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Die Erfindung betrifft eine Hybridkupplung für eine Doppelgetriebeeinheit eines Kraftfahrzeugs, sowie eine Doppelgetriebeeinheit, ein Verfahren zum verlustarmen Übertragen eines Drehmoments mit veränderlicher Übersetzung mittels der Hybridkupplung, sowie ein Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konfigurationen von Kupplungsschaltgetrieben bekannt, die jedoch allesamt Nachteile aufweisen. Entweder weisen die Kupplungsschaltgetriebe einen hohen Verbrauch, zum Beispiel bei einem hydrodynamischen Wandler oder einem Umschlingungsgetriebe, oder eine ungünstige Anfahrdynamik beziehungsweise einen hohen Verschleiß auf, insbesondere bei trockenen Reibkupplungen. Bekannte Getriebe sind hierbei Stufenautomaten mit stufenlosem Übersetzungsgetriebe oder Parallelschaltgetriebe.
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Hiervon ausgehend stellt sich die vorliegende Erfindung der Aufgabe, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausführungsformen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine Hybridkupplung für eine Doppelgetriebeeinheit eines Kraftfahrzeugs, welche zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- - eine Eingangswelle;
- - eine erste Ausgangswelle;
- - eine zweite Ausgangswelle;
- - zumindest ein Reibpaket mit zumindest einer Anpressplatte und zumindest einer korrespondierenden Reibscheibe, über welches im angepressten Zustand ein Drehmoment von der Eingangswelle auf die erste Ausgangswelle übertragbar ist; und
- - ein stufenloses Getriebe, über welches ein Drehmoment von der Eingangswelle auf die zweite Ausgangswelle übertragbar ist,
wobei das zumindest eine Reibpaket und das zumindest eine stufenlose Getriebe parallel geschaltet sind.
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Die hier vorgeschlagene Hybridkupplung weist zum einen zumindest ein, zum Beispiel konventionelles, Reibpaket auf und zum anderen ein stufenloses Getriebe. Ein solches stufenloses Getriebe weist sich dadurch aus, dass im Gegensatz zu einem Schaltgetriebe mit festen Übersetzungsstufen eine kontinuierlich veränderbare Drehzahlübertragung und Drehmomentübertragung ermöglicht ist. Hier wird im Weiteren im allgemeinen Zusammenhang stets von einer Übersetzung gesprochen, auch wenn es sich um eine Untersetzung handelt. Bekannte stufenlose Getriebe sind beispielsweise ein Umschlingungsgetriebe mit Kegelscheiben, ein Kegelringgetriebe oder ein X-Coni-Getriebe.
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Die Reibkupplung ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment lösbar von einer Abtriebswelle auf einen Antriebsstrang und umgekehrt zu übertragen. Dies wird von der Eingangswelle auf die erste Ausgangswelle über das zumindest eine Reibpaket erreicht, welches eine axial verschiebbare, in der Regel mit der Eingangswelle rotationsfeste, Anpressplatte aufweist, die gegen zumindest eine korrespondierende Reibscheibe pressbar ist. Infolge der Anpresskraft ergibt sich eine Reibkraft über die Reibfläche, die multipliziert mit dem mittleren Radius der Reibfläche ein übertragbares Drehmoment ergibt. Das stufenlose Getriebe ist hier zwischen die Eingangswelle und die zweite Ausgangswelle geschaltet, sodass eine Übertragung der Drehzahl und des Drehmoments von der Eingangswelle auf die zweite Ausgangswelle oder umgekehrt mit veränderbarer Übersetzung möglich ist. Bevorzugt ist eine Übersetzung um ein Verhältnis von 1:1 (Drehzahl und Drehmoment sind bei Eingangswelle und Ausgangswelle technisch identisch) regelbar, bevorzugt zwischen 0,5 und 2, besonders bevorzugt zwischen 0,66 und 1,33.
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Diese hier vorgeschlagene Hybridkupplung weist den Vorteil auf, dass mittels des stufenlosen Getriebes am Eingang, bevorzugt in rotationsfester Verbindung mit der Eingangswelle, des stufenlosen Getriebes eine erwünschte Drehzahl und mittels der stufenlosen Übersetzung des stufenlosen Getriebes unabhängig davon eine andere Drehzahl an der zweiten Ausgangswelle einstellbar ist. Unabhängig bedeutet hierbei natürlich, dass die Drehzahlen des Eingangs und der zweiten Ausgangswelle von der eingestellten Übersetzung des stufenlosen Getriebes abhängig sind, aber die Einstellung der Übersetzung ist unabhängig wählbar.
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Besonders bevorzugt sind das zumindest eine Reibpaket und das stufenlose Getriebe im Wechsel beschaltbar. Das heißt, dass ein Drehmoment in einem ersten Zustand allein über das stufenlose Getriebe leitbar ist und in einem zweiten Zustand ein Drehmoment, beziehungsweise der Hauptanteil eines Drehmoments, über das zumindest eine Reibpaket leitbar ist, bevorzugt ohne beziehungsweise mit geringer Drehmomentübertragung über das stufenlose Getriebe im zweiten Zustand.
