DE102014220942A1

DE102014220942A1 - Getriebe für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014220942A1
Application number: DE102014220942.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beck; Johannes Kaltenbach; Uwe Griesmeier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2016-04-21

Abstract

Getriebe (G) mit einer Eingangswelle (GW1), einer Hauptwelle (WH), einer zur Hauptwelle (WH) achsparallelen Abtriebswelle (GW2), einem koaxial zur Hauptwelle (WH) angeordneten Planetenradsatz (P), einer ersten Stirnradstufe (ST1), einer zweiten Stirnradstufe (ST2), einer elektrischen Maschine (EM) mit einem Stator (S) und einem mit der Eingangswelle (GW1) wirkverbundenen Rotor (R), einem ersten Schaltelement (K2), einem zweiten Schaltelement (K3), einem dritten Schaltelement (K1) und einem vierten Schaltelement (B1), wobei die erste Stirnradstufe (ST1) und die zweite Stirnradstufe (ST2) je ein Zahnrad koaxial zur Hauptwelle (WH) und ein Zahnrad koaxial zur Abtriebswelle (GW2) aufweisen, welche miteinander kämmen, wobei das erste Element (E1) des Planetenradsatzes (P) über das erste Schaltelement (K2) mit der Eingangswelle (GW1) verbindbar ist, wobei das zweite Element (E2) des Planetenradsatzes (P) mit dem Zahnrad der ersten Stirnradstufe (ST1), welches koaxial zur Hauptwelle (WH) ist, ständig verbunden ist, wobei das dritte Element (E3) des Planetenradsatzes (P) mit der Hauptwelle (WH) ständig verbunden ist, wobei die Hauptwelle (WH) über das vierte Schaltelement (B1) drehfest festsetzbar ist und über das dritte Schaltelement (K1) mit der Eingangswelle (GW1) verbindbar ist, und wobei durch Betätigung der vier Schaltelemente (K2, K3, K1, B2) insgesamt vier Vorwärtsgänge (1, 2, 3, 4) zwischen der Eingangswelle (GW1) und der Abtriebswelle (GW2) vorzugsweise automatisiert schaltbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe mit einer Eingangswelle, einer Hauptwelle, einer zur Hauptwelle achsparallelen Abtriebswelle, einem koaxial zur Hauptwelle angeordneten Planetenradsatz, einer ersten und zweiten Stirnradstufe, einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator, und zumindest vier Schaltelementen. Die Erfindung betrifft ferner einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Hybridantriebsstranges.
Ein Getriebe bezeichnet hier insbesondere ein mehrgängiges Getriebe, bei dem insgesamt vier Gänge, also vier feste Übersetzungsverhältnissen zwischen der Eingangswelle und der Abtriebswelle, durch Schaltelemente vorzugsweise automatisch schaltbar ist. Bei den Schaltelementen handelt es sich hier beispielsweise um Kupplungen oder Bremsen. Derartige Getriebe finden vor allem in Kraftfahrzeugen Anwendung, um die Drehzahl- und Drehmomentabgabecharakteristik der Antriebseinheit den Fahrwiderständen des Fahrzeugs in geeigneter Weise anzupassen.
Aus dem Fachbuch LOOMAN Johannes, Zahnradgetriebe, 3. Auflage: Springer, 1996, ISBN 3-540-60336-0, Seite 236–239 ist ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug bekannt, welches eine Eingangswelle, eine Abtriebswelle, zwei Planetenradsätze und insgesamt fünf Schaltelemente aufweist. Durch selektive Betätigung der Schaltelemente sind vier schaltbare Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang zwischen der Eingangswelle und der Abtriebswelle herstellbar.
Die Patentanmeldungen DE 10 2013 002 586 A1 und DE 10 2013 002 587 A1 beschreiben je eine Hybridantriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine, einer Elektromaschine und mit zumindest zwei durch Schaltelemente in unterschiedliche Übersetzungsstufen umschaltbaren Planetengetrieben, die über Eingangselemente und Ausgangselemente mit einer angetriebenen Eingangswelle und einer Abtriebswelle verbindbar sind und deren Reaktionselemente kuppelbar oder festbremsbar sind, sowie mit einer zwischen der Brennkraftmaschine und der Eingangswelle angeordneten Trennkupplung.
