DE102014204795A1

DE102014204795A1 - Getriebe für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014204795A1
Application number: DE102014204795.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beck; Johannes Kaltenbach; Uwe Griesmeier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Getriebe (G) für ein Kraftfahrzeug, welches eine Eingangswelle (GW1), eine Ausgangswelle (GW2), einen Radsatz (RS) und Schaltelemente (B1, B2, K0, K1, K2) aufweist, wobei der Radsatz (RS) einen ersten Planetenradsatz (P1) und einen zweiten Planetenradsatz (P2) mit insgesamt vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichnete Wellen (W1, W2, W3, W4) aufweist, wobei die zweite Welle (W2) mit der Ausgangswelle (GW2) verbunden ist, wobei die Schaltelemente (B1, B2, K0, K1, K2) selektiv betätigbar sind wodurch durch das Getriebe (G) vier schaltbare Vorwärtsgänge (1, 2, 3, 4) zwischen der Eingangswelle (GW1) und der Ausgangswelle (GW2) herstellbar sind, wobei das Getriebe (G) eine elektrische Maschine (EM) mit einem Stator (S) und einem Rotor (R) aufweist, wobei die Eingangswelle (GW1) über ein erstes Schaltelement (K0) mit einer Zwischenwelle (WZ) verbindbar ist, wobei der Rotor (R) mit der Zwischenwelle (WZ) verbunden ist, wobei die Zwischenwelle (WZ) über ein zweites Schaltelement (K1) mit der dritten Welle (W3) des Radsatzes (RS) verbindbar ist, wobei die Zwischenwelle (WZ) über ein drittes Schaltelement (K2) mit der ersten Welle (W1) des Radsatzes (RS) verbindbar ist, wobei die dritte Welle (W3) durch ein viertes Schaltelement (B1) drehfest festsetzbar ist, und wobei die vierte Welle (W4) durch ein fünftes Schaltelement (B2) drehfest festsetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe, welches eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle, einen Radsatz und Schaltelemente aufweist, wobei der Radsatz einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz mit insgesamt vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichnete Wellen aufweist, wobei die zweite Welle mit der Ausgangswelle verbunden ist, wobei die Schaltelemente selektiv betätigbar sind wodurch durch das Getriebe vier vorzugsweise automatisch schaltbare Vorwärtsgänge zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle herstellbar sind. Die Erfindung betrifft ferner einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Hybridantriebsstranges.
Ein Getriebe bezeichnet hier insbesondere ein mehrgängiges Getriebe, bei dem eine vordefinierte Anzahl an Gängen, also festen Übersetzungsverhältnissen zwischen einer Getriebe-Eingangswelle und einer Getriebe-Ausgangswelle, durch Schaltelemente vorzugsweise automatisch schaltbar ist. Bei den Schaltelementen handelt es sich hier beispielsweise um Kupplungen oder Bremsen. Derartige Getriebe finden vor allem in Kraftfahrzeugen Anwendung, um das Drehzahl- und Drehmomentabgabevermögen der Antriebseinheit den Fahrwiderständen des Fahrzeugs in geeigneter Weise anzupassen.
Aus dem Fachbuch LOOMAN Johannes, Zahnradgetriebe, 3. Auflage: Springer, 1996, ISBN 3-540-60336-0, Seite 236–239 ist ein Getriebe bekannt, welches eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle, einen Radsatz und Schaltelemente aufweist, wobei der Radsatz einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz mit insgesamt vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichnete Wellen aufweist, wobei die zweite Welle mit der Ausgangswelle verbunden ist, und wobei die Schaltelemente selektiv betätigbar sind wodurch durch das Getriebe vier automatisch schaltbare Vorwärtsgänge zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle herstellbar sind.
Bei sogenannten Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen oder Fahrzeugen mit Range-Extender kommen oft nur kleine Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz, welche in erster Linie dazu dienen die Reichweite des Kraftfahrzeugs durch verbrennungsmotorischen Betrieb zu vergrößern. Der Hauptantrieb derartiger Kraftfahrzeuge wird durch eine elektrische Maschine gebildet, welche dazu imstande ist große Bereiche des Leistungsvermögens des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Derartige Fahrzeuge zeichnen sich durch einen hohen Antriebswirkungsgrad aus.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Getriebe für derartige Kraftfahrzeuge bereitzustellen, welches sich durch einen kompakten und einfachen Aufbau auszeichnet.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren ergeben.
Das Getriebe umfasst wenigstens eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle, einen Radsatz, eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, und fünf Schaltelemente. Der Radsatz weist einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz mit insgesamt vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichnete Wellen auf. Der Radsatz ist als ein Zwei-Steg-Vier-Wellen-Getriebe ausgebildet. Die zweite Welle des Radsatzes ist mit der Ausgangswelle ständig verbunden. Die fünf Schaltelemente sind selektiv betätigbar. Durch Betätigen der Schaltelemente sind insgesamt vier Gänge zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle herstellbar.
