine 2 zu ladende Energiespeicher dadurch mit Strom versorgt werden, dass zum einen das Schaltelement F und zum anderen das Schaltelement G betätigt werden, während das Kraftfahrzeuggetriebe 3 in Neutral geschaltet ist (Gang VM 0 und Gang EM 0), so dass bei betätigtem Anfahrelement 18 die Brennkraftmaschine 1 und die Elektromaschine 2 über die Getriebeeingangswelle 7 mittels der Stirnräder 28 und 29, sowie durch Verblocken der Überlagerungsstufe 6 miteinander gekoppelt sind. Ebenso kann hierbei auch bei einem motorischen Betrieb der Elektromaschine 2 ein Starten der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise im Rahmen von Start-Stopp-Funktionen, durchgeführt werden.
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Ferner kann in den beiden darstellbaren Gängen der Planetenstufe 19 bzw. 31 des zweiten Teilgetriebes 5 bzw. 30 ein rein elektrisches Fahren (Gang VM jeweils 0, Gang EM 1 oder 2) dargestellt werden, indem jeweils die Überlagerungsstufe 6 durch Betätigen des Schaltelements G verblockt wird und zudem eines der beiden Schaltelemente D oder E betätigt wird. So wird ein erster Gang (Gang EM 1) für das rein elektrische Fahren durch Betätigen des Schaltelements E dargestellt, was bei der Variante nach 1 zu einem Festsetzen der Hohlwelle 21 am Gehäuse 22 resultiert, während dies im Falle der Ausgestaltung nach 2 ein Verblocken der Planetenstufe 31 bewirkt. Im letztgenannten Fall wird dadurch der kürzere der beiden darstellbaren Gänge bei verblockter Planetenstufe 31 erzeugt, so dass Verzahnungswälzverluste bei diesem hauptsächlich im elektrischen Fahrbetrieb gewählten Gang gering gehalten werden können.
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Ein zweiter elektrischer Gang (Gang EM 2) wird dann durch zusätzliches Betätigen des Schaltelements D zum Schaltelement G gewählt, wobei dies umgekehrt zum ersten Gang im Falle der Variante nach 1 ein Verblocken der Planetenstufe 19 und bei der Ausführung nach 2 ein Festsetzen der Hohlwelle 34 am Gehäuse 22 zur Folge hat.
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Ferner kann mit Hilfe der Elektromaschine 2 ein elektrodynamisches Anfahren (EDA) realisiert werden, bei welchem sowohl das Schaltelement F, als auch das Schaltelement E betätigt sind. In der Folge ist die Brennkraftmaschine 1 über die Stirnräder 28 und 29 mit dem Sonnenrad SO2 der Überlagerungsstufe 6 gekoppelt, während die Elektromaschine 2 mit dem Hohlrad HO2 in Verbindung steht. Über die Planetenstufe 19 bzw. 31 wird die damit über den Planetensteg PS2 eingeleitete Drehbewegung dann letztendlich auf den Getriebeausgang 9 im kurzen Gang des zweiten Teilgetriebes 5 bzw. 30 übersetzt, wobei durch die Anbindung der Brennkraftmaschine 1 am Sonnenrad SO2 eine Drehmomentüberhöhung bei Abstützen des Hohlrades HO2 über die Elektromaschine 2 stattfindet.
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Wie zudem aus 3 hervorgeht, können insgesamt fünf Gänge (Gänge VM 1 bis 5) für einen reinen Antrieb über die Brennkraftmaschine 1 realisiert werden. Ein erster Gang (Gang VM 1) wird dabei über das erste Teilgetriebe 4 dargestellt, indem die Stirnradstufe 12 durch Betätigen des Schaltelements A eingebunden wird. Für einen zweiten Gang (Gang VM 2) sind dann die Schaltelemente E, F und G zu betätigen, so dass die Brennkraftmaschine 1 auf das zweite Teilgetriebe 5 bzw. 30 zugreifen und über den kürzeren der beiden Gänge der Planetenstufe 19 bzw. 31 auf die Vorgelegewelle 20 bzw. 33 übersetzen kann. Ausgehend davon wird ein dritter Gang (Gang VM 3) wiederum über das erste Teilgetriebe 4 definiert, indem durch Betätigen des Schaltelements B die Stirnradstufe 13 in den Kraftfluss eingebunden wird. Ein vierter Gang (Gang VM 4) wird dann geschaltet, indem die Schaltelemente D, F und G geschaltet und damit seitens der Planetenstufe 19 bzw. 31 der längere Gang geschaltet wird. Schließlich ist zur Darstellung des fünften Ganges (Gang VM 5) das Schaltelement C zu betätigen, so dass die Stirnradstufe 14 eine Übersetzung auf die Vorgelegewelle 15 vornimmt.
