DE102014215287A1 - Getriebe, sowie Verfahren zum Betrieb eines Getriebes - Google Patents

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Abstract

Getriebe (G) mit einer Getriebe-Eingangswelle (GW1) und einer Getriebe-Ausgangswelle (GW2), einem Hauptradsatz (HRS) mit einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz (P1, P2) mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte, vierte Welle bezeichnete Wellen (W1, W2, W3, W4), zumindest einem Leistungspfad (L1, L2) zwischen der Getriebe-Eingangswelle (GW1) und dem Hauptradsatz (HRS), und einer elektrischen Maschine (EM) mit einem Rotor (R) und einem Stator (S), wobei die dritte Welle (W3) des Hauptradsatzes (HRS) mit der Getriebe-Ausgangswelle (GW2) verbunden ist, wobei eine mit dem Rotor (R) unmittelbar verbundene Welle (W5) über ein erstes Schaltelement (U) mit der ersten Welle (W1) des Hauptradsatzes (HRS) verbindbar ist, wobei die unmittelbar mit dem Rotor (R) verbundene Welle (W5) über ein zweites Schaltelement (V) mit der vierten Welle (W4) des Hauptradsatzes (HRS) verbindbar ist, wobei im Betrieb des Getriebes (G) entweder das erste Schaltelement (U) oder das zweite Schaltelement (V) geschlossen ist, oder das erste und zweite Schaltelement (U, V) geöffnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Getriebe mit einer Getriebe-Eingangswelle und einer Getriebe-Ausgangswelle, einem Hauptradsatz mit einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte, vierte Welle bezeichnete Wellen, zumindest einem Leistungspfad zwischen der Getriebe-Eingangswelle und dem Hauptradsatz, und einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei die dritte Welle des Hauptradsatzes mit der Getriebe-Ausgangswelle verbunden ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Getriebes.
  • Derartige Getriebe finden vor allem in Kraftfahrzeugen Anwendung, um die Drehzahl- und Drehmomentabgabecharakteristik der Antriebseinheit den Fahrwiderständen des Fahrzeuges in geeigneter Weise anzupassen und Übersetzungswechsel möglichst zugkraftunterbrechungsfrei darstellen zu können.
  • Die Patentanmeldung DE 10 2012 201 377 A1 der Anmelderin beschreibt ein solches Getriebe, welches zwei Leistungspfade zwischen der Getriebe-Eingangswelle und dem Hauptradsatz aufweist. Die elektrische Maschine ist dabei vorzugsweise an der ersten Welle des Hauptradsatzes entweder ständig oder über Schaltelemente zu- und wegschaltbar angebunden.
  • Die noch unveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2013 227 026.7 der Anmelderin beschreibt eine Weiterentwicklung des eingangs genannten Getriebes. Darin ist die elektrische Maschine über einen zusätzlichen Planetenradsatz an den Hauptradsatz angebunden, wobei die Art der Anbindung mittels zwei zusätzlichen Schaltelementen veränderbar ist um das Lastschaltverhalten des Getriebes zu verbessern. Ein derartiges Getriebe in einer Ausführung mit acht Vorwärtsgängen weist in Summe vier Planetenradsätze und acht Schaltelemente auf. Der Bauaufwand für ein derartiges Getriebe ist damit vergleichsweise hoch.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Getriebe bereitzustellen, welches im Vergleich zum Stand der Technik einfacher aufgebaut, und damit kostengünstiger in der Herstellung ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Getriebes bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, bzw. Patentanspruch 15 gelöst, wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen ergeben.
  • Das Getriebe weist eine Getriebe-Eingangswelle, eine Getriebe-Ausgangswelle, einen Hauptradsatz und eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator auf. Der Hauptradsatz besteht aus einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz mit insgesamt vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte, vierte Welle bezeichnete Wellen. Der Hauptradsatz ist daher als ein sogenanntes Zwei-Steg-Vier-Wellen-Getriebe aufgebaut. Die dritte Welle des Hauptradsatzes ist mit der Getriebe-Ausgangswelle ständig verbunden.
  • 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. 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.
  • Eine mit dem Rotor der elektrischen Maschine unmittelbar verbundene Welle ist über ein erstes Schaltelement mit der ersten Welle des Hauptradsatzes verbindbar. Erfindungsgemäß ist die mit dem Rotor der elektrischen Maschine unmittelbar verbundene Welle über ein zweites Schaltelement mit der vierten Welle des Hauptradsatzes verbindbar. Im Betrieb des Getriebes ist entweder das erste Schaltelement oder das zweite Schaltelement geschlossen, oder das erste und zweite Schaltelement sind geöffnet. Zu keinem Zeitpunkt sind das erste und das zweite Schaltelement gleichzeitig geschlossen.
  • Durch die umschaltbare Anbindung der elektrischen Maschine an den Hauptradsatz wird das Lastschaltverhalten des Getriebes verbessert, wobei auf einen zusätzlichen Planetenradsatz in der Wirkverbindung zwischen der elektrischen Maschine und den Hauptradsatz verzichtet werden kann.
  • Sind sowohl das erste Schaltelement als auch das zweite Schaltelement geöffnet, so ist der Rotor der elektrischen Maschine vom Hauptradsatz abgekoppelt. In Betriebszuständen des Getriebes, in denen die elektrische Maschine nicht benötigt wird, kann derart der Wirkungsgrad des Getriebes verbessert werden. Denn durch die Abkopplung des Rotors vom Hauptradsatz wirken die Schleppverluste der elektrischen Maschine nicht auf die Leistungsübertragung des Getriebes.
  • Die Wirkungsweise der Erfindung sei an folgendem Ausführungsbeispiel erläutert, welches auch in den 1 bis 4 näher dargestellt ist. Das beispielhafte Getriebe weist sechs weitere Schaltelemente auf, welche als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sind. Durch selektives paarweises Eingreifen der weiteren Schaltelemente ist eine Vielzahl von Gängen zwischen der Getriebe-Eingangswelle und der Getriebe-Ausgangswelle herstellbar. Durch einen ersten und einen zweiten Leistungspfad, welche eine unterschiedliche Übersetzung zur Getriebe-Eingangswelle aufweisen, ist Drehmoment von der Getriebe-Eingangswelle auf die Wellen des Hauptradsatzes übertragbar. Die erste Welle des Hauptradsatzes ist durch eine erstes der weiteren Schaltelemente drehfest festsetzbar, und über ein zweites der weiteren Schaltelemente mit dem ersten Leistungspfad verbindbar. Die zweite Welle des Hauptradsatzes ist über ein drittes der weiteren Schaltelemente mit dem ersten Leistungspfad, und über ein viertes der weiteren Schaltelemente mit dem zweiten Leistungspfad verbindbar. Die vierte Welle des Hauptradsatzes ist über ein fünftes der weiteren Schaltelemente mit dem zweiten Leistungspfad verbindbar, und ist über ein sechstes der weiteren Schaltelemente drehfest festsetzbar.