Erfindungsgemäß ist die Eingangswelle über ein erstes Schaltelement mit einer Zwischenwelle verbindbar, wobei der Rotor der elektrischen Maschine mit der Zwischenwelle ständig verbunden ist. Die Zwischenwelle ist über ein zweites Schaltelement mit der dritten Welle des Radsatzes verbindbar. Darüber hinaus ist die Zwischenwelle über ein drittes Schaltelement mit der ersten Welle des Radsatzes verbindbar. Die dritte Welle ist durch ein viertes Schaltelement drehfest festsetzbar. Die vierte Welle ist durch ein fünftes Schaltelement drehfest festsetzbar. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird ein besonders einfacher und kompakter Aufbau des Getriebes erzielt.
Unter einem Zwei-Steg-Vier-Wellen-Getriebe ist ein Planetengetriebe zu verstehen, das aus zwei über genau zwei Koppelwellen kinematisch miteinander gekoppelten Einzel-Planetenradsätzen gebildet ist und bei dem vier seiner Elemente („Wellen“) für andere Getriebeelemente frei zugänglich sind. Eine Koppelwelle ist dabei als ständige mechanische Verbindung zwischen einem Element – also Sonnenrad oder Steg oder Hohlrad – des ersten Einzel-Planetenradsatzes mit einem Element – also Sonnenrad oder Steg oder Hohlrad – des zweiten Einzel-Planetenradsatzes definiert. Die Anzahl der Einzel-Planetenradsätze und die Anzahl der freien Wellen sind nicht über das optische Erscheinungsbild des Getriebes definiert, sondern über dessen Kinematik. In jedem Gang eines Zwei-Steg-Vier-Wellen-Getriebes müssen zwei der mit Elementen des Zwei-Steg-Vier-Wellen-Getriebes verbunden Schaltelemente des Getriebes geschlossen sein. Zur graphischen Darstellung der Kinematik des Getriebes wird üblicherweise ein Drehzahlplan des Getriebes verwendet, beispielsweise den aus der Getriebelehre bekannten Kutzbachplan. Bekannte Ausführungsbeispiele für ein solches Zwei-Steg-Vier-Wellen-Getriebe sind der so genannte Ravigneaux-Radsatz und der so genannte Simpson-Radsatz.
Ein reduziertes Zwei-Steg-Vier-Wellen-Getriebe ist eine Bauform eines Zwei-Steg-Vier-Wellen-Getriebes, bei dem ein Element – also ein Sonnenrad, ein Steg oder ein Hohlrad – des Getriebes eingespart ist, da ein anderes Element des Getriebes dessen Aufgabe übernimmt, ohne die Kinematik dadurch zu verändern. Dasjenige Element, welches die Funktion des eingesparten Elementes übernimmt, ist damit gleichzeitig eine der Koppelwellen des Getriebes. Ein bekanntes Ausführungsbeispiel hierfür ist der Ravigneaux-Radsatz, der entweder zwei Sonnenräder und nur ein Hohlrad aufweist oder aber zwei Hohlräder und nur ein Sonnenrad.
Unter einer Welle ist nachfolgend nicht ausschließlich ein beispielsweise zylindrisches, drehbar gelagertes Maschinenelement zur Übertragung von Drehmomenten zu verstehen, sondern vielmehr sind hierunter auch allgemeine Verbindungselemente zu verstehen, die einzelne Bauteile oder Elemente miteinander verbinden, insbesondere Verbindungselemente, die mehrere Elemente drehfest miteinander verbinden.
Ein Planetenradsatz umfasst ein Sonnenrad, einen Steg und ein Hohlrad. An dem Steg drehbar gelagert sind Planetenräder, welche mit der Verzahnung des Sonnenrades und/oder mit der Verzahnung des Hohlrads kämmen. Nachfolgend beschreibt ein Minus-Radsatz einen Planetenradsatz mit einem Steg, an dem die Planetenräder drehbar gelagert sind, mit einem Sonnenrad und mit einem Hohlrad, wobei die Verzahnung zumindest eines der Planetenräder sowohl mit der Verzahnung des Sonnenrades, als auch mit der Verzahnung des Hohlrades kämmt, wodurch das Hohlrad und das Sonnenrad in entgegengesetzte Drehrichtungen rotieren, wenn das Sonnenrad bei feststehendem Steg rotiert.
Ein Plus-Radsatz unterscheidet sich zu dem gerade beschriebenen Minus-Planetenradsatz dahingehend, dass der Plus-Radsatz innere und äußere Planetenräder aufweist, welche drehbar an dem Steg gelagert sind. Die Verzahnung der inneren Planetenräder kämmt dabei einerseits mit der Verzahnung des Sonnenrads und andererseits mit der Verzahnung der äußeren Planetenräder. Die Verzahnung der äußeren Planetenräder kämmt darüber hinaus mit der Verzahnung des Hohlrades. Dies hat zur Folge, dass bei feststehendem Steg das Hohlrad und das Sonnenrad in die gleiche Drehrichtung rotieren.
Vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichnete Wellen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlen dieser Wellen in der genannten Reihenfolge linear ansteigen, abnehmen oder gleich sind. In anderen Worten ist die Drehzahl der ersten Welle kleiner gleich der Drehzahl der zweiten Welle. Die Drehzahl der zweiten Welle ist wiederum kleiner gleich der Drehzahl der dritten Welle. Die Drehzahl der dritten Welle ist kleiner gleich der Drehzahl der vierten Welle. Diese Reihenfolge ist auch reversibel, sodass die vierte Welle die größte Drehzahl aufweist, während die erste Welle eine Drehzahl annimmt die kleiner oder gleich groß wie die Drehzahl der vierten Welle ist. Zwischen den Drehzahlen aller vier Wellen besteht dabei stets ein linearer Zusammenhang.
Die Drehzahl einer oder mehrerer Wellen kann dabei auch negative Werte, oder auch den Wert Null annehmen. Die Drehzahlordnung ist daher stets auf den vorzeichenbehafteten Wert der Drehzahlen zu beziehen, und nicht auf deren Betrag. Die Drehzahlen der vier Wellen sind dann gleich, wenn von den Elementen Hohlrad, Steg und Sonne eines der Planetenradsätze zwei dieser Elemente miteinander verbunden sind.
Eine elektrische Maschine besteht zumindest aus einem drehfesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor und ist in einem motorischen Betrieb dazu eingerichtet, elektrische Energie in mechanische Energie in Form von Drehzahl und Drehmoment zu wandeln, sowie in einem generatorischen Betrieb mechanische Energie in elektrische Energie in Form von Strom und Spannung zu wandeln.
Durch Schaltelemente wird, je nach Betätigungszustand, eine Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen zugelassen oder eine Verbindung zur Übertragung eines Drehmoments zwischen den zwei Bauteilen hergestellt. Unter einer Relativbewegung ist beispielsweise eine Rotation zweier Bauteile zu verstehen, wobei die Drehzahl des ersten Bauteils und die Drehzahl des zweiten Bauteils voneinander abweichen. Darüber hinaus ist auch die Rotation nur eines der beiden Bauteile denkbar, während das andere Bauteil stillsteht oder in entgegengesetzter Richtung rotiert.
Zwei Elemente werden insbesondere dann als miteinander verbunden bezeichnet, wenn zwischen den Elementen eine feste, insbesondere drehfeste Verbindung besteht. Derart verbundene Elemente drehen mit der gleichen Drehzahl. Die verschiedenen Bauteile und Elemente der genannten Erfindung können dabei über eine Welle beziehungsweise über ein geschlossenes Schaltelement oder ein Verbindungselement, aber auch direkt, beispielsweise mittels einer Schweiß-, Press- oder einer sonstigen Verbindung, miteinander verbunden sein.
Zwei Elemente werden im Weiteren als verbindbar bezeichnet, wenn zwischen diesen Elementen eine durch ein Schaltelement lösbare drehfeste Verbindung besteht. Wenn die Verbindung besteht, so drehen solche Elemente mit der gleichen Drehzahl.
Vorzugsweise ist ein Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes ein Bestandteil der ersten Welle des Radsatzes. Ein Steg des ersten Planetenradsatzes ist mit einem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes verbunden, und bildet einen Bestandteil der zweiten Welle des Radsatzes. Ein Hohlrad des ersten Planetenradsatzes ist mit einem Steg des zweiten Planetenradsatzes verbunden, und bildet einen Bestandteil der dritten Welle des Radsatzes. Ein Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes bildet einen Bestandteil der vierten Welle des Radsatzes. Ein derartiger Aufbau des Radsatzes zeichnet sich durch einen guten Verzahnungswirkungsgrad sowie durch geringe Bauteilbelastungen aus.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind durch selektives Betätigen der zweiten bis vierten Schaltelemente vier Vorwärtsgänge zwischen der Zwischenwelle und der Ausgangswelle automatisiert schaltbar. Bei geöffnetem erstem Schaltelement wird dabei Drehmoment durch den Rotor der elektrischen Maschine auf die Zwischenwelle aufgebracht. Bei geschlossenem erstem Schaltelement wird entweder durch ein Antriebsaggregat, welches mit der Eingangswelle verbunden ist, oder durch das Antriebsaggregat und den Rotor der elektrischen Maschine Drehmoment auf die Zwischenwelle aufgebracht. Der erste Vorwärtsgang wird durch Schließen des vierten Schaltelements und des dritten Schaltelements gebildet. Der zweite Vorwärtsgang wird durch Schließen des fünften Schaltelements und des dritten Schaltelements gebildet. Der dritte Vorwärtsgang wird durch Schließen des zweiten Schaltelements und dritten Schaltelements gebildet. Der vierte Vorwärtsgang wird durch Schließen des fünften Schaltelements und des zweiten Schaltelements gebildet. Durch diese Zuordnung der zweiten bis vierten Schaltelemente zu den einzelnen Vorwärtsgängen wird, bei geeigneter Wahl der Standgetriebeübersetzung des ersten und zweiten Planetenradsatzes, eine für die Anwendung im Kraftfahrzeug gut geeignete Übersetzungsreihe erzielt. Zudem weisen zwei benachbarte Gänge stets ein Schaltelement auf, das in beiden diesen Gängen geschlossen ist. Bei einem Schaltvorgang in einen benachbarten Gang muss daher nur ein Schaltelement geöffnet und ein Schaltelement geschlossen werden. Dies vereinfacht den Schaltvorgang und verkürzt die Schaltdauer.