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In folgendem Beispiel soll eine effiziente Beschaltung der Hybridkupplung aufgezeigt werden. Hierbei ist die erste Ausgangswelle rotationsfest mit einem ersten Übersetzungsgang eines angeschlossenen Schaltgetriebes verbunden. Die zweite Ausgangswelle ist mit einem zweiten Übersetzungsgang des angeschlossenen Schaltgetriebes verbunden. Die Eingangswelle ist mit einer Abtriebswelle einer Antriebseinheit, zum Beispiel einem Elektromotor oder einer Verbrennungskraftmaschine, rotationsfestverbunden. Die Getriebeausgangswelle wird über das Schaltgetriebe und die Hybridkupplung mit der Abtriebswelle verbunden, sodass deren Drehzahl und Drehmoment übersetzt übertragbar sind. Zunächst wird zum Beispiel die Getriebewelle, die still steht, mit der rotierenden und drehmomentbeaufschlagten Abtriebswelle über das zumindest eine Reibpaket schleifend, beziehungsweise reibend, auf eine gewünschte Drehzahl gebracht (beim Kraftfahrzeug zum Beispiel beim Anfahren). Wird nun zum Beispiel ein Wechsel von dem ersten Übersetzungsgang auf den zweiten Übersetzungsgang erwünscht (zum Beispiel beim Beschleunigen eines Kraftfahrzeugs), so wird der Eingang des stufenlosen Getriebes auf die aktuelle Drehzahl der ersten Ausgangswelle angepasst beziehungsweise ist durch rotationsfeste Verbindung angepasst, während die Drehzahl der zweiten Ausgangswelle an die notwendige Drehzahl für den zweiten Übersetzungsgang angepasst wird. Bei einem Schaltverhältnis von 2 zwischen dem ersten Übersetzungsgang und dem zweiten Übersetzungsgang wäre dann zum Beispiel die Drehzahl der zweiten Ausgangswelle nur halb so groß wie die Drehzahl der Eingangswelle. Diese Drehzahluntersetzung wird über das stufenlose Getriebe eingestellt. Dann wird das Drehmoment über das stufenlose Getriebe geleitet und das zumindest eine Reibpaket getrennt, sodass das Drehmoment nun über die zweite Ausgangswelle läuft. Wird die Drehmomentübertragung nun wiederum an einen dritten Übersetzungsgang (rotationsfest mit der ersten Ausgangswelle) oder an den ersten Übersetzungsgang übergeben, wird die Drehzahl an der Eingangswelle mittels des stufenlosen Getriebes an die erwünschte Drehzahl der ersten Ausgangswelle für den ersten beziehungsweise dritten Übersetzungsgang eingestellt. Somit kann das zumindest eine Reibpaket beim Schalten zwischen den Gängen mit einer Relativgeschwindigkeit von (nahezu) null geschlossen werden, sodass der Verschleiß sehr gering gehalten wird. Bevorzugt ist die Relativgeschwindigkeit kleiner als 100 U/min [Umdrehungen pro Minute], besonders bevorzugt weniger als 50 U/min.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das stufenlose Getriebe mit der Eingangswelle und/oder zweiten Ausgangswelle lösbar verbindbar, wobei im verbundenen Zustand ein Drehmoment von der Eingangswelle auf die zweite Ausgangswelle übertragbar ist.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform weist das Getriebe zusätzlich eine Trennstelle zwischen der Eingangswelle und dem Eingang des stufenlosen Getriebes auf, über welche das stufenlose Getriebe aus dem Drehmomentfluss herausgetrennt werden kann. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Drehmomentübertragung erheblich gesteigert. In einer vorteilhaften Betriebsweise wird die Übertragung mittels des stufenlosen Getriebes immer dann getrennt, wenn eine Drehmomentübertragung auf die erste Ausgangswelle beziehungsweise mittels der ersten Ausgangswelle erwünscht ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hybridkupplung ist das stufenlose Getriebe mittels einer drehzahlstarren Kupplung, bevorzugt mittels einer Klauenkupplung oder mittels einer Elastomerkupplung, mit der Eingangswelle und/oder der zweiten Ausgangswelle verbindbar.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist eine drehzahlstarre Verbindung vorgesehen, mittels welcher die Eingangswelle mit der zweiten Ausgangswelle verbindbar ist. Diese wird eingesetzt, wenn das Übersetzungsverhältnis des stufenlosen Getriebes auf 1:1 gesetzt ist, also die Drehzahl zwischen Eingangswelle und zweiter Ausgangswelle gleich ist. Somit kann eine drehzahlstarre Verbindung mit zuverlässiger und (nahezu) verlustfreier Momentenübertragung zum Beispiel einer Klauenkupplung oder einer (dämpfenden) Elastomerkupplung eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird dann das stufenlose Getriebe aus dem Drehmomentfluss herausgenommen. Somit wird der Wirkungsgrad der Hybridkupplung deutlich gesteigert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hybridkupplung ist das stufenlose Getriebe ein sogenanntes stufenloses Neigekugelgetriebe.