  • Bei einem Schaltvorgang von einem ursprünglichen Gang zu einem Zielgang wird mittels der elektrischen Maschine eines der im Leistungsfluss des Getriebes liegenden weiteren Schaltelemente im Wesentlichen lastfrei gestellt, während ein anderes der weiteren Schaltelemente geschlossen bleibt. Unter im Wesentlichen lastfrei wird dabei ein Zustand des weiteren Schaltelements verstanden, bei dem ein Öffnen des weiteren Schaltelements ohne Schädigung und Komforteinbuße vonstattengehen kann. Die elektrische Maschine wirkt dabei derart auf das zu öffnende weitere Schaltelement, dass dieses im Wesentlichen lastfrei wird. Das weitere Schaltelement überträgt im lastfreien Zustand kein oder nur ein sehr geringes Drehmoment. Durch eine Überlagerung des an der Getriebe-Eingangswelle wirkenden Moments und des ausgehend von der elektrischen Maschine wirkenden Moments kann der Leistungsfluss zwischen der Getriebe-Eingangswelle und der Getriebe-Ausgangswelle derart zumindest teilweise aufrechterhalten werden. In anderen Worten ausgedrückt bleibt das Getriebe derart unter Last.
  • In dem oben beispielhaften beschriebenen Getriebe werden beispielhaft ein Gang durch Schließen des dritten und sechsten der weiteren Schaltelemente, und ein anderer Gang durch Schließen des zweiten und dritten der weiteren Schaltelemente gebildet. Soll nun von dem einen in den anderen Gang geschaltet werden, so muss das sechste der weiteren Schaltelemente geöffnet werden. Wäre die elektrische Maschine an der ersten Welle des Hauptradsatzes angebunden, so würde bei der Lastfreistellung des zu öffnenden weiteren Schaltelements die zweite Welle des Hauptradsatzes die Summenwelle bilden, während die erste und die dritte Welle des Hauptradsatzes als Differenzwellen wirken. Dadurch würde es zu einem Einbruch des an der Getriebe-Ausgangswelle wirkenden Moments kommen, welche mit der dritten Welle des Hauptradsatzes verbunden ist. Ist die elektrische Maschine bei diesem Schaltvorgang jedoch an der vierten Welle des Hauptradsatzes angebunden, so bilden die zweite und die vierte Welle des Hauptradsatzes die Differenzwellen, während die dritte Welle des Hauptradsatzes weiterhin als Summenwelle wirkt. Der Einbruch des an der Getriebe-Ausgangswelle wirkenden Moments kann somit zumindest reduziert werden.
  • Bei einem anderen Schaltvorgang wäre eine permanente Anbindung der elektrischen Maschine an die vierte Welle des Hauptradsatzes jedoch nachteilig. Bleibt während eines Schaltvorgangs eines der mit der vierten Welle verbundenen weiteren Schaltelemente geschlossen und wäre die elektrische Maschine an der vierten Welle des Hauptradsatzes angebunden, so könnte die elektrische Maschine kein Moment zum Lastfreistellen des zu öffnenden weiteren Schaltelements abgeben. Der Schaltvorgang wäre somit nicht unter Last durchführbar. Erst durch die umschaltbare Anbindung der elektrischen Maschine zur ersten oder zur vierten Welle des Hauptradsatzes kann die Lastschaltbarkeit des Getriebes verbessert werden.
  • Vorzugsweise sind das erste und das zweite Schaltelement als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet. Formschlüssige Schaltelemente, beispielsweise in Form von Klauenkupplungen, weisen im Vergleich zu herkömmlichen Reibschaltelementen einen erheblich verbesserten Wirkungsgrad im geöffneten Zustand auf. Dadurch wird der mechanische Gesamtwirkungsgrad des Getriebes verbessert.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind das erste und zweite Schaltelement durch eine doppeltwirkende Betätigungseinrichtung betätigbar, da entweder das erste oder das zweite Schaltelement geschlossen ist, oder das erste und zweite Schaltelement geöffnet, aber zu keinem Zeitpunkt das erste und zweite Schaltelement zusammen geschlossen sind. Dadurch wird der Bauaufwand des Getriebes reduziert.
  • Vorzugsweise weist das Getriebe einen Gangstufenbetriebsmodus auf. Im Gangstufenbetriebsmodus sind in einem eingelegten Gang stets zwei der weiteren Schaltelemente geschlossen, wobei sich eine Vielzahl von Gängen, also diskreten Übersetzungsverhältnisse zwischen der Getriebe-Eingangswelle und der Getriebe-Ausgangswelle ergeben.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Getriebe einen Vorschaltradsatz mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Welle auf. Die erste Welle des Vorschaltradsatzes weist ein erstes festes Übersetzungsverhältnis zur Getriebe-Eingangswelle auf. Die zweite Welle des Vorschaltradsatzes weist ein zweites festes Übersetzungsverhältnis zur Getriebe-Eingangswelle auf. Das erste Übersetzungsverhältnis unterscheidet sich vom zweiten Übersetzungsverhältnis. Eine Drehzahl der ersten Welle des Vorschaltradsatzes ist dabei stets größer als die Drehzahl der zweiten Welle des Vorschaltradsatzes, sofern die Drehzahlen unterschiedlich von Null sind. Die erste Welle des Hauptradsatzes ist über das erste der weiteren Schaltelemente drehfest festsetzbar, und über das zweite der weiteren Schaltelemente mit der zweiten Welle des Vorschaltradsatzes verbindbar. Die zweite Welle des Hauptradsatzes ist über das dritte der weiteren Schaltelemente mit der zweiten Welle des Vorschaltradsatzes, und über das vierte der weiteren Schaltelemente mit der ersten Welle des Vorschaltradsatzes verbindbar. Die vierte Welle des Hauptradsatzes ist über das fünfte der weiteren Schaltelemente mit der ersten Welle des Vorschaltradsatzes verbindbar, und über das sechste der weiteren Schaltelemente drehfest festsetzbar.
  • Das Getriebe gemäß dem Ausführungsbeispiel weist zumindest acht Vorwärtsgänge auf. Ein erster Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des zweiten der weiteren Schaltelemente und des sechsten der weiteren Schaltelemente. Ein zweiter Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des dritten der weiteren Schaltelemente und des sechsten der weiteren Schaltelemente. Ein dritter Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des zweiten der weiteren Schaltelemente und des dritten der weiteren Schaltelemente. Ein vierter Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des dritten der weiteren Schaltelemente und des fünften der weiteren Schaltelemente. Ein fünfter Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des zweiten der weiteren Schaltelemente und des fünften der weiteren Schaltelemente. Ein sechster Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des vierten der weiteren Schaltelemente und des fünften der weiteren Schaltelemente. Ein siebenter Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des zweiten der weiteren Schaltelemente und des vierten der weiteren Schaltelemente. Ein achter Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des ersten der weiteren Schaltelemente und des vierten der weiteren Schaltelemente.
  • Im Folgenden wird eine vorteilhafte Ausgestaltung beschreiben, in welchem Vorwärtsgang des Ausführungsbeispiels des Getriebes das erste, bzw. das zweite Schaltelement geschlossen ist:
    • – Im ersten Vorwärtsgang ist das erste Schaltelement geschlossen. Dadurch kann die elektrische Maschine beim Schaltvorgang vom ersten Vorwärtsgang in den zweiten Vorwärtsgang das zweite der weiteren Schaltelemente im Wesentlichen lastfrei stellen, und die dritte Welle des Hauptradsatzes bleibt die Summenwelle.
    • – Im zweiten Vorwärtsgang ist das erste Schaltelement oder das zweite Schaltelement geschlossen. Der Umschaltvorgang zwischen erstem und zweitem Schaltelement findet vorzugsweise im eingelegten zweiten Vorwärtsgang statt. Ist im zweiten Vorwärtsgang das zweite Schaltelement geschlossen, so bleibt beim Schaltvorgang in den dritten Vorwärtsgang die dritte Welle des Hauptradsatzes während der Lastfreistellung des sechsten der weiteren Schaltelemente die Summenwelle. Das erste Schaltelement ist im zweiten Vorwärtsgang insbesondere dann geschlossen, wenn unmittelbar zuvor ein Schaltvorgang vom ersten Vorwärtsgang in den zweiten Vorwärtsgang stattgefunden hat.