Gemäß einer Ausführungsform sind das vierte und fünfte Schaltelement radial außerhalb des ersten und zweiten Planetenradsatzes angeordnet. Da sowohl das vierte als auch das fünfte Schaltelement eine drehfeste Festsetzung der dem jeweiligen Schaltelement zugeordneten Welle bewirken, ist eine derartige Anordnung besonders vorteilhaft, da das vierte und fünfte Schaltelemente auf diese Weise direkt an einem Gehäuse des Getriebes angeordnet werden können, welches sich radial außerhalb der beiden Planetenradsätze befindet. Sind das vierte und/oder das fünfte Schaltelement als hydraulisch betätigte Bandbremsen ausgebildet, so sind die Schaltelemente durch die gehäusenahe Anordnung gut mit Hydraulikfluid erreichbar. Dies vereinfacht die Hydraulikfluidführung des Getriebes.
Vorzugsweise ist das vierte Schaltelement als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet. Formschlüssige Schaltelemente stellen im geschlossenen Zustand die Verbindung durch Formschluss her, und zeichnen sich im geöffneten Zustand durch geringere Schleppverluste als kraftschlüssige Schaltelemente aus. Beispielsweise kann das vierte Schaltelement als Klauen-Schaltelement ausgeführt sein, welches mit einer Synchronisiereinrichtung ausgebildet sein kann. Durch die im geöffneten Zustand geringen Schleppverluste wird der Wirkungsgrad des Getriebes weiter verbessert, besonders da das vierte Schaltelement lediglich im ersten Vorwärtsgang geschlossen ist. Das vierte Schaltelement ist daher bei Betrieb des Getriebes überwiegend geöffnet. Da das vierte Schaltelement lediglich im ersten Vorwärtsgang geschlossen ist, wird das Schaltelement bei Schaltvorgängen in einen höheren Gang stets geöffnet, aber nicht geschlossen. Ein Öffnen eines Klauen-Schaltelements ist erheblich einfacher als der Schließ-Vorgang, da beim Schließen die Klauen des Klauenschaltelements erst in die dafür vorgesehen Lücken einrücken müssen, während beim Öffnen die Klauen lediglich lastfrei gestellt werden müssen. Beide Vorgänge benötigen Zeit, wobei besonders bei Schaltvorgängen von einem niedrigen Gang in einen höheren Gang die Schaltzeit aus fahrdynamischen Gründen möglichst kurz sein soll. Da das vierte Schaltelement bei Schaltvorgängen in einen höheren Gang jedoch nie geschlossen, sondern lediglich geöffnet werden muss, besteht durch die Ausbildung des vierten Schaltelements als formschlüssiges Schaltelement keine Einschränkung hinsichtlich der Schaltdauer.
Vorzugsweise ist das dritte Schaltelement als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet. Da das dritte Schaltelement lediglich im vierten und damit höchsten Gang geöffnet ist, muss das dritte Schaltelement bei einem Schaltvorgang in einen höheren Gang nie geschlossen werden. Daher besteht auch beim dritten Schaltelement durch die Ausbildung als formschlüssiges Schaltelement keine Einschränkung hinsichtlich der Schaltdauer. Zudem verbessert die Ausbildung als formschlüssiges Schaltelement den Wirkungsgrad des Getriebes im vierten Vorwärtsgang.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Rückwärtsgang des Getriebes durch Rückwärtsdrehung des Rotors der elektrischen Maschine gebildet, wobei das erste Schaltelement geöffnet ist und einer der vier Vorwärtsgänge eingelegt ist. In anderen Worten weist das Getriebe keinen durch eine selektive Betätigung der Schaltelemente gebildeten Rückwärtsgang auf. Stattdessen wird die elektrische Maschine so betrieben, dass der Rotor entgegen einer Vorzugsdrehrichtung der Eingangswelle rotiert. Bei einem eingelegten Gang rotiert die Ausgangswelle in dieselbe Drehrichtung wie der Rotor. Durch diese Ausgestaltung kann im Vergleich zum Stand der Technik ein Schaltelement eingespart werden, wodurch die Komplexität des Getriebes und auch dessen Gewicht reduziert wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Schaltelement als eine trockene oder nasse Lamellenkupplung ausgebildet. Eine Lamellenkupplung besteht aus einem Innenlamellenträger und einem Außenlamellenträger, wobei eine Vielzahl von Innenlamellen mit dem Innenlamellenträger verbunden ist, und eine Vielzahl von Außenlamellen mit dem Außenlamellenträger verbunden ist. Die Innenlamellen und Außenlamellen sind alternierend angeordnet und überlappen einander. Wird normal zur Lamellenfläche der Lamellen eine Kraft auf die Lamellen aufgebracht, so wird ein Drehmoment von einem Lamellenträger zum anderen Lamellenträger durch Reibung zwischen Innenlamellen und Außenlamellen übertragen. Das von einem Lamellenträger zum anderen Lamellenträger übertragene Drehmoment hängt dabei von der aufgebrachten Kraft ab. Ist die Kraft groß genug um durch Kraftschluss eine Differenzdrehzahl zwischen Innenlamellen und Außenlamellen zu unterbinden, so wird das gesamte Drehmoment übertragen. Reicht die Kraft dazu nicht aus, so wird nur ein Teil des Drehmoments übertragen, wobei es zu einer Differenzdrehzahl zwischen Innenlamellen und Außenlamellen kommt. Dieser Zustand wird auch als Schlupfbetrieb bezeichnet. Durch Variation der auf die Lamellen aufgebrachten Kraft ist die Drehmomentübertragungsfähigkeit des ersten Schaltelements einstellbar.