Besonders bei Kraftfahrzeugen mit Front-Quer-Antriebsstrang ist darauf zu achten, dass die axiale Baulänge des Getriebes möglichst kurz ist, um den Verbund Antriebseinheit und Getriebe quer zur Fahrrichtung zwischen den Rädern, bzw. zwischen den Längsträgern des Kraftfahrzeugs verbauen zu können. Dies gilt insbesondere für Hybrid-Kraftfahrzeuge mit einer elektrischen Maschine im Hybridantriebsstrang. Denn durch die zusätzliche elektrische Maschine wird die Baulänge des Getriebes üblicherweise vergrößert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, alternative Ausführungsformen für ein Getriebe mit vier Vorwärtsgängen bereitzustellen, welche für die Anwendung im Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges geeignet sind und sich durch eine verkürzte axiale Baulänge auszeichnen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, geeignete Verfahren zum Betrieb eines solchen Getriebes in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs anzugeben.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die weitere Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren.
Das erfindungsgemäße Getriebe weist eine Eingangswelle, eine Hauptwelle, eine zur Hauptwelle achsparallelen Abtriebswelle, einen koaxial zur Hauptwelle angeordneten Planetenradsatz, eine erste und eine zweite Stirnradstufe, eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem mit der Eingangswelle wirkverbunden Rotor, und ein erstes bis viertes Schaltelement auf. Die Wirkverbindung zwischen Rotor und Eingangswelle kann über eine direkte drehfeste Verbindung, oder über eine Übersetzung realisiert sein, beispielsweise über einen Planetenradsatz.
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. Ein Minus-Radsatz bezeichnet einen Planetenradsatz mit einem Steg, an dem die Planetenräder drehbar gelagert sind, mit einem Sonnenrad und mit einem Hohlrad, wobei die Verzahnung zumindest eines der Planetenräder sowohl mit der Verzahnung des Sonnenrades, als auch mit der Verzahnung des Hohlrades kämmt, wodurch das Hohlrad und das Sonnenrad in entgegengesetzte Drehrichtungen rotieren, wenn das Sonnenrad bei feststehendem Steg rotiert. Ein Plus-Radsatz unterscheidet sich zu dem gerade beschriebenen Minus-Planetenradsatz dahingehend, dass der Plus-Radsatz innere und äußere Planetenräder aufweist, welche drehbar an dem Steg gelagert sind. Die Verzahnung der inneren Planetenräder kämmt dabei einerseits mit der Verzahnung des Sonnenrads und andererseits mit der Verzahnung der äußeren Planetenräder. Die Verzahnung der äußeren Planetenräder kämmt darüber hinaus mit der Verzahnung des Hohlrades. Dies hat zur Folge, dass bei feststehendem Steg das Hohlrad und das Sonnenrad in die gleiche Drehrichtung rotieren.
Der Planetenradsatz weist ein erstes, zweites und drittes Element auf. Das erste Element wird durch ein Sonnenrad des Planetenradsatzes gebildet. Ist der Planetenradsatz als ein Minus-Radsatz ausgebildet, so wird das zweite Element durch einen Steg des Planetenradsatzes gebildet, und das dritte Element durch ein Hohlrad des Planetenradsatzes. Ist der Planetenradsatz als ein Plus-Radsatz ausgebildet, so wird das zweite Element durch das Hohlrad des Planetenradsatzes gebildet, und das dritte Element durch den Steg des Planetenradsatzes.
Das erste Element des Planetenradsatzes ist mit der Eingangswelle über das erste Schaltelement verbindbar. Das dritte Element des Planetenradsatzes ist mit der Hauptwelle ständig verbunden. Die Hauptwelle ist über das vierte Schaltelement drehfest festsetzbar, und über das dritte Schaltelement mit der Eingangswelle verbindbar.