    • – Im dritten Vorwärtsgang ist das zweite Schaltelement geschlossen. Dadurch wird die dritte Welle des Hauptradsatzes beim Schaltvorgang in den vierten Vorwärtsgang während der Lastfreistellung des zweiten der weiteren Schaltelemente zur Summenwelle.
    • – Im vierten Vorwärtsgang ist das erste Schaltelement oder das zweite Schaltelement geschlossen. Der Umschaltvorgang zwischen erstem und zweitem Schaltelement findet vorzugsweise im eingelegten vierten Vorwärtsgang statt. Ist im vierten Vorwärtsgang das erste Schaltelement geschlossen, so kann die elektrische Maschine beim Schaltvorgang vom vierten Vorwärtsgang in den fünften Vorwärtsgang das dritte der weiteren Schaltelemente im Wesentlichen lastfrei stellen. Das zweite Schaltelement ist im vierten Vorwärtsgang insbesondere dann geschlossen, wenn unmittelbar zuvor ein Schaltvorgang vom dritten Vorwärtsgang in den vierten Vorwärtsgang stattgefunden hat.
    • – Im fünften Vorwärtsgang ist das erste Schaltelement geschlossen. Dadurch bleibt die dritte Welle des Hauptradsatzes beim Schaltvorgang in den sechsten Vorwärtsgang die Summenwelle, und die elektrische Maschine kann das zweite der weiteren Schaltelemente im Wesentlichen lastfrei stellen.
    • – Im sechsten Vorwärtsgang ist das erste oder das zweite Schaltelement geschlossen. Der Umschaltvorgang zwischen erstem und zweitem Schaltelement findet vorzugsweise im eingelegten sechsten Vorwärtsgang statt. Ist im sechsten Vorwärtsgang das zweite Schaltelement geschlossen, so bleibt beim Schaltvorgang in den siebenten Vorwärtsgang die dritte Welle des Hauptradsatzes während der Lastfreistellung des fünften der weiteren Schaltelemente die Summenwelle. Das erste Schaltelement ist im sechsten Vorwärtsgang insbesondere dann geschlossen, wenn unmittelbar zuvor ein Schaltvorgang vom fünften Vorwärtsgang in den sechsten Vorwärtsgang stattgefunden hat.
    • – Im siebenten Vorwärtsgang ist das zweite Schaltelement geschlossen. Dadurch wird die dritte Welle des Hauptradsatzes während der Lastfreistellung des zweiten der weiteren Schaltelemente beim Schaltvorgang in den achten Vorwärtsgang die Summenwelle.
    • – Im achten Vorwärtsgang ist das zweite Schaltelement geschlossen. Dadurch kann die elektrische Maschine auch im achten Vorwärtsgang Leistung auf die Getriebe-Ausgangswelle abgeben bzw. von der Getriebe-Ausgangswelle aufnehmen.
  • Im Getriebe gemäß dem Ausführungsbeispiel sind zwei zusätzliche oder alternative Vorwärtsgänge möglich. Ein zweiter vierter Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des ersten der weiteren Schaltelemente und des dritten der weiteren Schaltelemente. Ein dritter vierter Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen des ersten der weiteren Schaltelemente und des fünften der weiteren Schaltelemente. Diese zwei zusätzlichen Gänge unterscheiden sich in ihrem Übersetzungsverhältnis nur geringfügig vom eigentlichen vierten Vorwärtsgang, und werden deshalb als zweiter, bzw. dritter vierter Vorwärtsgang bezeichnet. Diese beiden Gänge können in das Schaltschema des Getriebes miteinbezogen werden, sodass sich ein Getriebe mit zehn Vorwärtsgängen ergibt.
  • Im zweiten vierten Vorwärtsgang ist vorzugsweise das zweite Schaltelement geschlossen. Dadurch wird die dritte Welle des Hauptradsatzes während der Lastfreistellung des ersten der weiteren Schaltelemente beim Schaltvorgang in den eigentlichen vierten Vorwärtsgang die Summenwelle. Zudem kann die elektrische Maschine derart im zweiten vierten Vorwärtsgang Leistung auf die Getriebe-Ausgangswelle abgeben, bzw. von dieser aufnehmen. Im dritten vierten Vorwärtsgang ist das erste Schaltelement geschlossen. Dadurch bleibt die dritte Welle des Hauptradsatzes beim Schaltvorgang in den fünften Vorwärtsgang die Summenwelle.
  • Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist im vierten bis siebenten Vorwärtsgang das erste Schaltelement geschlossen. Im dritten Vorwärtsgang ist das erste oder das zweite Schaltelement geschlossen. Der Umschaltvorgang zwischen erstem und zweitem Schaltelement findet vorzugsweise im eingelegten dritten Vorwärtsgang statt. Im dritten Vorwärtsgang ist dieser Umschaltvorgang besonders einfach vorzunehmen, da die vier Wellen des Hauptradsatzes im dritten Vorwärtsgang die gleiche Drehzahl aufweisen. Eine sonst erforderliche Drehzahlsynchronisation entfällt somit. Im achten Vorwärtsgang ist das erste oder das zweite Schaltelement geschlossen. Ist im achten Vorwärtsgang das zweite Schaltelement geschlossen, so kann die elektrische Maschine auch im achten Vorwärtsgang Leistung auf die Getriebe-Ausgangswelle abgeben bzw. von der Getriebe-Ausgangswelle aufnehmen.
  • Vorzugsweise weist das Getriebe eine zweite elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator auf. Der Rotor der zweiten elektrischen Maschine wirkt ständig oder über eine erste Trennkupplung auf die Getriebe-Eingangswelle. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich in der Wirkverbindung zwischen dem Rotor der zweiten elektrischen Maschine und einem mit diesem Rotor verbundenen Antriebsaggregat eine zweite Trennkupplung. Die zweite Trennkupplung ist derart angeordnet, dass die zweite elektrische Maschine bei geöffneter erster Trennkupplung und geschlossener zweiter Trennkupplung Drehmoment auf das Antriebsaggregat abgeben kann, ohne auf die Getriebe-Eingangswelle zu wirken. Die erste und zweite Trennkupplung können je nach Anforderung an den Betrieb des Getriebes als formschlüssige oder als reibschlüssige Kupplungen ausgebildet sein.
  • Im Gangbetriebsstufenmodus, bei dem in einem eingelegten Gang zwei Schaltelemente geschlossen sind, werden bei einem Schaltvorgang von einem eingelegten Gang zu einem Zielgang folgende Schritte durchlaufen:
    • – in einem ersten Schritt wird mittels der elektrischen Maschine eines der zu diesem Zeitpunkt im Leistungsfluss des Getriebes liegenden weiteren Schaltelemente im Wesentlichen lastfrei gestellt. Unter im Wesentlichen lastfrei wird dabei ein Zustand des weiteren Schaltelements verstanden, bei dem ein Öffnen des weiteren Schaltelements ohne Schädigung und Komforteinbuße vonstattengehen kann. Das weitere Schaltelement überträgt im lastfreien Zustand kein oder nur ein sehr geringes Drehmoment. Die elektrische Maschine wirkt dabei derart auf das zu öffnende weitere Schaltelement, dass dieses im Wesentlichen lastfrei wird. Durch eine Überlagerung des an der Getriebe-Eingangswelle wirkenden Moments und des ausgehend von der elektrischen Maschine wirkenden Moments kann der Leistungsfluss zwischen der Getriebe-Eingangswelle und der Getriebe-Ausgangswelle derart zumindest teilweise aufrechterhalten werden. In anderen Worten ausgedrückt bleibt das Getriebe derart unter Last.