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Ein Stufenloses Neigekugelgetriebe weist zwei Seitenräder auf, die jeweils mit dem Eingang und Ausgang verbunden oder verbindbar sind. Axial zentral zwischen den Seitenrädern ist eine Mehrzahl von Planetenkugeln vorgesehen, auf denen axial beidseitig jeweils zwei Stellrollkörper, in der Regel Kugeln, laufen und zwischen der jeweiligen Planetenkugel und den Seitenrädern angeordnet sind. Die Stellrollkörper sind in einem Stellgitter gehalten und mittels des Stellgitters immer auf einer gemeinsamen Achse, der Stellachse, durch den Mittelpunkt der jeweiligen Planetenkugel und der Kontaktstelle mit den Seitenrädern angeordnet. Diese Stellachse ist dabei um eine zur Rotationsachse des stufenlosen Neigekugelgetriebes parallele Achse durch die jeweiligen Planentenkugeln verkippbar. Hierdurch wird die Kontaktstelle an den Seitenräder jeweils entgegengesetzt zueinander radial verlagert. Daraus folgt, dass in einer verkippten Stellung des Stellgitters und somit in einer verkippten Stellung der Stellachse der wirksame Durchmesser der Drehzahl und Drehmomentübertragung der beiden Seitenräder unterschiedlich ist. Zentral ist ein axial angeordneter und axial verschiebbarer Übersetzungssteller vorgesehen, welcher in das Stellgitter eingreift und die Verkippung des Stellgitters bewirkt. Ist das Stellgitter waagerecht beziehungsweise parallel zur Rotationsachse der Hybridkupplung ausgerichtet, so ist das Übersetzungsverhältnis 1:1 und ist das Stellgitter verkippt, so wird eine Übersetzung der Drehzahl und eine Untersetzung des Drehmoments beziehungsweise umgekehrt erreicht. Somit ist mit einem stufenlosen Neigekugelgetriebe eine Einstellung um das Übersetzungsverhältnis 1:1 herum veränderbar, also verkleinerbar und vergrößerbar, bevorzugt zwischen 0,5 und 2, besonders bevorzugt zwischen 0,66 und 1,33. Der Vorteil eines stufenlosen Neigekugelgetriebes ist, dass dieses stufenlose Getriebe besonders wenig Bauraumbedarf aufweist und kaum größer ist als ein einfaches Reibpaket, beziehungsweise von der Größe vergleichbar mit einem Reibpaket bestehend aus einer Mehrzahl von Reibscheiben und Lamellen ist. Besonders bevorzugt ist das stufenlose Neigekugelgetriebe konzentrisch axial überlappend zum zumindest einen Reibpaket angeordnet, sodass die axiale Baulänge der Hybridkupplung besonders kurz ist.
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Ein weiterer Vorteil ist hierbei, dass eine Trennung des stufenlosen Neigekugelgetriebes aus dem Drehmomentenfluss durch Abkopplung eines Seitenrades, also mittels seitlichen Verschiebens eines Seitenrads, in einfacher Weise möglich ist. Somit muss zum Trennen kein zusätzliches (separates) Kupplungselement vorgesehen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hybridkupplung ist ein Betätigungssystem vorgesehen, mittels welchem das zumindest eine Reibpaket betätigbar ist und mittels welchem nach einem Trennen des zumindest einen Reibpakets die Eingangswelle mit der zweiten Ausgangswelle starr verbindbar ist, und mittels welchem bevorzugt nach einem Verbinden der Eingangswelle mit der zweiten Ausgangswelle das stufenlose Getriebe trennbar ist.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist das hier vorgeschlagene Betätigungssystem nach einem Lösen des zumindest einen Reibpakets, für dessen Verpressung das Betätigungssystem vorgesehen ist, mittels einer drehzahlstarren Verbindung, zum Beispiel einer Klauenkupplung, mit der zweiten Ausgangswelle verbindbar. Das bedeutet, dass bei einer Übergabe von der ersten Ausgangswelle auf die zweite Ausgangswelle zunächst das Drehmoment über das stufenlose Getriebe übertragen wird und anschließend das zumindest eine Reibpaket getrennt wird. In diesem Zwischenzustand übt das Betätigungssystem weder eine Anpresskraft auf das zumindest eine Reibpaket aus noch ist die drehzahlstarre Verbindung mit der zweiten Ausgangswelle im Eingriff. An dem stufenlosen Getriebe wird nun das Übersetzungsverhältnis auf 1:1 gesetzt, sodass die Drehzahldifferenz zwischen der Eingangswelle und der zweiten Ausgangswelle (technisch) null beträgt. Jetzt erst wird das Betätigungssystem des zumindest einen ersten Reibpakets in einen drehmomentübertragenden Kontakt, also in Eingriff, mit der zweiten Ausgangwelle gebracht. Damit wird der Wirkungsgrad der Übertragung gesteigert, weil die Übertragung mittels der drehzahlstarren Verbindung (nahezu) verlustfrei möglich ist.
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Besonders bevorzugt wird der Wirkungsgrad noch weiter gesteigert, indem der Drehmomentfluss über das stufenlose Getriebe getrennt wird. Besonders bevorzugt ist diese Trennung dabei zugleich mit dem vorgeschlagenen Betätigungssystem durchführbar, indem ein verlängerter (axialer) Einrückweg zurückgelegt wird und zum Beispiel mittels eines geeigneten (axialen) Anschlags, ein Verbindungselement des stufenlosen Getriebes von der Übertragung gelöst wird (zum Beispiel bei einem stufenlosen Neigekugelgetriebe mittels axialen Verschiebens des zumindest einen Seitenrads). Somit werden die Komponenten zur Betätigung der Hybridkupplung auf eine besonders effiziente Weise genutzt und die Anzahl der Teile reduziert. Ein solches Trennen ist besonders vorteilhaft, wenn eine Übergabe von der ersten Ausgangswelle auf die zweite Ausgangswelle durchgeführt werden soll.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hybridkupplung ist ein Übersetzungssteller vorgesehen, mittels welchem das stufenlose Getriebe trennbar ist, wenn eine Übersetzungsgrenze erreicht ist.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird das stufenlose Getriebe mittels des Übersetzungsstellers, welcher das Übersetzungsverhältnis an dem stufenlosen Getriebe einstellt, getrennt, sobald eine Übersetzungsgrenze erreicht ist. Beispielsweise bei einer Übertragung von der zweiten Ausgangswelle (zum Beispiel von dem zweiten Übersetzungsgang) auf die erste Ausgangswelle (zum Beispiel auf den dritten Übersetzungsgang) wird die Drehzahl des Eingangs des stufenlosen Getriebes herabgesetzt (oder umgekehrt bei einer Übergabe an einen niedrigeren Übersetzungsgang heraufgesetzt) bis die erwünschte Drehzahl der Eingangswelle erreicht ist, die an die erforderliche Drehzahl der ersten Ausgangswelle (für den dritten Übersetzungsgang) erforderlich ist. Das erforderliche Übersetzungsverhältnis wird genau dann erreicht, wenn der Trennvorgang erwünscht ist. Deshalb ist hier vorteilhafterweise der Übersetzungssteller so eingerichtet, dass der Übersetzungssteller mit zumindest einem Ausrücksystem des stufenlosen Getriebes, besonders bevorzugt mit einem Seitenrad eines stufenlosen Neigekugelgetriebes, in (axialen) kraftübertragenden Kontakt kommt und so das stufenlose Getriebe aus dem Drehmomentfluss trennt (beziehungsweise schiebt). Somit sind keine zusätzlichen Elemente zu dieser Beschaltung vorzusehen und somit der Wirkungsgrad der Hybridkupplung in einfacher Weise weiter steigerbar.