Die erste und die zweite Stirnradstufe weisen je ein Zahnrad koaxial zur Hauptwelle und ein Zahnrad koaxial zur Abtriebswelle auf, welche miteinander kämmen. Das zweite Element des Planetenradsatzes ist mit dem Zahnrad der ersten Stirnradstufe, welches koaxial zur Hauptwelle ist, ständig verbunden.
Durch Betätigung der vier Schaltelemente sind insgesamt vier Vorwärtsgänge zwischen der Eingangswelle und der Abtriebswelle vorzugsweise automatisiert schaltbar, wobei die Wirkungsweise der vier Vorwärtsgänge nachfolgend beschrieben ist.
Im ersten Vorwärtsgang ist das dritte Element des Planetenradsatzes drehfest festgesetzt, wobei ein Leistungspfad von der Eingangswelle über das zweite Element des Planetenradsatzes und die erste Stirnradstufe zur Abtriebswelle gebildet wird. Das Festsetzen des dritten Elements des Planetenradsatzes und die Bildung des Leistungspfads werden durch Schließen des vierten und ersten Schaltelements erreicht. Durch die drehfeste Festsetzung des dritten Elements des Planetenradsatzes durch das vierte Schaltelement und die durch Schließen des ersten Schaltelements bestehende Verbindung zwischen der Eingangswelle und dem ersten Element des Planetenradsatzes wird eine Leistungsübertragung über den Planetenradsatz ermöglicht. Über das zweite Element des Planetenradsatzes wird die Leistung über die erste Stirnradstufe zur Abtriebswelle übertragen. Die zweite Stirnradstufe befindet sich nicht im Leistungspfad des Getriebes.
Im zweiten Vorwärtsgang ist das erste Schaltelement geschlossen, wodurch die Eingangswelle mit dem ersten Element des Planetenradsatzes verbunden ist. Durch Schließen des zweiten Schaltelements wird eine Wirkverbindung zwischen dem zweiten und dritten Element des Planetenradsatzes hergestellt. Durch diese Wirkverbindung wird eine definierte Übersetzung zwischen dem zweiten und dritten Element des Planetenradsatzes hergestellt, welche von den Übersetzungen der ersten und zweiten Stirnradstufe abhängt. Die Wirkverbindung verläuft dabei ausgehend vom zweiten Element des Planetenradsatzes über die erste Stirnradstufe, über die Abtriebswelle, über die zweite Stirnradstufe und über die Hauptwelle zum dritten Element des Planetenradsatzes. Wären die Übersetzungen der ersten und zweiten Stirnradstufe ident, so würde die Übersetzung zwischen dem zweiten und dritten Element des Planetenradsatzes den Wert Eins annehmen. Vorzugsweise sind die Übersetzungen der ersten und zweiten Stirnradstufe jedoch unterschiedlich gewählt, sodass sich eine definierte Übersetzung ungleich Eins zwischen dem zweiten und dritten Element des Planetenradsatzes ergibt. Durch die derart vorgegebene Übersetzung zwischen dem zweiten und dritten Element des Planetenradsatzes und die durch Schließen des ersten Schaltelements hergestellte Verbindung zwischen der Eingangswelle und dem ersten Element des Planetenradsatzes wird eine Leistungsübertragung über den Planetenradsatz und die erste Stirnradstufe zur Abtriebswelle ermöglicht. Durch die Wirkverbindung zwischen dem zweiten und dritten Element des Planetenradsatzes, welche über die zweite Stirnradstufe führt, befindet sich auch die zweite Stirnradstufe im Leistungsfluss des Getriebes. Im zweiten Vorwärtsgang befindet sich das Getriebe damit in einem leistungsverzweigten Zustand.
Im dritten Vorwärtsgang ist das erste und dritte Element des Planetenradsatzes miteinander verbunden, wobei ein Leistungspfad von der Eingangswelle über den Planetenradsatz und die erste Stirnradstufe zur Abtriebswelle gebildet wird. Das Verbinden des ersten und dritten Elements des Planetenradsatzes und die Bildung des Leistungspfads werden durch Schließen des ersten und dritten Schaltelements erreicht. Durch die unmittelbare Verbindung zwischen dem ersten und dritten Element des Planetenradsatzes nimmt das Übersetzungsverhältnis zwischen den drei Elementen des Planetenradsatzes den Wert Eins an. Damit wird die Leistung im dritten Vorwärtsgang über den Planetenradsatz und über die erste Stirnradstufe zur Abtriebswelle übertragen. Die zweite Stirnradstufe befindet sich nicht im Leistungspfad des Getriebes.