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Ferner kann eine Lastschaltung zwischen den Gängen (Gänge VM 1 bis 5) bei einem verbrennungsmotorischen Betrieb auf zwei unterschiedliche Varianten realisiert werden. Zum einen kann die Elektromaschine 2 die Zugkraft im Zuge eines Gangwechsels stützen, indem das Schaltelement G stets geschlossen und damit die Überlagerungsstufe 6 stets verblockt ist. Infolge dessen ist die Elektromaschine fest an die Eingangswelle 8 bzw. 32 des zweiten Teilgetriebes 5 bzw. 30 angebunden und kann bei einem Gangwechsel im ersten Teilgetriebe 4 die Zugkraft über einen Gang im zweiten Teilgetriebe 5 bzw. 30 stützen. Umgekehrt kann auch die Brennkraftmaschine 1 bei einem Gangwechsel im zweiten Teilgetriebe 5 bzw. 30 ein Abstützen der Zugkraft über einen der Gänge des ersten Teilgetriebes 4 vornehmen.
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Im hierzu alternativen Fall werden Lastschaltungen durch eine entsprechende Überlagerung des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 mit einem Betrieb der Elektromaschine 2 mittels der Überlagerungsstufe 6 realisiert. Dabei wird das Schaltelement F stets geschlossen gehalten, so dass die Brennkraftmaschine 1 mit der Überlagerungsstufe 6 in Kontakt steht. Infolge dessen werden die Drehmomente der Brennkraftmaschine 1 und der Elektromaschine 2 summiert, so dass über einen der Gänge im zweiten Teilgetriebe 5 bzw. 30 Last übertragen und durch entsprechende Änderung der Drehzahlen an Elektromaschine 2 und Brennkraftmaschine 1 die Getriebeeingangswelle 7 des ersten Teilgetriebes 4 auf eine für einen neuen zu schaltenden Gang des ersten Teilgetriebes 4 geeignete Drehzahl synchronisiert werden kann. Nach einem Schalten dieses Ganges kann die Elektromaschine 2 dann die Last abbauen, so dass der vorherige Gang des zweiten Teilgetriebes 5 bzw. 30 lastfrei ausgelegt werden kann. Für ein Synchronisieren eines weiteren, folgenden Ganges im zweiten Teilgetriebe 5 bzw. 30 kann wiederum eine Synchronisierung über die Elektromaschine 2 vorgenommen und diese anschließend eingelegt werden. Im Folgenden kann dann der dann wiederum auszulegende Gang des ersten Teilgetriebes 4 durch entsprechende Lastübernahme der Elektromaschine 2 lastfrei ausgelegt werden. Anschließend kann das Lastschaltelement G synchronisiert und geschlossen werden.
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Schließlich kann die Brennkraftmaschine 1 in verschiedenen Gängen zugestartet werden, wenn gerade ein elektromotorischer Antrieb, d. h. ein elektrisches Fahren, stattfindet. So können in dem ersten Gang des elektrischen Fahrens (Gang EM 1) die Gänge VM 1, 2, 3 und 5 zugestartet werden, während dies im Falle des zweiten Ganges beim elektrischen Fahren (Gang EM 2) die Gänge VM 1, 3, 4 und 5 sind.