In einer alternativen Ausführungsform ist das erste Schaltelement als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Getriebes verbessert werden, da das erste Schaltelement im geöffneten Zustand wesentlich geringere Schleppverluste erzeugt als ein kraftschlüssiges Schaltelement, wie beispielsweise eine Lamellenkupplung.
Vorzugsweise ist das dritte Schaltelement radial außerhalb des zweiten Schaltelements angeordnet. Erstes und zweites Schaltelement weisen üblicherweise einen weitgehend rotationssymmetrischen Aufbau auf, deren Achse koaxial mit einer zentralen Achse des Getriebes ist, beispielsweise koaxial mit der Achse der Eingangswelle. Ist das zweite Schaltelement radial außerhalb des ersten Schaltelements angeordnet, so müssen diese beiden Schaltelemente nicht axial versetzt zueinander angeordnet werden. Stattdessen ist es dadurch möglich, die beiden Schaltelemente übereinander anzuordnen. Dadurch ist es möglich die Außenabmessungen des Getriebes zu reduzieren.
Das Getriebe kann Bestandteil eines Hybridantriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs sein. Der Hybridantriebsstrang weist neben dem Getriebe auch eine Verbrennungskraftmaschine auf, welche mit der Eingangswelle des Getriebes verbunden ist. Die Ausgangswelle des Getriebes ist mit einem Abtrieb verbunden, welcher mit Rädern des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Der Hybridantriebsstrang ermöglicht mehrere Antriebsmodi des Kraftfahrzeugs. In einem elektrischen Fahrbetrieb wird das Kraftfahrzeug von der elektrischen Maschine des Getriebes angetrieben, wobei das erste Schaltelement geöffnet ist. In einem verbrennungsmotorischen Betrieb wird das Kraftfahrzeug von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, wobei das erste Schaltelement geschlossen ist. In einem hybridischen Betrieb wird das Kraftfahrzeug sowohl von der Verbrennungskraftmaschine als auch von der elektrischen Maschine des Getriebes angetrieben.
In manchen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs ist ein generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine erforderlich, wobei der Rotor durch die Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Dazu ist das erste Schaltelement geschlossen. Sind beide oder eines der beiden Schaltelemente, durch die ein Gang gebildet wird, nicht geschlossen, so wird dabei kein Drehmoment von der Eingangswelle zur Ausgangswelle übertragen. Soll das Kraftfahrzeug in diesem Betriebszustand unmittelbar anfahren, so wird eines der im ersten Vorwärtsgang geschlossenen Schaltelemente vom geöffneten Zustand in einen Schlupfbetrieb überführt, während das andere der im ersten Vorwärtsgang geschlossenen Schaltelemente geschlossen bleibt oder geschlossen wird. Durch das im Schlupfbetrieb befindliche Schaltelement wird Drehmoment von der Eingangswelle zur Ausgangswelle übertragen, wobei die Drehzahl der Ausgangswelle durch Steuerung des Schlupfbetriebs stetig verändert werden kann. Das im Schlupfbetrieb betriebene Schaltelement ist dabei als kraftschlüssiges Schaltelement ausgebildet.
Soll aus dem elektrischen Fahrbetrieb in den verbrennungsmotorischen oder hybridischen Betrieb gewechselt werden, so muss die Verbrennungskraftmaschine gestartet werden. Dies wird bevorzugt durch einen Schleppstart realisiert, bei dem die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine durch die Eingangswelle angetrieben wird. Dazu wird in einem ersten Verfahrensschritt bei eingelegtem Gang und geöffnetem erstem Schaltelement eines der zweiten bis fünften Schaltelemente, welches zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist, in einen Schlupfbetrieb überführt. Das in den Schlupfbetrieb überführte Schaltelement ist dazu als ein kraftschlüssiges Schaltelement ausgebildet, welches mit einer variablen Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgestattet ist. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Drehmomentübertragungsfähigkeit des ersten Schaltelements erhöht. Das erste Schaltelement ist dazu ebenfalls als kraftschlüssiges Schaltelement mit einer variablen Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgebildet. Das vom geschlossenen Zustand in den Schlupfbetrieb überführte Schaltelement dient dazu, die notwendige Startdrehzahl der Kurbelwelle im Falle einer geringer Fahrzeuggeschwindigkeit zu erreichen und etwaige aus dem Startvorgang resultierende Drehmomentstörungen von der Ausgangswelle weitgehend zu entkoppeln.