    • – Ist das zu lösende weitere Schaltelement im Wesentlichen lastfrei gestellt, wird dieses in einem zweiten Schritt geöffnet. Dabei bleibt das Moment der elektrischen Maschine entsprechend aufrecht, um den lastfreien Zustand des weiteren Schaltelements während des Öffnens beizubehalten. Nach dem Öffnen des weiteren Schaltelements ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Getriebe-Eingangswelle und Getriebe-Ausgangswelle abhängig von der Rotordrehzahl, da keine kinematische Zwangsbedingung mehr besteht. Die elektrische Maschine übernimmt nun anstelle des geöffneten weiteren Schaltelements jene Last, die zuvor von dem nun geöffneten weiteren Schaltelement übertragen oder abgestützt wurde.
    • – In einem dritten Schritt wird mittels der elektrischen Maschine und/oder mittels eines Moments an der Getriebe-Eingangswelle eine Drehzahl-Synchronisation zwischen zwei Wellen des Getriebes vorgenommen. Die zu synchronisierenden Wellen sind jene Wellen, die im Zielgang durch ein weiteres Schaltelement verbunden werden sollen. Das von der elektrischen Maschine aufgebrachte Moment wird dabei entsprechend angepasst. Die Drehzahlsynchronisation kann durch die elektrische Maschine allein, oder durch das Drehmoment an der Getriebe-Eingangswelle unterstützt werden, welches beispielsweise durch ein mit der Getriebe-Eingangswelle wirkverbundenes Antriebsaggregat oder durch die zweite elektrische Maschine erzeugt wird. Auch eine Drehzahlsynchronisation allein durch das an der Getriebe-Eingangswelle wirkende Moment ist möglich.
    • – In einem vierten Schritt wird, nach erfolgreicher Synchronisation der im dritten Schritt zu synchronisierenden Wellen, das im Zielgang zu schließende weitere Schaltelement geschlossen. Durch das Schließen des weiteren Schaltelements wird eine kinematische Zwangsbedingung des Hauptradsatzes hergestellt. Anschließend kann das Moment der elektrischen Maschine abgebaut werden. Der Lastschaltvorgang ist damit abgeschlossen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird im Gangbetriebsstufenmodus in einem eingelegten Gang eine Entscheidung getroffen, ob beim Schaltvorgang in den Zielgang das erste Schaltelement oder das zweite Schaltelement eingelegt wird, bzw. eingelegt bleibt. Abhängig vom Zielgang kann daher sichergestellt werden, dass beim Schaltvorgang vom eingelegten Gang in den Zielgang die dritte Welle des Hauptradsatzes zumindest während der Lastfreistellung im ersten Schritt des Schaltvorgangs als Summenwelle wirkt. Dadurch wird ein Drehmomenteinbruch an der Getriebe-Ausgangswelle während des Lastfreistellens des zu öffnenden weiteren Schaltelements verhindert, bzw. reduziert. Die Entscheidung, ob das erste oder das zweite Schaltelement geschlossen wird oder geschlossen bleibt, wird durch eine elektronische Steuereinheit getroffen, welche vorzugsweise mit dem Getriebe verbunden ist.
  • Das Getriebe kann neben dem Gangbetriebsstufenmodus auch einen elektrodynamischen Betriebsmodus aufweisen. Im elektrodynamischen Betriebsmodus ist das Drehmoment an der Getriebe-Ausgangswelle durch Variation des an der Getriebe-Eingangswelle wirkenden Drehmoments und des am Rotor der elektrischen Maschine wirkenden Drehmoments stufenlos veränderbar. Würde die elektrische Maschine kein Drehmoment erzeugen, so könnte kein Drehmoment von der Getriebe-Eingangswelle zur Getriebe-Ausgangswelle übertragen werden. Vorzugsweise ist im Getriebe gemäß dem Ausführungsbeispiel während des elektrodynamischen Betriebsmodus das zweite Schaltelement, und nur eines der weiteren Schaltelemente geschlossen. Das eine weitere Schaltelement darf keine Bremse sein, also keine drehfeste Festsetzung einer Welle bewirken, und ist entweder mit der ersten oder mit der zweiten Welle des Hauptradsatzes verbunden. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um das zweite oder das dritte der weiteren Schaltelemente. Durch Schließen eines zweiten der weiteren Schaltelemente kann vom elektrodynamischen Betriebsmodus in den Gangstufenbetriebsmodus gewechselt werden, sodass eine kinematische Zwangsbedingung des Getriebes hergestellt wird.
  • Ein Wechsel vom elektrodynamischen Betriebsmodus in den Gangstufenbetriebsmodus erfolgt vorzugsweise bei annähernd gleicher Drehzahl der vier Wellen des Hauptradsatzes. Dabei findet vorzugsweise auch ein Umschaltvorgang statt, bei dem das zweite Schaltelement geöffnet wird und das erste Schaltelement geschlossen wird. Durch die Drehzahlgleichheit der vier Wellen des Hauptradsatzes ist dabei keine Synchronisation erforderlich, wodurch der Umschaltvorgang sowie der Wechsel der Betriebsmodi besonders einfach und schnell umgesetzt werden kann.
  • Das bisher aufgeführte Ausführungsbeispiel ist beispielhaft zu betrachten, und stellt keine notwendige Beschränkung der Erfindung dar. Der Fachmann ist dazu in der Lage, die Erfindung auch auf andere Getriebe anzuwenden, welche beispielsweise keinen Vorschaltradsatz oder einen andersartig aufgebauten Vorschaltradsatz aufweisen. Das Getriebe kann demnach auch nur einen, oder drei oder mehr Leistungspfade zwischen der Getriebe-Eingangswelle und dem Hauptradsatz aufweisen. Auch die Zuordnung der weiteren Schaltelemente zu den Wellen des Hauptradsatzes ist lediglich beispielhaft anzusehen. Der Fachmann wäre dazu in der Lage, die Erfindung auch auf andere Zuordnungen der weiteren Schaltelemente zu den Wellen des Hauptradsatzes anzuwenden.
  • Unter einer Welle ist 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.
  • Sowohl Sonnenrad als auch Hohlrad eines Planetenradsatzes können auch in mehrere Segmente aufgeteilt sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Planetenräder mit zwei Sonnenrädern kämmen, welche nicht miteinander verbunden sind. Die Drehzahlverhältnisse sind selbstverständlich an beiden Segmenten des Sonnenrads identisch, so als ob sie miteinander verbunden wären.
  • 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.
  • Die Standgetriebeübersetzung definiert das Drehzahlverhältnis zwischen Sonnenrad und Hohlrad eines Planetenradsatzes bei drehfestem Steg. Da sich bei einem Minus-Radsatz die Drehrichtung zwischen Sonnenrad und Hohlrad bei drehfestem Steg umkehrt, nimmt die Standgetriebeübersetzung bei einem Minus-Radsatz stets einen negativen Wert an.