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Schließlich geht aus 4 eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung hervor. Diese entspricht wiederum weitestgehend der Variante nach 1, wobei als einziger Unterschied die Komponenten einer Planetenstufe 37 eines zweiten Teilgetriebes 38 abweichend zu der Variante nach 1 eingebunden sind. So ist ein Sonnenrad SO5 der Planetenstufe 37 auf einer Getriebeeingangswelle 39 des zweiten Teilgetriebes 38 angeordnet, während ein Planetensteg PS5 drehfest mit einer Vorgelegewelle 40 des zweiten Teilgetriebes 38 verbunden ist. Koaxial zu der Getriebeeingangswelle 39 ist ferner eine Hohlwelle 41 vorgesehen, die drehfest mit einem Hohlrad HO5 der Planetenstufe 37 in Verbindung steht und zum einen über das Schaltelement E am Gehäuse 22 festgesetzt, sowie zum anderen über das Schaltelement D drehfest mit der Getriebeeingangswelle 39 gekoppelt werden kann. Die Schaltelemente D und E, welche erneut zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst sind, sind dabei seitens der Überlagerungsstufe 6, benachbart zum Schaltelement G vorgesehen. Im Übrigen entspricht die Variante nach 4 aber der Ausführungsform nach 1, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Schließlich geht aus 5 ein beispielhaftes Schaltschema für die Ausgestaltung nach 4 hervor. Dieses entspricht dabei im Wesentlichen dem Schaltschema aus 3, wobei als einziger Unterschied ein vierter und ein fünfter Gang (Gang VM 4 und 5) für ein Fahren über die Brennkraftmaschine 1 abweichend definiert werden. So sind in einem vierten Gang die Schaltelemente C, D und G zu betätigen, während im Falle eines fünften Ganges die Schaltelemente F, D und G zu schalten sind. Grund hierfür ist die abweichende, über die Planetenstufe 37 darstellbare Übersetzung. Die einzelnen Betriebsweisen lassen sich ansonsten analog realisieren, so dass auf das zu 3 Beschriebene Bezug genommen wird.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen eines Kraftfahrzeuggetriebes können unterschiedlichste Fahrfunktionen eines Hybridfahrzeuges bei gleichzeitig kompaktem Aufbau realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Elektromaschine
- 3
- Kraftfahrzeuggetriebe
- 4
- Erstes Teilgetriebe
- 5
- Zweites Teilgetriebe
- 6
- Überlagerungsstufe
- 7
- Getriebeeingangswelle
- 8
- Getriebeeingangswelle
- 9
- Getriebeausgang
- 10
- Differentialrad
- 11
- Differentialgetriebe
- 12
- Stirnradstufe
- 13
- Stirnradstufe
- 14
- Stirnradstufe
- 15
- Vorgelegewelle
- 16
- Stirnrad
- 17
- Abtriebswelle
- 18
- Anfahrelement
- 19
- Planetenstufe
- 20
- Vorgelegewelle
- 21
- Hohlwelle
- 22
- Gehäuse
- 23
- Stirnrad
- 24
- Planetenstufe
- 25
- Hohlwelle
- 26
- Stirnrad
- 27
- Rotorwelle
- 28
- Stirnrad
- 29
- Stirnrad
- 30
- Zweites Teilgetriebe
- 31
- Planetenstufe
- 32
- Getriebeeingangswelle
- 33
- Vorgelegewelle
- 34
- Hohlwelle
- 35
- Vorübersetzungsstufe
- 36
- Stirnrad
- 37
- Planetenstufe
- 38
- Zweites Teilgetriebe
- 39
- Getriebeeingangswelle
- 40
- Vorgelegewelle
- 41
- Hohlwelle
- A
- Schaltelement
- B
- Schaltelement
- C
- Schaltelement
- D
- Schaltelement
- E
- Schaltelement
- F
- Schaltelement
- G
- Schaltelement
- HO1
- Hohlrad
- PS1
- Planetensteg
- SO1
- Sonnenrad
- HO2
- Hohlrad
- PS2
- Planetensteg
- SO2
- Sonnenrad
- HO3
- Hohlrad
- PS3
- Planetensteg
- SO3
- Sonnenrad
- HO4
- Hohlrad
- PS4
- Planetensteg
- SO4
- Sonnenrad
- HO5
- Hohlrad
- PS5
- Planetensteg
- SO5
- Sonnenrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010043354 A1 [0003, 0010]