Vorzugsweise wird beim oben beschriebenen Schleppstart das dritte Schaltelement in den Schlupfbetrieb überführt. Da das dritte Schaltelement im ersten, zweiten und dritten Vorwärtsgang geschlossen ist, kann der Schleppstart in all diesen Gängen durchgeführt werden. Zudem überträgt das dritte Schaltelement in diesen Gängen den gesamten Kraftfluss von Zwischenwelle zur Ausgangswelle. In anderen Worten besteht im ersten, zweiten und dritten kein Leistungspfad zwischen der Zwischenwelle und der Ausgangswelle, welcher nicht über das dritte Schaltelement führt. Dadurch wird die Entkopplung der Drehmomentstörungen, die durch den Start der Verbrennungskraftmaschine hervorgerufen werden, zur Ausgangswelle verbessert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
1 zeigt schematisch ein Getriebe entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Schaltschema des Getriebes.
3 zeigt einen Drehzahlplan des Getriebes
4 zeigt einen Hybridantriebstrang eines Kraftfahrzeugs.
1 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Das Getriebe weist einen Radsatz RS mit einem ersten Planetenradsatz P1 und einem zweiten Planetenradsatz P2 auf. Der Radsatz RS weist vier als erste, zweite, dritte und vierte Welle W1, W2, W3, W4 bezeichneten Wellen auf. Ein Sonnenrad So-P1 des ersten Planetenradsatzes P1 ist Bestandteil der ersten Welle W1 des Radsatzes RS. Ein Steg St-P1 des ersten Planetenradsatzes P1 und ein Hohlrad Ho-P2 des zweiten Planetenradsatzes P2 sind Bestandteile der zweiten Welle W2 des Radsatzes RS, wobei die zweite Welle W2 mit einer Ausgangswelle GW2 verbunden ist. Ein Hohlrad Ho-P1 des ersten Planetenradsatzes P1 und ein Steg St-P2 des zweiten Planetenradsatzes P2 sind Bestandteile der dritten Welle W3 des Radsatzes RS. Ein Sonnenrad So-P2 des zweiten Planetenradsatzes P2 ist Bestandteil der vierten Welle W4 des Radsatzes RS. Eine Eingangswelle GW1 des Getriebes G ist über ein erstes Schaltelement K0 mit einer Zwischenwelle WZ verbindbar. Eine elektrische Maschine EM mit einem Rotor R und einem gegenüber einem Gehäuse GG des Getriebes G drehfest festgesetzten Stator S ist ebenfalls Bestandteil des Getriebes G, wobei der Rotor R drehfest mit der Zwischenwelle WZ verbunden ist. Über ein zweites Schaltelement K1 ist die Zwischenwelle WZ mit der dritten Welle W3 verbindbar. Über ein drittes Schaltelement K2 ist die Zwischenwelle WZ mit der ersten Welle W1 verbindbar. Die dritte Welle W3 ist über ein viertes Schaltelement B1 gegenüber dem Gehäuse GG drehfest festsetzbar. Die vierte Welle W4 ist über ein fünftes Schaltelement gegenüber dem Gehäuse GG drehfest festsetzbar.
2 zeigt ein Schaltschema des Getriebes G. In einem ersten Vorwärtsgang 1 sind das vierte Schaltelement B1 und das dritte Schaltelement K2 geschlossen. In einem zweiten Vorwärtsgang 2 sind das fünfte Schaltelement B2 und das dritte Schaltelement K2 geschlossen. In einem dritten Vorwärtsgang 3 sind das zweite Schaltelement K1 und das dritte Schaltelement K2 geschlossen. In einem vierten Vorwärtsgang 4 sind das fünfte Schaltelement B2 und das zweite Schaltelement K1 geschlossen.
3 zeigt einen Drehzahlplan des Getriebes G. Darin sind in vertikaler Richtung die Drehzahlen der vier Wellen W1, W2, W3, W4 des Radsatzes RS im Verhältnis zur Drehzahl der Getriebe-Eingangswelle GW1 aufgetragen. Die maximal auftretende Drehzahl der Getriebe-Eingangswelle GW1 ist auf den Wert Eins normiert. Die Abstände zwischen den vier Wellen W1, W2, W3, W4 ergeben sich durch die Standgetriebeübersetzungen des ersten und zweiten Planetenradsatzes P1, P2. Zu einem bestimmten Betriebspunkt gehörende Drehzahlverhältnisse lassen sich durch eine Gerade verbinden.