  • Im Drehzahlplan sind in vertikaler Richtung die Drehzahlverhältnisse der einzelnen Wellen aufgetragen. Die horizontalen Abstände zwischen den Wellen ergeben sich aus den Übersetzungsverhältnissen zwischen den Wellen, sodass sich zu einem bestimmten Betriebspunkt gehörende Drehzahlverhältnisse und Drehmomentverhältnisse der Wellen durch eine Gerade verbinden lassen. Die Übersetzungsverhältnisse zwischen den Wellen ergeben sich aus den Standgetriebeübersetzungen der beteiligten Planetenradsätze. Der Drehzahlplan ist beispielsweise in Form eines Kutzbachplans darstellbar.
  • 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 kleinste Drehzahl aufweist, während die erste Welle eine Drehzahl annimmt die größer 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.
  • 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, wobei über das Schaltelement ein Drehmoment zwischen den Elementen übertragbar ist. 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 lösbare drehfeste Verbindung besteht. Wenn die Verbindung besteht, so drehen solche Elemente mit der gleichen Drehzahl.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
  • 1 zeigt ein Getriebeschema gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt einen Drehzahlplan des Getriebes gemäß dem Ausführungsbeispiel.
  • 3 zeigt eine erste Variante eines Schaltschemas des Getriebes gemäß dem Ausführungsbeispiel.
  • 4 zeigt eine zweite Variante eines Schaltschemas des Getriebes gemäß dem Ausführungsbeispiel.
  • 5 zeigt einen Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit dem Getriebe.
  • 6 zeigt einen Verfahrensablauf bei einem Schaltvorgang des Getriebes.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Getriebes G. Das Getriebe G weist eine Getriebe-Eingangswelle GW1, eine Getriebe-Ausgangswelle GW2, einen Vorschaltradsatz VRS und einen Hauptradsatz HRS auf. Der Vorschaltradsatz VRS weist einen Planetenradsatz P3 auf. Der Hauptradsatz HRS weist einen ersten Planetenradsatz P1 und einen zweiten Planetenradsatz P2 auf. Sämtliche Planetenradsätze P1, P2, P3 sind als Minus-Radsätze ausgebildet. Ein nicht dargestelltes Antriebsaggregat kann über einen Torsionsschwingungsdämpfer TD an die Getriebe-Eingangswelle GW1 angebunden sein.
  • Die Getriebe-Eingangswelle GW1 ist mit einem Sonnenrad des Planetenradsatzes P3 des Vorschaltradsatzes VRS verbunden. Ein Hohlrad des Planetenradsatzes P3 des Vorschaltradsatzes VRS ist drehfest mit dem Getriebegehäuse GG des Getriebes G, oder mit einem anderen drehfest fixierten Bauelement des Getriebes G verbunden. Derart wird ein erster und ein zweiter Leistungspfad L1, L2 gebildet, wobei sowohl durch den ersten Leistungspfad L1 als auch durch den zweiten Leistungspfad L2 Leistung von der Getriebe-Eingangswelle GW1 zum Hauptradsatz HRS übertragen werden kann. Der erste Leistungspfad L1 leitet dabei eine im Vergleich zur Drehzahl der Getriebe-Eingangswelle GW1 verringerte Drehzahl an den Hauptradsatz HRS weiter, indem die Drehzahl an der Getriebeeingangswelle GW1 durch die Übersetzung zwischen dem Sonnenrad und einem Steg des Planetenradsatzes P3 des Vorschaltradsatzes VRS übersetzt wird. Der zweite Leistungspfad L2 leitet die Drehzahl der Getriebe-Eingangswelle GW1 unmittelbar an den Hauptradsatz HRS weiter. Das Sonnenrad des Planetenradsatzes P3 des Vorschaltradsatzes VRS ist dabei Bestandteil einer ersten Welle W1P3 des Vorschaltradsatzes VRS, welche mit der Getriebe-Eingangswelle GW1 verbunden ist. Der Steg des Planetenradsatzes P3 des Vorschaltradsatzes VRS ist Bestandteil einer zweiten Welle W2P3 des Vorschaltradsatzes VRS. Jenes Bauelement, an dem sich das Hohlrad des Planetenradsatzes P3 des Vorschaltradsatzes VRS abstützt, wird im Folgenden als dritte Welle W3P3 des Vorschaltradsatzes VRS bezeichnet.
  • Eine erste Welle W1 des Hauptradsatzes HRS ist mit einem gemeinsamen Sonnenrad des ersten und zweiten Planetenradsatzes P1, P2 verbunden. Eine zweite Welle W2 des Hauptradsatzes HRS ist mit einem Steg des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden. Eine dritte Welle W3 ist mit einem Steg des ersten Planetenradsatzes P1 und mit einem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden. Eine vierte Welle W4 ist mit einem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden. Das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes P1 weist zwei voneinander getrennte Teile auf. Dies ermöglicht die Verbindung der Getriebe-Ausgangswelle GW2 mit der dritten Welle W3 des Hauptradsatzes HRS. Die Drehzahlverhältnisse sind selbstverständlich an beiden Teilen des Hohlrads gleich. Infolgedessen werden im Folgenden beide Teile des Hohlrads als Bestandteil derselben Welle, konkret der vierten Welle W4 des Hauptradsatzes HRS bezeichnet. Durch diese Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen des ersten und zweiten Planetenradsatzes P1, P2 des Hauptradsatzes HRS wird die Anordnung der ersten, zweiten, dritten und vierten Welle W1, W2, W3, W4 des Hauptradsatzes HRS im Drehzahlplan bestimmt, wobei die Reihenfolge erste, zweite, dritte, vierte Welle W1, W2, W3, W4 deren Reihenfolge im Drehzahlplan entspricht. Die dritte Welle W3 des Hauptradsatzes HRS ist mit der Getriebe-Ausgangswelle GW2 verbunden.
  • Das Getriebe G weist eine elektrische Maschine EM auf, wobei ein Stator S der elektrischen Maschine EM drehfest mit dem Getriebegehäuse GG des Getriebes G oder mit einem anderen drehfesten Bauelement des Getriebes G verbunden ist, sodass der Stator S keine Drehzahl annehmen kann. Ein drehbar gelagerter Rotor R der elektrischen Maschine EM ist unmittelbar mit einer Welle W5 verbunden. Die Welle W5 ist über ein erstes Schaltelement U mit der ersten Welle W1 des Hauptradsatzes HRS, und über ein zweites Schaltelement V mit der vierten Welle W4 des Hauptradsatzes HRS verbindbar. Das beispielhafte Getriebe G weist auch eine zweite elektrische Maschine SG mit einem Rotor R2 und einem Stator S2 auf. Der Rotor R2 ist mit der Getriebe-Eingangswelle GW1 verbunden.
  • Die erste Welle W1 des Hauptradsatzes HRS ist über ein erstes weiteres Schaltelement C drehfest festsetzbar, indem das erste weitere Schaltelement C im geschlossenen Zustand eine drehfeste Verbindung zum Getriebegehäuse GG oder einem anderen drehfesten Bauelement des Getriebes G herstellt. Die erste Welle W1 ist über ein zweites weiteres Schaltelement B mit der zweiten Welle W2P3 des Vorschaltradsatzes VRS verbindbar. Die zweite Welle W2 des Hauptradsatzes HRS ist über ein drittes weiteres Schaltelement D mit der zweiten Welle W2P3 des Vorschaltradsatzes VRS und über ein viertes weiteres Schaltelement E mit der ersten Welle W1P3 des Vorschaltradsatzes VRS verbindbar. Die vierte Welle W4 des Hauptradsatzes HRS ist über ein fünftes weiteres Schaltelement A mit der ersten Welle W1P3 des Vorschaltradsatzes VRS verbindbar, und über ein sechstes weiteres Schaltelement F drehfest festsetzbar.