Im vierten Vorwärtsgang wird durch Schließen des zweiten und dritten Schaltelements ein Leistungspfad von der Eingangswelle über die Hauptwelle und weiter über die zweite Stirnradstufe zur Abtriebswelle gebildet. Da das erste Schaltelement nicht geschlossen ist, kann der Planetenradsatz kein Drehmoment übertragen, und befindet sich daher nicht im Leistungspfad des Getriebes.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird ein Getriebe mit vier Vorwärtsgängen gebildet, welches nur einen Planetenradsatz aufweist. Da auch die im Stand der Technik bekannten Getriebe bereits eine Stirnradstufe aufweisen, um die Abtriebswelle achsparallel nach außen zu führen, kann derart ein Planetenradsatz durch die zweite Stirnradstufe ersetzt werden. Dies führt zu einer Reduktion der axialen Baulänge des Getriebes.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Hauptwelle über das zweite Schaltelement mit dem Zahnrad der zweiten Stirnradstufe verbindbar, welches koaxial zur Hauptwelle ist. Die Zahnräder der ersten und zweiten Stirnradstufe, welche koaxial zur Abtriebswelle sind, sind ständig drehfest mit der Abtriebswelle verbunden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist die Hauptwelle mit dem Zahnrad der zweiten Stirnradstufe, welches koaxial zur Hauptwelle ist, ständig verbunden. Das Zahnrad der zweiten Stirnradstufe, welches koaxial zur Abtriebswelle ist, ist über das zweite Schaltelement mit der Abtriebswelle verbindbar. Das Zahnrad der ersten Stirnradstufe, welches koaxial zur Abtriebswelle ist, ist mit der Abtriebswelle ständig verbunden. In anderen Worten wurde das zweite Schaltelement in der zweiten Ausführungsform im Vergleich zur ersten Ausführungsform auf die Abtriebswelle verschoben. Dadurch kann die axiale Baulänge des Getriebes weiter reduziert werden.
Vorzugsweise ist das vierte Schaltelement als Bandbremse oder Lamellenbremse ausgeführt. Durch eine gehäusenahe Anordnung des vierten Schaltelements ist dieses gut mit Hydraulikfluid erreichbar. Dies vereinfacht die Hydraulikfluidführung des Getriebes.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante ist das vierte Schaltelement als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet. Formschlüssige Schaltelemente stellen im geschlossenen Zustand die Verbindung durch Formschluss her, und zeichnen sich im geöffneten Zustand durch geringere Schleppverluste als kraftschlüssige Schaltelemente aus. Durch die im geöffneten Zustand geringen Schleppverluste wird der Wirkungsgrad des Getriebes verbessert, besonders da das vierte Schaltelement lediglich im ersten Vorwärtsgang geschlossen ist. Das vierte Schaltelement ist daher bei Betrieb des Getriebes im Kraftfahrzeug überwiegend geöffnet. Da das vierte Schaltelement lediglich im ersten Vorwärtsgang geschlossen ist, wird das vierte Schaltelement bei Schaltvorgängen in einen höheren Gang stets geöffnet, aber nicht geschlossen. Ein Öffnen eines Klauen-Schaltelements ist erheblich einfacher als der Schließ-Vorgang, da beim Schließen die Klauen erst in die dafür vorgesehen Lücken einrücken müssen, während beim Öffnen die Klauen lediglich lastfrei gestellt werden müssen. Beide Vorgänge benötigen Zeit, wobei besonders bei Schaltvorgängen von einem niedrigen Gang in einen höheren Gang die Schaltzeit aus fahrdynamischen Gründen möglichst kurz sein soll. Da das vierte Schaltelement bei Schaltvorgängen in einen höheren Gang jedoch nie geschlossen, sondern lediglich geöffnet werden muss, besteht durch die Ausbildung des vierten Schaltelements als formschlüssiges Schaltelement keine Einschränkung hinsichtlich der Schaltdauer.