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Besonders bevorzugt werden sowohl ein solcher Übersetzungssteller als auch ein Trenn-Betätigungssystem gemäß der obigen Beschreibung für das zumindest eine Reibpaket zum Trennen des stufenlosen Getriebes aus dem Drehmomentfluss eingesetzt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Doppelgetriebeeinheit mit einer Hybridkupplung nach der obigen Beschreibung für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei eine Mehrzahl von Übersetzungsgängen vorgesehen ist, welche jeweils zuschaltbar sind, wobei bevorzugt ein Übersetzungsgang mit ungerader Nummer mit der ersten Ausgangswelle und ein Übersetzungsgang mit gerader Nummer mit der zweiten Ausgangswelle verbunden ist.
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Die Übersetzungsgänge der Doppelgetriebeeinheit sind nach ihrer Schaltreihenfolge für eine Beschleunigung eines Antriebsstrangs nummeriert. Beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug ist der erste Übersetzungsgang der Übersetzungsgang, welcher zum Anfahren zum Beispiel von 0 km/h [Kilometer pro Stunde] bis maximal 20 km/h genutzt wird, und der zweite Übersetzungsgang ist für eine schnellere Fahrt eingerichtet, zum Beispiel von 15 km/h bis maximal 40 km/h. Besonders bevorzugt ist weiterhin ein Umkehrgang, also ein Rückwärtsgang, vorgesehen, welcher bevorzugt ebenfalls mit der ersten Ausgangswelle verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform der Doppelgetriebeeinheit sind Anfahren und Rückwärtsanfahren mittels des zumindest einen Reibpakets vom Nutzer in konventioneller Weise ausführbar. Somit sind Anfahren und Rückwärtsfahren hier die einzigen Betriebszustände, bei denen ein (konventioneller) Verschleiß an dem zumindest einen Reibpaket auftreten kann. In allen anderen Zuständen ist eine Übergabe von einer Drehmomentübertragung von der ersten Ausgangswelle auf die zweite Ausgangswelle und umgekehrt (nahezu) ohne Drehzahldifferenz zur Eingangsseite vornehmbar. Bei einer Ausführungsform, bei der das stufenlose Getriebe aus der Drehmomentübertragung getrennt werden kann, sobald ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 mittels des stufenlosen Getriebes von der ersten Eingangswelle auf die zweite Ausgangswelle eingestellt ist, ist eine besonders verlustarme Drehmomentübertragung möglich. Zugleich ist der Komfort mit einer solchen Doppelgetriebeeinheit für den Nutzer der Doppelgetriebeeinheit sehr hoch, weil ein Rupfen oder Durchrutschen ausschließbar sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zum verlustarmen Übertragen eines Drehmoments mit veränderlicher Übersetzung mittels einer Hybridkupplung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, wobei zumindest die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- a. Verpressen des zumindest einen Reibpakets und damit Übertragen eines Drehmoments von der Eingangswelle auf die erste Ausgangswelle;
- b. Ändern der Drehzahl der Eingangswelle und der ersten Ausgangswelle bis zu einer gewünschten ersten Drehzahlgrenze;
- c. am stufenlosen Getriebe Einstellen einer Übersetzung zwischen einer zur ersten gewünschten Drehzahlgrenze der Eingangswelle synchronen Drehzahl am Eingang des stufenlosen Getriebes und einer zweiten Drehzahl entsprechend dem an der zweiten Ausgangswelle eingelegten Übersetzungsgang;
- d. Lösen des zumindest einen Reibpakets, sobald die Übersetzung am stufenlosen Getriebe eingestellt ist und ein Drehmoment über das stufenlose Getriebe und die zweite Ausgangswelle übertragbar ist,
- e. Ändern der zweiten Drehzahl der zweiten Ausgangswelle auf eine zweite gewünschte Drehzahlgrenze und Einstellen der Übersetzung am stufenlosen Getriebe auf eine dritte Drehzahl entsprechend dem eingelegten Übersetzungsgang der ersten Ausgangswelle, wobei beim Erreichen der zweiten gewünschten Drehzahlgrenze das zumindest eine Reibpaket verpresst wird,
wobei bevorzugt das stufenlose Getriebe immer dann aus dem Drehmomentfluss getrennt wird, wenn ein Drehmoment über das zumindest eine verpresste Reibpaket übertragbar ist.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das Verfahren ausgehend von Schritt a., zum Beispiel einem Anfahren eines Kraftfahrzeugs, beschrieben ist, aber genauso bei Schritt b. oder c. begonnen werden kann und in der Reihenfolge (b.,) c., d., e., (a.,) b., c. und so weiter durchführbar ist. Die Drehzahlgrenzen sind hierbei Obergrenzen oder Untergrenzen, für welche jeweils eine andere Übersetzung mittels des Schaltgetriebes erwünscht ist. Beispielsweise soll für eine Antriebseinheit an der Eingangswelle eine Drehzahl zwischen 800 U/min [Umdrehungen pro Minute] bis 4.000 U/min eingestellt werden. Ebenso sind dann die Ausgangswellen auf diese Drehzahlen eingerichtet. Wird die erste Drehzahlgrenze erreicht, also zum Beispiel beim Schalten vom ersten Übersetzungsgang in den zweiten Übersetzungsgang die oben genannten 4.000 U/min, wird die zweite Ausgangswelle, die nun mit dem zweiten Übersetzungsgang verbunden ist, mittels des