  • Sämtliche Schaltelemente C, B, D, E, A, F sowie U, V sind als Klauenschaltelemente ausgebildet, welche im geschlossenen Zustand die Verbindung durch Formschluss herstellen. Das erste und zweite, das dritte und vierte, und das fünfte und sechste der weiteren Schaltelemente C, B, D, E, A, F sind je durch eine doppeltwirkende Betätigungseinrichtung betätigbar. An den Betätigungseinrichtungen ist durch Pfeile angegeben, in welche Richtung die Betätigungseinrichtungen verschoben werden müssen um die weiteren Schaltelement C, B, D, E, A, F in den geschlossenen Zustand zu überführen. Auch das erste und zweite Schaltelement U, V sind durch eine derartige doppeltwirkende Betätigungseinrichtung betätigbar.
  • 2 zeigt einen Drehzahlplan des beispielhaften Getriebes G. Darin sind in vertikaler Richtung die Drehzahlen der vier Wellen W1, W2, W3, W4 des Hauptradsatzes HRS sowie die Drehzahlen der Wellen W1P3, W2P3, W3P3 des Vorschaltradsatzes VRS im Verhältnis zur Drehzahl n der Getriebe-Eingangswelle GW1 aufgetragen. Die maximal auftretende Drehzahl n der Getriebe-Eingangswelle GW1 ist auf den Wert Eins normiert. Die Abstände zwischen den vier Wellen W1, W2, W3, W4 des Hauptradsatzes HRS ergeben sich durch die Standgetriebeübersetzungen des ersten und zweiten Planetenradsatzes P1, P2 des Hauptradsatzes HRS. Die Abstände zwischen den Wellen W1P3, W2P3, W3P3 des Vorschaltradsatzes VRS ergeben sich durch die Standgetriebeübersetzung des Planetenradsatzes P3 des Vorschaltradsatzes VRS. Die Darstellung dient nur zur Anschauung und ist nicht maßstäblich. Zu einem bestimmten Betriebspunkt gehörende Drehzahlverhältnisse lassen sich durch eine Gerade verbinden.
  • Werden zwei Wellen miteinander verbunden, so drehen diese miteinander verbundenen Wellen mit derselben Drehzahl. Der Übersichtlichkeit halber können derart verbundene Wellen im Drehzahlplan horizontal getrennt voneinander dargestellt sein, beispielsweise um die Drehzahl-Übertragung vom Vorschaltradsatz VRS über den ersten oder zweiten Leistungspfad L1, L2 zum Hauptradsatz HRS besser zu verdeutlichen. Der dabei im Drehzahlplan gewählte horizontale Abstand zwischen den derart verbundenen Wellen ist willkürlich. Die Übersetzung zwischen derart verbundenen Wellen beträgt selbstverständlich den Wert Eins, unabhängig vom im Drehzahlplan gewählten horizontalen Abstand.
  • 3 zeigt eine erste Variante eines Schaltschemas des Getriebes gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. In den Zeilen des Schaltschemas sind acht Vorwärtsgänge 1VM bis 8VM eines Gangbetriebsstufenmodus VM, ein erster und ein zweiter elektrodynamischer Betriebsmodus EDA1, EDA2 und zwei elektrische Gänge EM1, EM2 angegeben. In den Spalten des Schaltschemas ist durch einen Kreis angegeben, welche Schaltelemente C, B, D, E, A, F und U, V in welchem Gang, bzw. Betriebsmodus geschlossen sind. Durch das Schaltschema in 3 und den Drehzahlplan in 2 wird die Funktionsweise des Getriebes G deutlich.
  • 4 zeigt eine zweite Variante eines Schaltschemas des Getriebes G. Dabei ist vorgesehen, dass bei Verwendung des Getriebes G im Kraftfahrzeug einer der elektrodynamischen Betriebsmodi EDA1, EDA2 zum Anfahren des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Wird dabei ein Zustand erreicht, der dem dritten Vorwärtsgang 3VM weitgehend entspricht, also Drehzahlgleichheit der ersten bis vierten Welle W1–W4 des Hauptradsatzes HRS herrscht, so wird vom elektrodynamischen Betriebsmodus EDA in den Gangbetriebsstufenmodus VM gewechselt, indem eines der weiteren Schaltelemente B, D geschlossen wird. Dabei findet auch ein Umschaltvorgang zwischen erstem und zweitem Schaltelement U, V statt. Das zweite Schaltelement V wird geöffnet, und das erste Schaltelement U wird geschlossen. Durch die Drehzahlgleichheit der vier Wellen W1–W4 des Hauptradsatzes HRS ist dazu keine Drehzahlanpassung erforderlich. Im weiteren Verlauf des Gangbetriebsstufenmodus kann das erste Schaltelement U geschlossen bleiben.
  • In beiden Varianten des Schaltschemas werden die beiden elektrischen Gänge EM1, EM2 in gleicher Weise gebildet. Im ersten elektrischen Gang EM1 sind das sechste der weiteren Schaltelemente F und das erste Schaltelement U geschlossen. Im zweiten elektrischen Gang EM2 sind das erste der weiteren Schaltelemente C und das zweite Schaltelement V geschlossen. Die Funktionsweise der beiden elektrischen Gänge EM1, EM2 wird insbesondere bei Betrachtung des in 2 dargestellten Drehzahlplans ersichtlich. Durch Festsetzung der ersten oder der vierten Welle W1, W4 des Hauptradsatzes HRS und Drehzahlvorgabe an der elektrischen Maschine EM ist die Drehzahl an der Getriebe-Ausgangswelle GW2 festgelegt, welche mit der dritten Welle W3 des Hauptradsatzes HRS verbunden ist. Die Drehrichtung der Getriebe-Ausgangswelle GW2 entspricht dabei der Drehrichtung des Rotors R der elektrischen Maschine EM. Derart ist auf einfache Weise ein Rückwärtsgang realisierbar. Bei Verwendung des Getriebes G im Kraftfahrzeug kann durch die beiden elektrischen Gänge EM1, EM2 das Anfahren des Kraftfahrzeugs dargestellt sein.
  • In 5 ist ein Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit dem Getriebe G dargestellt. Die Getriebe-Eingangswelle GW1 des Getriebes G ist über die optional vorgesehene erste Trennkupplung K1 mit der zweiten elektrischen Maschine SG verbindbar. Die zweite elektrische Maschine SG ist über eine optional vorgesehene zweite Trennkupplung K0 mit einer Verbrennungskraftmaschine VKM verbindbar. Die Getriebe-Ausgangswelle GW2 ist über ein Achsgetriebe AG mit Antriebsrädern DW des Kraftfahrzeugs verbunden.
  • In 6 ist ein Verfahrensablauf bei einem Schaltvorgang des Getriebes G dargestellt. In einem ersten Schritt ST1 wird eines der weiteren Schaltelemente A–F, mittels der elektrischen Maschine EM im Wesentlichen lastfrei gestellt. In einem zweiten Schritt ST2 wird das im ersten Schritt ST1 weitgehend lastfrei gestellte weitere Schaltelement geöffnet. In einem dritten Schritt ST3 wird eine Drehzahlsynchronisation zwischen denjenigen Wellen des Getriebes G vorgenommen, welche im Zielgang durch eines der weiteren Schaltelemente verbunden werden sollen. In einem vierten Schritt ST4 wird das zur Erreichung des Zielgangs zu schließende weitere Schaltelement geschlossen.