Vorzugsweise ist das erste Schaltelement als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet. Da das erste Schaltelement lediglich im vierten und damit höchsten Gang geöffnet ist, muss das erste Schaltelement bei einem Schaltvorgang in einen höheren Gang nie geschlossen werden. Daher besteht auch beim ersten Schaltelement durch die Ausbildung als formschlüssiges Schaltelement keine Einschränkung hinsichtlich der Schaltdauer. Zudem verbessert die Ausbildung als formschlüssiges Schaltelement den Wirkungsgrad des Getriebes im vierten Vorwärtsgang.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Rückwärtsgang des Getriebes durch Rückwärtsdrehung des Rotors der elektrischen Maschine gebildet, wobei einer der vier Vorwärtsgänge eingelegt ist. In anderen Worten weist das Getriebe keinen durch eine selektive Betätigung des ersten bis vierten Schaltelements gebildeten Rückwärtsgang auf. Stattdessen wird die elektrische Maschine so betrieben, dass der Rotor entgegen einer Vorzugsdrehrichtung der Eingangswelle rotiert. Durch diese Ausgestaltung kann im Vergleich zum Stand der Technik ein Schaltelement eingespart werden, wodurch die Komplexität des Getriebes und auch dessen Gewicht reduziert wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Getriebe eine Anschlusswelle auf, welche über eine Trennkupplung mit der Eingangswelle verbindbar ist. Die Anschlusswelle kann mit einem Antriebsaggregat verbunden sein, beispielsweise mit einer Verbrennungskraftmaschine.
Die Trennkupplung ist vorzugsweise als eine trockene oder nasse Lamellenkupplung ausgebildet. Eine Lamellenkupplung besteht aus einem Innenlamellenträger und einem Außenlamellenträger, wobei eine Vielzahl von Innenlamellen mit dem Innenlamellenträger verbunden ist, und eine Vielzahl von Außenlamellen mit dem Außenlamellenträger verbunden ist. Die Innenlamellen und Außenlamellen sind alternierend angeordnet und überlappen einander. Wird normal zur Lamellenfläche der Lamellen eine Kraft auf die Lamellen aufgebracht, so wird ein Drehmoment von einem Lamellenträger zum anderen Lamellenträger durch Reibung zwischen Innenlamellen und Außenlamellen übertragen. Das von einem Lamellenträger zum anderen Lamellenträger übertragene Drehmoment hängt dabei von der aufgebrachten Kraft ab. Ist die Kraft groß genug um durch Kraftschluss eine Differenzdrehzahl zwischen Innenlamellen und Außenlamellen zu unterbinden, so wird das gesamte Drehmoment übertragen. Reicht die Kraft dazu nicht aus, so wird nur ein Teil des Drehmoments übertragen, wobei es zu einer Differenzdrehzahl zwischen Innenlamellen und Außenlamellen kommt. Dieser Zustand wird auch als Schlupfbetrieb bezeichnet. Durch Variation der auf die Lamellen aufgebrachten Kraft ist die Drehmomentübertragungsfähigkeit der Trennkupplung einstellbar.
Die Trennkupplung kann auch als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Getriebes verbessert werden, da die Trennkupplung derart im geöffneten Zustand wesentlich geringere Schleppverluste erzeugt als ein kraftschlüssiges Schaltelement, wie beispielsweise eine Lamellenkupplung.