stufenlosen Getriebes auf die erforderliche Drehzahl eingestellt, während die Drehzahl der Eingangswelle auf der Drehzahlgrenze gehalten wird und eingangsseitig über das stufenlose Getriebe anliegt. Es ist nun also eine Drehmomentübertragung über das stufenlose Getriebe möglich. Das zumindest eine Reibpaket wird gelöst und somit die gesamte Drehmomentübertragung über das stufenlose Getriebe geleitet. Zur weiteren Beschleunigung wird das Übersetzungsverhältnis an dem stufenlosen Getriebe soweit herabgesetzt, dass die Eingangswelle eine Drehzahl für eine Übertragung des Drehmoments über das zumindest eine Reibpaket aufweist, welche für die Übertragung bei einer geringen oder keiner Drehzahldifferenz zwischen der Eingangswelle und der ersten Ausgangswelle mittels des dritten Übersetzungsgangs erforderlich ist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Drehzahldifferenz zwischen der ersten Ausgangswelle und der Eingangswelle bei einer Übergabe von dem stufenlosen Getriebe an die Reibkupplung oder umgekehrt unter 100 U/min, bevorzugt unter 50 U/min. Somit tritt an dem zumindest einen Reibpaket kein Verschleiß auf und ein Rupfen bei der Übergabe ist vermieden. Dies ist insbesondere bei trocken ausgeführten Reibpaketen besonders vorteilhaft.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das stufenlose Getriebe immer dann aus dem Drehmomentenfluss getrennt, wenn eine Übertragung mittels des zumindest einen Reibpakets möglich und erwünscht ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäß obiger Beschreibung wird die zweite Ausgangswelle beim Erreichen einer Drehzahlgrenze mittels einer drehzahlstarren Verbindung verbunden und das stufenlose Getriebe anschließend getrennt.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform wird der Wirkungsgrad der Hybridkupplung gesteigert, indem an dem stufenlosen Getriebe (möglichst schnell) ein Übersetzungsverhältnis von1:1 eingestellt wird und mittels der drehzahlstarren Verbindung, zum Beispiel einer Klauenkupplung, so umgeleitet wird, dass das stufenlose Getriebe nicht mehr die Drehmomentübertragung übernimmt, sondern die drehzahlstarre Verbindung mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100 % [Prozent] die Übertragung übernimmt. Ganz besonders bevorzugt wird dann eine Übertragung auf das stufenlose Getriebe vollständig getrennt, um Laufverluste zu reduzieren. Eine besonders einfache Ausführungsform ist dabei mit einem stufenlosen Neigekugelgetriebe möglich, bei dem zumindest ein Seitenrad seitlich axial bewegt wird, sodass eine Übertragung über die Stellrollkörper nicht mehr möglich ist. Hierbei wird auf die obige Beschreibung einer vorteilhaften Einrichtung und Betriebsweise der Hybridkupplung verwiesen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antriebsstrang vorgeschlagen, welcher eine Antriebseinheit mit einer Abtriebswelle und eine Doppelgetriebeeinheit in einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung umfasst, wobei die Abtriebswelle zur Drehmomentübertragung mittels der Doppelgetriebeeinheit mit einem Verbraucher lösbar verbindbar ist.
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Der Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, ein von einer Antriebseinheit, zum Beispiel einer Energiewandlungsmaschine, bevorzugt einer Verbrennungskraftmaschine oder einem Elektromotor, bereitgestelltes und über ihre Abtriebswelle abgegebenes Drehmoment für eine Nutzung lösbar, also zuschaltbar und abschaltbar, zu übertragen. Eine beispielhafte Nutzung ist zumindest ein Antriebsrad eines Kraftfahrzeugs und/oder ein elektrischer Generator zur Bereitstellung von elektrischer Energie. Um das Drehmoment gezielt und/oder mittels eines Schaltgetriebes mit unterschiedlichen Übersetzungen zu übertragen beziehungsweise eine Übertragung zu trennen, ist die Verwendung der oben beschriebenen Hybridkupplung besonders vorteilhaft, weil ein (hohes) Drehmoment komfortabel und verlustarm übertragbar ist und zugleich der Verschleiß an dem zumindest einen Reibpaket gering ist. Umgekehrt ist auch eine Aufnahme eines von zum Beispiel einem Antriebsrad eingebrachte Trägheitsenergie, die dann die Antriebseinheit bildet, mittels der Hybridkupplung auf einen elektrischen Generator zur Rekuperation, also der elektrischen Speicherung der Bremsenergie, mit einem entsprechend eingerichteten Antriebsstrang umsetzbar. Weiterhin sind in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Antriebseinheiten vorgesehen, die mittels der Hybridkupplung in Reihe oder parallel geschaltet beziehungsweise voneinander entkoppelt betreibbar sind, beziehungsweise deren Drehmoment jeweils lösbar zur Nutzung zur Verfügung stellbar ist. Beispiele sind Hybridantriebe aus Elektromotor und Verbrennungskraftmaschine, aber auch Mehrzylindermotoren, bei denen einzelne Zylinder (-gruppen) zuschaltbar sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches zumindest ein Antriebsrad aufweist, welches mittels eines Antriebsstrangs gemäß der obigen Beschreibung antreibbar ist.