  • Bezugszeichen
    • G
      Getriebe
      GW1
      Getriebe-Eingangswelle
      GW2
      Getriebe-Ausgangswelle
      GG
      Getriebegehäuse
      EM
      Elektrische Maschine
      R
      Rotor
      S
      Stator
      SG
      Zweite elektrische Maschine
      R2
      Rotor
      S2
      Stator
      TD
      Torsionsschwingungsdämpfer
      HRS
      Hauptradsatz
      P1
      Erster Planetenradsatz des Hauptradsatzes
      P2
      Zweiter Planetenradsatz des Hauptradsatzes
      W1
      Erste Welle
      W2
      Zweite Welle
      W3
      Dritte Welle
      W4
      Vierte Welle
      W5
      Welle der elektrischen Maschine
      n
      Drehzahl der Getriebe-Eingangswelle
      VRS
      Vorschaltradsatz
      P3
      Planetenradsatz des Vorschaltradsatzes
      W1P3
      Erste Welle des Vorschaltradsatzes
      W2P3
      Zweite Welle des Vorschaltradsatzes
      W3P3
      Dritte Welle des Vorschaltradsatzes
      L1
      Erster Leistungspfad
      L2
      Zweiter Leistungspfad
      U
      Erstes Schaltelement
      V
      Zweites Schaltelement
      C
      Erstes der weiteren Schaltelemente
      B
      Zweites der weiteren Schaltelemente
      D
      Drittes der weiteren Schaltelemente
      E
      Viertes der weiteren Schaltelemente
      A
      Fünftes der weiteren Schaltelemente
      F
      Sechstes der weiteren Schaltelemente
      VM
      Gangstufenbetriebsmodus
      1VM
      Erster Vorwärtsgang
      2VM
      Zweiter Vorwärtsgang
      3VM
      Dritter Vorwärtsgang
      4VM
      Vierter Vorwärtsgang
      4VM2
      Zweiter vierter Vorwärtsgang
      4VM3
      Dritter vierter Vorwärtsgang
      5VM
      Fünfter Vorwärtsgang
      6VM
      Sechster Vorwärtsgang
      7VM
      Siebenter Vorwärtsgang
      8VM
      Achter Vorwärtsgang
      EDA
      Elektrodynamischer Betriebsmodus
      EDA1
      Erster elektrodynamischer Betriebsmodus
      EDA2
      Zweiter elektrodynamischer Betriebsmodus
      EM1
      Erster elektrischer Gang
      EM2
      Zweiter elektrischer Gang
      K1
      Erste Trennkupplung
      K0
      Zweite Trennkupplung
      VKM
      Verbrennungskraftmaschine
      AG
      Achsgetriebe
      DW
      Antriebsrad
      ST1
      Erster Schritt
      ST2
      Zweiter Schritt
      ST3
      Dritter Schritt
      ST4
      Vierter Schritt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012201377 A1 [0003]
    • DE 102013227026 [0004]

Claims (18)

  1. Getriebe (G) mit einer Getriebe-Eingangswelle (GW1) und einer Getriebe-Ausgangswelle (GW2), einem Hauptradsatz (HRS) mit einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz (P1, P2) mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte, vierte Welle bezeichnete Wellen (W1, W2, W3, W4), zumindest einem Leistungspfad (L1, L2) zwischen der Getriebe-Eingangswelle (GW1) und dem Hauptradsatz (HRS), und einer elektrischen Maschine (EM) mit einem Rotor (R) und einem Stator (S), wobei die dritte Welle (W3) des Hauptradsatzes (HRS) mit der Getriebe-Ausgangswelle (GW2) verbunden ist, wobei eine mit dem Rotor (R) unmittelbar verbundene Welle (W5) über ein erstes Schaltelement (U) mit der ersten Welle (W1) des Hauptradsatzes (HRS) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar mit dem Rotor (R) verbundene Welle (W5) über ein zweites Schaltelement (V) mit der vierten Welle (W4) des Hauptradsatzes (HRS) verbindbar ist, wobei im Betrieb des Getriebes (G) entweder das erste Schaltelement (U) oder das zweite Schaltelement (V) geschlossen ist, oder das erste und zweite Schaltelement (U, V) geöffnet sind.
  2. Getriebe (G) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Schaltelement (U, V) als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sind.
  3. Getriebe (G) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Schaltelement (U, V) von einer gemeinsamen Betätigungseinrichtung betätigbar sind.
  4. Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (G) weitere formschlüssige Schaltelemente (A, B, C, D, E, F) aufweist, wobei durch selektive Betätigung der weiteren Schaltelemente (A, B, C, D, E, F) eine Vielzahl von Gängen (1VM–8VM) zwischen der Getriebe-Eingangswelle (GW1) und der Getriebe-Ausgangswelle (GW2) unter Last schaltbar sind.
  5. Getriebe (G) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (G) einen Gangstufenbetriebsmodus (VM) aufweist, bei dem zwei der weiteren Schaltelemente (A, B, C, D, E, F) geschlossen sind.
  6. Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (G) einen Vorschaltradsatz (VRS) in Form eines Planetenradsatzes (P3) mit einer ersten, zweiten und dritten Welle (W1P3, W2P3, W3P3) aufweist, wobei – die erste Welle (W1P3) des Vorschaltradsatzes (VRS) ein erstes festes Übersetzungsverhältnis (i1) zur Getriebe-Eingangswelle (GW1) aufweist, die zweite Welle (W2P3) des Vorschaltradsatzes (VRS) ein zweites festes Übersetzungsverhältnis (i2) zur Getriebe-Eingangswelle (GW1) aufweist, wobei sich das erste Übersetzungsverhältnis (i1) vom zweiten Übersetzungsverhältnis (i2) unterscheidet, – eine Drehzahl der ersten Welle (W1P3) des Vorschaltradsatzes (VRS) größer ist als eine Drehzahl der zweiten Welle (W2P3) des Vorschaltradsatzes (VRS), wobei die dritte Welle (W3P3) des Vorschaltradsatzes (VRS) ständig drehfest festgesetzt ist, – wobei die erste Welle (W1) des Hauptradsatzes (HRS) über ein erstes der weiteren Schaltelemente (C) drehfest festsetzbar ist und über ein zweites der weiteren Schaltelemente (B) mit der zweiten Welle (W2P3) des Vorschaltradsatzes (VRS) verbindbar ist, – wobei die zweite Welle (W2) des Hauptradsatzes (HRS) über ein drittes der weiteren Schaltelemente (D) mit der zweiten Welle (W2P3) des Vorschaltradsatzes VRS) verbindbar ist und über ein viertes der weiteren Schaltelemente (E) mit der ersten Welle (W1P3) des Vorschaltradsatzes (VRS) verbindbar ist, und – wobei die vierte Welle (W4) des Hauptradsatzes (HRS) über ein fünftes der weiteren Schaltelemente (A) mit der ersten Welle (W1P3) des Vorschaltradsatzes (VRS) verbindbar ist und über ein sechstes der weiteren Schaltelemente (F) drehfest festsetzbar ist.