Werden von Hohlrad, Steg und Sonne eines Planetenradsatz zwei dieser Elemente miteinander verbunden, so rotieren Hohlrad, Steg und Sonne dieses Planetenradsatzes mit derselben Drehzahl. In diesem Zustand nimmt die Übersetzung zwischen den genannten Elementen den Wert Eins an. Der Übersichtlichkeit halber wird die horizontale Anordnung der mit diesen Elementen verbundenen Wellen im Drehzahlplan nicht verschoben. Infolgedessen ist dieser Zustand im Drehzahlplan durch eine horizontale Gerade zu erkennen, die die beteiligten Wellen miteinander verbindet.
4 zeigt einen Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Der Hybridantriebsstrang weist eine Verbrennungskraftmaschine VKM auf, die über einen Torsionsschwingungsdämpfer TS mit der Eingangswelle GW1 des Getriebes G verbunden ist. Die Getriebe-Ausgangswelle GW2 ist mit einem Achsgetriebe AG verbunden. Vom Achsgetriebe AG ausgehend wird das Drehmoment, das an der Getriebe-Ausgangswelle GW2 anliegt, auf Räder DW des Kraftfahrzeugs verteilt. Im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine EM wird dem Stator S über einen nicht dargestellten Wechselrichter elektrische Leistung zugeführt. Im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine EM führt der Stator S dem Wechselrichter elektrische Leistung zu. Der Wechselrichter wandelt dabei die Gleichspannung einer nicht dargestellten Batterie in eine für die elektrische Maschine EM geeignete Wechselspannung, und umgekehrt.
Bezugszeichenliste

G: Getriebe
GG: Gehäuse
GW1: Eingangswelle
GW2: Ausgangswelle
RS: Radsatz
P1: Erster Planetenradsatz
P2: Zweiter Planetenradsatz
So-P1: Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes
St-P1: Steg des ersten Planetenradsatzes
Ho-P1: Hohlrad des ersten Planetenradsatzes
So-P2: Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes
St-P2: Steg des zweiten Planetenradsatzes
Ho-P2: Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes
W1: Erste Welle
W2: Zweite Welle
W3: Dritte Welle
W4: Vierte Welle
WZ: Zwischenwelle
K0: Erstes Schaltelement
K1: Zweites Schaltelement
K2: Drittes Schaltelement
B1: Viertes Schaltelement
B2: Fünftes Schaltelement
EM: Elektrische Maschine
R: Rotor
S: Stator
1: Erster Vorwärtsgang
2: Zweiter Vorwärtsgang
3: Dritter Vorwärtsgang
4: Vierter Vorwärtsgang
VKM: Verbrennungskraftmaschine
DW: Räder
AG: Achsgetriebe
TS: Torsionsschwingungsdämpfer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

LOOMAN Johannes, Zahnradgetriebe, 3. Auflage: Springer, 1996, ISBN 3-540-60336-0, Seite 236–239 [0003]

Claims

Getriebe (G) für ein Kraftfahrzeug, welches eine Eingangswelle (GW1), eine Ausgangswelle (GW2), einen Radsatz (RS) und Schaltelemente (B1, B2, K0, K1, K2) aufweist, wobei der Radsatz (RS) einen ersten Planetenradsatz (P1) und einen zweiten Planetenradsatz (P2) mit insgesamt vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichnete Wellen (W1, W2, W3, W4) aufweist, wobei die zweite Welle (W2) mit der Ausgangswelle (GW2) verbunden ist, wobei die Schaltelemente (B1, B2, K0, K1, K2) selektiv betätigbar sind wodurch durch das Getriebe (G) vier schaltbare Vorwärtsgänge (1, 2, 3, 4) zwischen der Eingangswelle (GW1) und der Ausgangswelle (GW2) herstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (G) eine elektrische Maschine (EM) mit einem Stator (S) und einem Rotor (R) aufweist, wobei die Eingangswelle (GW1) über ein erstes Schaltelement (K0) mit einer Zwischenwelle (WZ) verbindbar ist, wobei der Rotor (R) mit der Zwischenwelle (WZ) verbunden ist, wobei die Zwischenwelle (WZ) über ein zweites Schaltelement (K1) mit der dritten Welle (W3) des Radsatzes (RS) verbindbar ist, wobei die Zwischenwelle (WZ) über ein drittes Schaltelement (K2) mit der ersten Welle (W1) des Radsatzes (RS) verbindbar ist, wobei die dritte Welle (W3) durch ein viertes Schaltelement (B1) drehfest festsetzbar ist, und wobei die vierte Welle (W4) durch ein fünftes Schaltelement (B2) drehfest festsetzbar ist.