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Die meisten Kraftfahrzeuge weisen heutzutage einen Frontantrieb auf und ordnen daher bevorzugt die Antriebseinheit, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine oder einen Elektromotor, vor der Fahrerkabine und quer zur Hauptfahrrichtung an. Der Bauraum ist gerade bei einer solchen Anordnung besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, eine Reibkupplung kleiner Baugröße zu verwenden. Ähnlich gestaltet sich der Einsatz einer Reibkupplung in motorisierten Zweirädern, für welche eine deutlich gesteigerte Leistung bei gleichbleibendem Bauraum gefordert wird.
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Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Aggregate in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Der oben beschriebene Antriebsstrang weist eine Doppelgetriebeeinheit mit einer Hybridkupplung gemäß der obigen Beschreibung mit besonders geringer Baugröße auf. Zugleich ist der Komfort für den Fahrer hoch und der Verschleiß und somit die Wartungsanfälligkeit reduziert.
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Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo Mito, Volkswagen Polo, Ford Fiesta oder Renault Clio.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, die bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: ein Antriebsstrang mit einer Doppelgetriebeeinheit;
- 2: eine erste Ausführungsform einer Hybridkupplung;
- 3: eine zweite Ausführungsform einer Hybridkupplung;
- 4: eine dritte Ausführungsform einer Hybridkupplung;
- 5: ein Beispiel eines Übersetzungszusammenhangs beim Schalten vom ersten Übersetzungsgang in den zweiten Übersetzungsgang;
- 6: ein Beispiel eines Übersetzungszusammenhangs beim Schalten vom zweiten Übersetzungsgang in den dritten Übersetzungsgang;
- 7: eine verschachtelte Hybridkupplung; und
- 8: ein Antriebsstrang in einem Kraftfahrzeug.
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In 1 ist ein Antriebsstrang 22 schematisch gezeigt, bei welchem die Abtriebswelle 24 einer Antriebseinheit 23, hier als Verbrennungskraftmaschine mit einer angedeuteten Kurbelwelle dargestellt, mit einer Eingangswelle 4 einer Hybridkupplung 1 verbunden ist. Die Hybridkupplung 1 weist dabei eine erste Ausgangswelle 5 und eine zweite Ausgangswelle 6 auf, die mit einer Doppelgetriebeeinheit 2 mit sieben Schaltgängen verbunden ist und darüber mit einem hier rein schematisch dargestellten Verbraucher 25 verbunden ist. Ein Drehmoment, das von der Abtriebswelle 24 auf die Eingangswelle 4 übertragen wird, ist über das zumindest eine Reibpaket 7 über die erste Ausgangswelle 5 auf den ersten Übersetzungsgang 16, den dritten Übersetzungsgang 18, den fünften Übersetzungsgang 20 oder den Rückwärtsgang 37 (Drehrichtungsumkehr) übertragbar. Weiterhin kann ein Drehmoment von der Eingangswelle 4 über das stufenlose Getriebe 10 auf die zweite Ausgangswelle 6 übertragen werden, welche mittels des zweiten Übersetzungsgangs 17, des vierten Übersetzungsgangs 19 oder des sechsten Übersetzungsgangs 21 mit dem Verbraucher 25 verbindbar ist. Die jeweils notwendigen Drehzahlen, um die Eingangswelle 4 bei konstanter Drehzahl mit der zweiten Ausgangswelle 6 zu verbinden, sind dabei mittels des stufenlosen Getriebes 10 anpassbar. Hierzu wird auf die Beschreibung zu 5 und 6 verwiesen.
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In 2 ist eine erste Ausführungsform einer Hybridkupplung 1 mit einem Reibpaket 7 dargestellt. Das Reibpaket 7 setzt sich hier beispielsweise aus einer Anpressplatte 8, einer Reibscheibe 9 und einer Gegenplatte 32 zusammen, wobei diese Elemente des Reibpakets 7 mittels eines Betätigungssystems 14 zur reibschlüssigen Drehmomentübertragung miteinander verpressbar sind, sodass ein Drehmoment von der Eingangswelle 4 auf die erste Ausgangswelle 5 übertragbar ist. Weiterhin ist ein Drehmoment von der Eingangswelle 4 auf die zweite Ausgangswelle 6 mittels des stufenlosen Getriebes 10 übertragbar. Das stufenlose Getriebe 10 ist hier als stufenloses Neigekugelgetriebe ausgeführt und setzt sich aus einem ersten Seitenrad 12 und einem zweiten Seitenrad 13 zusammen, welche hier rein schematisch dargestellt mit einer Planetenkugel 33 in Kontakt stehen. Die erforderlichen Stellrollkörper sind in der Darstellung vernachlässigt, aber über das verkippbare Stellgitter 34 angedeutet. Die Übersetzung des stufenlosen Getriebes 10 wird mittels der Verkippungsstellung des Stellgitters 34 eingestellt, wobei die Stellung des Stellgitters 34 über den Übersetzungssteller 15 einstellbar ist, welcher axial verschiebbar ist.