  7. Getriebe (G) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (G) im Gangstufenbetriebsmodus (VM) zumindest acht Vorwärtsgänge (1VM–8VM) aufweist, wobei sich der erste Vorwärtsgang (1VM) durch Schließen des zweiten der weiteren Schaltelemente (B) und des sechsten der weiteren Schaltelemente (F), der zweite Vorwärtsgang (2VM) durch Schließen des dritten der weiteren Schaltelemente (D) und des sechsten der weiteren Schaltelemente (F), der dritte Vorwärtsgang (3VM) durch Schließen des zweiten der weiteren Schaltelemente (B) und des dritten der weiteren Schaltelemente (D), der vierte Vorwärtsgang (4VM) durch Schließen des dritten der weiteren Schaltelemente (D) und des fünften der weiteren Schaltelemente (A), der fünfte Vorwärtsgang (5VM) durch Schließen des zweiten der weiteren Schaltelemente (B) und des fünften der weiteren Schaltelemente (A), der sechste Vorwärtsgang (6VM) durch Schließen des vierten der weiteren Schaltelemente (E) und des fünften der weiteren Schaltelemente (A), der siebente Vorwärtsgang (7VM) durch Schließen des zweiten der weiteren Schaltelemente (B) und des vierten der weiteren Schaltelemente (E), und der achte Vorwärtsgang (8VM) durch Schließen des ersten der weiteren Schaltelemente (C) und des vierten der weiteren Schaltelemente (E) ergibt.
  8. Getriebe (G) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Vorwärtsgang (1VM) das erste Schaltelement (U) geschlossen ist, im zweiten Vorwärtsgang (2VM) das erste Schaltelement (U) oder das zweite Schaltelement (V) geschlossen ist, im dritten Vorwärtsgang (3VM) das zweite Schaltelement (V) geschlossen ist, im vierten Vorwärtsgang (4VM) das erste Schaltelement (U) oder das zweite Schaltelement (V) geschlossen ist, im fünften Vorwärtsgang (5VM) das erste Schaltelement (U) geschlossen ist, im sechsten Vorwärtsgang (6VM) das erste Schaltelement (U) oder das zweite Schaltelement (V) geschlossen ist, im siebenten Vorwärtsgang (2VM) das zweite Schaltelement (V) geschlossen ist, und im achten Vorwärtsgang (8VM) das zweite Schaltelement (V) geschlossen ist.
  9. Getriebe (G) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein zweiter zusätzlicher oder alternativer vierter Vorwärtsgang (4VM2) durch Schließen des ersten der weiteren Schaltelemente (C) und des dritten der weiteren Schaltelemente (D) ergibt, wobei im zweiten vierten Vorwärtsgang (4VM2) das zweite Schaltelement (V) geschlossen ist.
  10. Getriebe (G) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein dritter zusätzlicher oder alternativer Vorwärtsgang (4VM3) durch Schließen des ersten der weiteren Schaltelemente (C) und des fünften der weiteren Schaltelemente (A) ergibt, wobei im dritten vierten Vorwärtsgang (4VM3) das erste Schaltelement (U) geschlossen ist.
  11. Getriebe (G) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten bis achten Vorwärtsgang (4VM–8VM) das erste Schaltelement (U) geschlossen ist, und im dritten Vorwärtsgang (3VM) entweder das erste oder das zweite Schaltelement (U, V) geschlossen ist.
  12. Getriebe (G) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten bis siebenten Vorwärtsgang (4VM–7VM) das erste Schaltelement (U) geschlossen ist, und im dritten Vorwärtsgang (3VM) und im achten Vorwärtsgang (8VM) entweder das erste oder das zweite Schaltelement (U, V) geschlossen ist.
  13. Getriebe (G) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (G) eine zweite elektrische Maschine (SG) mit einem Rotor (R2) und einen Stator (S2) umfasst, wobei der Rotor (R2) ständig oder über eine erste Trennkupplung (K1) koppelbar auf die Getriebe-Eingangswelle (GW1) wirkt.
  14. Getriebe (G) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wirkverbindung zwischen dem Rotor (R2) der zweiten elektrischen Maschine (SG) und einem mit dem Rotor (R2) wirkverbundenen Antriebsaggregat (VKM) eine zweite Trennkupplung (K0) derart angeordnet ist, dass die zweite elektrische Maschine (SG) bei geöffneter erster Trennkupplung (K1) und geschlossener zweiter Trennkupplung (K0) Drehmoment auf das Antriebsaggregat (VKM) abgeben kann ohne auf die Getriebe-Eingangswelle (GW1) zu wirken.
  15. Verfahren zum Betrieb eines Getriebes (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Gangbetriebsstufenmodus (VM) bei einem Schaltvorgang des Getriebes (G) von einem ursprünglichen Gang in einen Zielgang – in einem ersten Schritt (ST1) eines der zu diesem Zeitpunkt im Leistungsfluss des Getriebes (G) liegenden weiteren Schaltelemente (A, B, C, D, E, F) mittels der elektrischen Maschine (EM) im Wesentlichen lastfrei gestellt wird, – in einem zweiten Schritt (ST2) das im ersten Schritt (S1) im Wesentlichen lastfrei gestellte weitere Schaltelement geöffnet wird, – in einem dritten Schritt (ST3) mittels der elektrischen Maschine (EM) und/oder mittels eines Moments an der Getriebe-Eingangswelle (GW1) eine Drehzahlsynchronisation zwischen zwei Wellen des Getriebes (G) vorgenommen wird, welche im Zielgang durch eines der weiteren Schaltelemente (A, B, C, D, E, F), welches im ersten Schritt (ST1) nicht im Leistungsfluss des Getriebes (G) war, verbunden sein sollen, und – in einem vierten Schritt (ST4) das weitere Schaltelement zwischen den im dritten Schritt (ST3) synchronisierten Wellen geschlossen wird.
  16. Verfahren zum Betrieb eines Getriebes (G) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem eingelegten Gang (1VM–8VM) abhängig vom Zielgang das erste Schaltelement (U) oder das zweite Schaltelement (V) eingelegt wird oder eingelegt bleibt, sodass beim Schaltvorgang vom eingelegten Gang (1VM–8VM) in den Zielgang die dritte Welle (W3) des Hauptradsatzes (HRS) zumindest während der Lastfreistellung im ersten Schritt (ST1) des Schaltvorgangs als Summenwelle wirkt.
  17. Verfahren zum Betrieb eines Getriebes (G) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (G) neben dem Gangstufenbetriebsmodus (VM) einen elektrodynamischen Betriebsmodus (EDA1, EDA2) aufweist, wobei im elektrodynamischen Betriebsmodus (EDA1, EDA2) das zweite Schaltelement (V) sowie nur eines der weiteren Schaltelemente (B, D, E) geschlossen ist, welches keine Bremse ist und entweder mit der ersten oder mit der zweiten Welle (W1, W2) des Hauptradsatzes (HRS) verbunden ist, sodass im elektrodynamischen Betriebsmodus (EDA1, EDA2) durch Variation des an der Getriebe-Eingangswelle wirkenden Drehmoments und des am Rotor (R) der elektrischen Maschine (EM) wirkenden Drehmoments das Drehmoment an der Getriebe-Ausgangswelle (GW2) stufenlos veränderbar ist, wobei durch Schließen eines zweiten der weiteren Schaltelemente ein Umschaltvorgang vom elektrodynamischen Betriebsmodus (EDA1, EDA2) in den Gangstufenbetriebsmodus (VM) erfolgt.
  18. Verfahren zum Betrieb eines Getriebes (G) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei annähernd gleicher Drehzahl der vier Wellen (W1, W2, W3, W4) des Hauptradsatzes (HRS) vom elektrodynamischen Betriebsmodus (EDA1, EDA2) in den Gangbetriebsstufenmodus (VM) gewechselt wird und ein Umschaltvorgang stattfindet, wobei im Umschaltvorgang das zweite Schaltelement (V) geöffnet wird und das erste Schaltelement (U) geschlossen wird.
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