Getriebe (G) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sonnenrad (So-P1) des ersten Planetenradsatzes (P1) Bestandteil der ersten Welle (W1) des Radsatzes (RS) ist, wobei ein Steg (St-P1) des ersten Planetenradsatzes (P1) und ein Hohlrad (Ho-P2) des zweiten Planetenradsatzes (P2) Bestandteile der zweiten Welle (W2) des Radsatzes (RS) sind, wobei ein Hohlrad (Ho-P1) des ersten Planetenradsatzes (P1) und ein Steg (St-P2) des zweiten Planetenradsatzes (P2) Bestandteile der dritten Welle (W3) des Radsatzes (RS) sind, und wobei ein Sonnenrad (So-P2) des zweiten Planetenradsatzes (P2) Bestandteil der vierten Welle (W4) des Radsatzes (RS) ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch selektives Betätigen des zweiten, dritten, vierten und fünften Schaltelements (K1, K2, B1, B2) vier Vorwärtsgänge (1, 2, 3, 4) zwischen der Zwischenwelle (WZ) und der Ausgangswelle (GW2) automatisiert schaltbar sind, wobei der erste Vorwärtsgang (1) durch Schließen des vierten Schaltelements (B1) und des dritten Schaltelements (K2) gebildet wird, wobei der zweite Vorwärtsgang (2) durch Schließen des fünften Schaltelements (B2) und des dritten Schaltelements (K2) gebildet wird, wobei der dritte Vorwärtsgang (3) durch Schließen des zweiten Schaltelements (K1) und des dritten Schaltelements (K2) gebildet wird, und wobei der vierte Vorwärtsgang (4) durch Schließen des fünften Schaltelements (B2) und des zweiten Schaltelements (K1) gebildet wird.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte und fünfte Schaltelement (B1, B2) radial außerhalb der beiden Planetenradsätze (P1, P2) angeordnet sind.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte und/oder das fünfte Schaltelement (B1, B2) als Bandbremse ausgeführt ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Schaltelement (B1) als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Schaltelement (K2) als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückwärtsgang des Getriebes (G) durch Rückwärtsdrehung des Rotors (R) bei geöffnetem erstem Schaltelement (K0) und Betrieb in einem der vier Vorwärtsgänge (1, 2, 3, 4) gebildet wird.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (K0) als trockene oder nasse Lamellenkupplung ausgebildet ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (K0) als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Schaltelement (K2) radial außerhalb des zweiten Schaltelements (K1) angeordnet ist.
Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, wobei der Hybridantriebsstrang eine Verbrennungskraftmaschine (VKM), ein Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 sowie einen mit Rädern des Kraftfahrzeugs verbundenen Abtrieb aufweist, wobei die Eingangswelle (GW1) des Getriebes (G) mit der Verbrennungskraftmaschine (VKM) verbunden ist und die Ausgangsgangwelle (GW2) mit dem Abtrieb verbunden ist, wobei das Kraftfahrzeug bei geöffnetem erstem Schaltelement (K0) in einem elektrischen Fahrbetrieb von der elektrischen Maschine (EM) antreibbar ist, wobei das Kraftfahrzeug bei geschlossenem erstem Schaltelement (K0) in einem verbrennungsmotorischen Betrieb von der Verbrennungskraftmaschine (VKM) allein antreibbar ist, und wobei das Kraftfahrzeug bei geschlossenem erstem Schaltelement (K0) in einem hybridischen Betrieb von der Verbrennungskraftmaschine (VKM) und von der elektrischen Maschine (EM) antreibbar ist.
Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebsstranges nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren des Kraftfahrzeugs bei geschlossenem erstem Schaltelement (K0) eines der im ersten Vorwärtsgang (1) geschlossenen Schaltelemente (B1, K2) vom geöffneten Zustand in einen Schlupfbetrieb überführt wird und das andere der im ersten Vorwärtsgang (1) geschlossenen Schaltelemente (B1, K2) geschlossen ist, wodurch bei gegebener Drehzahl der Eingangswelle (GW1) eine Drehzahl der Ausgangswelle (GW2) stetig verändert werden kann, wobei das in den Schlupfbetrieb überführte Schaltelement (B1, K2) durch ein kraftschlüssiges Schaltelement gebildet ist, welches mit einer variablen Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgestattet ist.
Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebsstrangs nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei das erste Schaltelement (K0) als kraftschlüssiges Schaltelement mit variabler Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im elektrischen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs in einem ersten Verfahrensschritt bei eingelegtem Vorwärtsgang (1, 2, 3, 4) eines der zweiten bis fünften Schaltelemente (K1, K2, B1, B2), welches zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist, in einen Schlupfbetrieb überführt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die Drehmomentübertragungsfähigkeit des ersten Schaltelements (K0) erhöht wird, wodurch die Verbrennungskraftmaschine (VKM) gestartet wird, wobei das im ersten Verfahrensschritt in den Schlupfbetrieb überführte Schaltelement (K1, K2, B1, B2), durch ein kraftschlüssiges Schaltelement gebildet ist, welches mit einer variablen Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgestattet ist.
Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebsstrangs nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt das dritte Schaltelement (K2), welches zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist, in einen Schlupfbetrieb überführt wird.