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In 3 ist eine ähnliche Konfiguration einer Hybridkupplung 1 wie in 2 gezeigt, wobei hier das stufenlose Getriebe 10 aus dem Drehmomentverlauf trennbar ist. Dies wird über eine drehzahlstarre Verbindung 11 erreicht, die hier einstückig mit dem Betätigungssystem 14 gebildet ist. Bei der schematisch dargestellten Stellung des Stellgitters 34 ist ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 eingestellt, sodass die Drehzahldifferenz zwischen der Eingangswelle 4 und der zweiten Ausgangswelle 6 (technisch) null beträgt. Somit kann eine drehzahlstarre Verbindung 11, zum Beispiel eine Klauenkupplung, mit der zweiten Ausgangswelle 6 in Eingriff gebracht werden. Zusätzlich wird hier nachfolgend über einen ersten Ausrücker 35, welcher ebenfalls hier an dem Betätigungssystem 14 für das Reibpaket 7 vorgesehen ist, gegen das erste Seitenrad 12 des stufenlosen Getriebes 10 geschoben, sodass das stufenlose Getriebe 10 aus dem Drehmomentfluss getrennt wird.
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In 4 ist eine ähnliche Konfiguration wie in 2 gezeigt, wobei hier ebenfalls wie in 3 das stufenlose Getriebe 10 aus dem Drehmomentfluss trennbar ist, und zwar hier in dem Zustand, in dem das Reibpaket 7 verpresst ist. Hierbei wird bei einer, von der Eingangswelle 4 aus betrachtet, maximalen Übersetzung mittels des stufenlosen Getriebes 10 der Übersetzungssteller 15 mittels eines zweiten Ausrückers 36 mit dem zweiten Seitenrad 13 axial in kraftübertragenden Kontakt gebracht, sodass sich das erste Seitenrad 12 von dem Kontakt mit der Planetenkugel 33 löst. Bevorzugt ist die Ausführungsform in 4 mit der Ausführungsform in 3 kombinierbar; nämlich wird in 3 das stufenlose Getriebe 10 dann überbrückt, wenn über die zweite Ausgangswelle 6 gefahren wird, während hier in 4 das stufenlose Getriebe 10 dann überbrückt wird, wenn über die erste Ausgangswelle 5 gefahren wird.
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In 5 sind drei Diagramme zum Wechsel von einem ersten Übersetzungsgang 16 auf einen zweiten Übersetzungsgang 17 gezeigt, also eine Übergabe von einem (langsamer rotierenden) Reibpaket 7 auf das (ausgangsseitig schneller rotierende) stufenlose Getriebe 10 gemäß der Konfiguration in 1. Auf die 1 wird im Folgenden bei der Bezeichnung der Komponenten stets Bezug genommen. Im obersten Diagramm wird die Geschwindigkeitsachse 38 über der Zeitachse 41, im direkt darunter folgenden (mittleren) Diagramm wird die Drehmomentachse 39 über der gleichen Zeitachse 41 gezeigt und in dem untersten Diagramm der 5 wird die Übersetzungsachse 40 des stufenlosen Getriebes 10 über der gleichen Zeitachse 41 gezeigt. Über den Zeitverlauf ist chronologisch hierbei zunächst ein normaler Fahrzustand 49 mit Übertragung mittels des ersten Übersetzungsgangs 16 (hierbei wird beschleunigt), dann eine erste Drehzahlanpassung 50 des stufenlosen Getriebes 10, darauf ein Wechsel 51 zum zweiten Übersetzungsgang 17, gefolgt von der Drehmomentübergabe 52 von der ersten Ausgangswelle 5 auf die zweite Ausgangswelle 6 und eine zweite Drehzahlanpassung 53 des stufenlosen Getriebes 10 wieder zu einem normalen Fahrzustand 49 mit Übertragung mittels des zweiten Übersetzungsgangs 17 gezeigt (hier wird weiter beschleunigt). Im obersten Diagramm wird eine Geschwindigkeitskurve 42 von der Antriebseinheit 23, dem Reibpaket 7 und dem ersten Seitenrad 12 mit der durchgezogenen Linie gezeigt. Daneben ist der Verlauf der Geschwindigkeit 43 von der ersten Ausgangswelle 5 mit der langgestrichelten Linie gezeigt und der Verlauf der Geschwindigkeit 44 von dem zweiten Seitenrad 13 mit der kurz-gestrichelten Linie gezeigt. Hierbei beträgt der Übersetzungsfaktor zwischen der Geschwindigkeit 43 und Geschwindigkeit 44 beispielsweise zwei. Im untersten Diagramm der 5 wird die Veränderung der Übersetzung in dem stufenlosen Getriebe 10 gezeigt, wobei hier wegen des Schaltens vom Reibpaket 7 von einem niedrigeren Übersetzungsgang (hier zum Beispiel erster Übersetzungsgang 16) auf das stufenlose Getriebe 10 in einem höheren Übersetzungsgang (hier zum Beispiel zweiter Übersetzungsgang 17) eine vergrößernde Übersetzung 48 benötigt und somit das Übersetzungsverhältnis von 1:1 nach oben hin, hier 2:1, abweicht. Im Ergebnis ist eine Drehmomentübergabe in dem mittleren Diagramm dargestellt, wie sie von einer Doppelgetriebeeinheit erwartet wird: Das abgegebene Drehmoment 45 der Antriebseinheit 23 bleibt konstant und das Drehmoment 46 des Reibpakets 7 nimmt in dem Maße ab wie das Drehmoment 47 über das stufenlose Getriebe 10 zunimmt.
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In 6 ist der gleiche Zusammenhang mit den gleichen Diagrammen in gleicher Reihenfolge, Bezeichnung und Darstellung für ein Schalten von zum Beispiel einem zweiten Übersetzungsgang 17 in einen dritten Übersetzungsgang 18 dargestellt, also eine Übergabe vom (ausgangsseitig schneller rotierenden) stufenlosen Getriebe 10 auf das (langsamer rotierende) Reibpaket 7. Hierbei wird nun zur Übergabe im stufenlosen Getriebe 10 die Übersetzung 48 verringert, also ein Untersetzungsverhältnis eingestellt, hier 1:2, sodass die Drehzahlen jeweils aufeinander angepasst sind. Auch hierbei wird eine lückenlose Drehmomentabgabe, wie im mittleren Diagramm der 5 gezeigt, erreicht.
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In 7 ist eine Hybridkupplung 1 in einer verschachtelten Konfiguration schematisch dargestellt, wobei hier radial innenliegend ein Reibpaket 7 mit einer Anpressplatte 8 und mehreren Reibscheiben 9 (Lamellenpaket, hier nicht im Detail bezeichnet) und einer Gegenplatte 32 und mehreren Zwischenplatten 31 (hier nicht im Detail bezeichnet) angeordnet ist, welche zur Drehmomentübertragung über ein Betätigungssystem 14 miteinander verpresst werden können. Radial außerhalb und axial überlappend ist ein stufenloses Getriebe 10, wieder in einer schematisch dargestellten stufenlosen Neigekugelgetriebe-Konfiguration, gezeigt. Das erste Seitenrad 12, welches fest mit der Eingangswelle 4 verbunden ist, und das zweite Seitenrad 13, welches fest mit der zweiten Ausgangswelle 6 verbunden ist, sind über die Planetenkugel 33 und mittels des Stellgitters 34 übersetzungsregelbar miteinander verbunden. Der Übersetzungssteller 15 stellt mittels axialer Verschiebung eine Verkippstellung des Stellgitters 34 und damit die Übersetzung des stufenlosen Getriebes 10 ein.
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In 8 ist ein Antriebsstrang 22, umfassend eine Antriebseinheit 23, hier als Verbrennungskraftmaschine dargestellt, eine Abtriebswelle 24, eine Doppelgetriebeeinheit 2 und eine Hybridkupplung 1 und ein drehmomentübertragend verbundenes linkes Antriebsrad 26 und rechtes Antriebsrad 27, schematisch dargestellt. Der Antriebsstrang 22 ist in einem Kraftfahrzeug 3 angeordnet, wobei die Antriebseinheit 23 mit ihrer Motorachse 30 quer zur Längsachse 29 vor der Fahrerkabine 28 angeordnet ist.
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Mit der hier vorgeschlagenen Hybridkupplung ist eine lückenlose Drehmomentübertragung möglich, wobei zugleich der Verbrauch gering gehalten und ein sehr hoher Komfort erreicht und darüber hinaus der Reibverschleiß stark reduziert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hybridkupplung
- 2
- Doppelgetriebeeinheit
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Eingangswelle
- 5
- erste Ausgangswelle
- 6
- zweite Ausgangswelle
- 7
- Reibpaket
- 8
- Anpressplatte
- 9
- Reibscheibe
- 10
- stufenloses Getriebe
- 11
- drehzahlstarre Verbindung
- 12
- erstes Seitenrad
- 13
- zweites Seitenrad
- 14
- Betätigungssystem
- 15
- Übersetzungssteller
- 16
- erster Übersetzungsgang
- 17
- zweiter Übersetzungsgang
- 18
- dritter Übersetzungsgang
- 19
- vierter Übersetzungsgang
- 20
- fünfter Übersetzungsgang
- 21
- sechster Übersetzungsgang
- 22
- Antriebsstrang
- 23
- Antriebseinheit
- 24
- Abtriebswelle
- 25
- Verbraucher
- 26
- linkes Antriebsrad
- 27
- rechtes Antriebsrad
- 28
- Fahrerkabine
- 29
- Längsachse
- 30
- Motorachse
- 31
- Zwischenplatte
- 32
- Gegenplatte
- 33
- Planetenkugel
- 34
- Stellgitter
- 35
- erster Ausrücker
- 36
- zweiter Ausrücker
- 37
- Rückwärtsgang
- 38
- Geschwindigkeitsachse
- 39
- Drehmomentachse
- 40
- Übersetzungsachse des stufenlosen Getriebes
- 41
- Zeitachse
- 42
- Geschwindigkeit von Antriebseinheit, Reibpaket und erstem Seitenrad
- 43
- Geschwindigkeit von erster Ausgangswelle
- 44
- Geschwindigkeit von zweitem Seitenrad
- 45
- Drehmoment von Antriebseinheit
- 46
- Drehmoment von Reibpaket
- 47
- Drehmoment von stufenlosem Getriebe
- 48
- Übersetzung des stufenlosen Getriebes
- 49
- normaler Fahrzustand
- 50
- erste Drehzahlanpassung
- 51
- Wechsel zu zweitem Übersetzungsgang
- 52
- Drehmomentübergabe
- 53
- zweite Drehzahlanpassung