Das Getriebe mitsamt der Trennkupplung kann Bestandteil eines Hybridantriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs sein. Der Hybridantriebsstrang weist neben dem Getriebe auch eine Verbrennungskraftmaschine auf, welche über einen Torsionsschwingungsdämpfer mit der Anschlusswelle des Getriebes verbunden ist. Die Abtriebswelle des Getriebes ist mit einem Achsgetriebe antriebswirkverbunden, durch welches das Drehmoment auf Räder des Kraftfahrzeugs verteilt wird. Der Hybridantriebsstrang ermöglicht mehrere Antriebsmodi des Kraftfahrzeugs. In einem elektrischen Fahrbetrieb wird das Kraftfahrzeug von der elektrischen Maschine des Getriebes angetrieben, wobei die Trennkupplung geöffnet ist. In einem verbrennungsmotorischen Betrieb wird das Kraftfahrzeug von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, wobei die Trennkupplung geschlossen ist. In einem hybridischen Betrieb wird das Kraftfahrzeug sowohl von der Verbrennungskraftmaschine als auch von der elektrischen Maschine des Getriebes angetrieben.
In manchen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs ist ein generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine erforderlich, wobei der Rotor durch die Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Dazu ist die Trennkupplung geschlossen. Sind beide oder eines der beiden Schaltelemente, durch die ein Gang gebildet wird, nicht geschlossen, so wird dabei kein Drehmoment von der Eingangswelle zur Abtriebswelle übertragen. Soll das Kraftfahrzeug in diesem Betriebszustand unmittelbar anfahren, so wird eines der im ersten Vorwärtsgang geschlossenen Schaltelemente vom geöffneten Zustand in einen Schlupfbetrieb überführt, während das andere der im ersten Vorwärtsgang geschlossenen Schaltelemente geschlossen bleibt oder geschlossen wird. Durch das im Schlupfbetrieb befindliche Schaltelement wird Drehmoment von der Eingangswelle zur Abtriebswelle übertragen, wobei die Drehzahl der Abtriebswelle durch Steuerung des Schlupfbetriebs stetig verändert werden kann. Das im Schlupfbetrieb betriebene Schaltelement ist dabei als kraftschlüssiges Schaltelement ausgebildet.
Soll aus dem elektrischen Fahrbetrieb in den verbrennungsmotorischen oder hybridischen Betrieb gewechselt werden, so muss die Verbrennungskraftmaschine gestartet werden. Dies wird bevorzugt durch einen Schleppstart realisiert, bei dem die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine durch die Eingangswelle angetrieben wird. Dazu wird in einem ersten Verfahrensschritt bei eingelegtem Gang und geöffneter Trennkupplung eines der Schaltelemente, welches zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist, in einen Schlupfbetrieb überführt. Das in den Schlupfbetrieb überführte Schaltelement ist dazu als ein kraftschlüssiges Schaltelement ausgebildet, welches mit einer variablen Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgestattet ist. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Drehmomentübertragungsfähigkeit der Trennkupplung erhöht. Die Trennkupplung ist dazu ebenfalls als kraftschlüssiges Schaltelement mit einer variablen Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgebildet. Das vom geschlossenen Zustand in den Schlupfbetrieb überführte Schaltelement dient dazu, die notwendige Startdrehzahl der Kurbelwelle im Falle einer geringen Fahrzeuggeschwindigkeit zu erreichen und etwaige aus dem Startvorgang resultierende Drehmomentstörungen von der Abtriebswelle weitgehend zu entkoppeln.
Vorzugsweise wird beim oben beschriebenen Schleppstart das erste Schaltelement in den Schlupfbetrieb überführt. Da das erste Schaltelement im ersten, zweiten und dritten Vorwärtsgang geschlossen ist, kann der Schleppstart in all diesen Gängen durchgeführt werden. Zudem überträgt das erste Schaltelement im ersten und dritten Vorwärtsgang den gesamten Kraftfluss zur Abtriebswelle. In anderen Worten besteht im ersten und dritten Vorwärtsgang kein Leistungspfad zur Abtriebswelle, welcher nicht über das erste Schaltelement führt. Dadurch wird die Entkopplung der Drehmomentstörungen, die durch den Start der Verbrennungskraftmaschine hervorgerufen werden, zur Abtriebswelle verbessert.
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 in der gegenständlichen Anmeldung insbesondere dann als miteinander verbunden bezeichnet, wenn zwischen den Elementen eine feste, insbesondere drehfeste Verbindung besteht. Derart verbundene Elemente drehen mit der gleichen Drehzahl. Die verschiedenen Bauteile und Elemente der genannten Erfindung können dabei über eine Welle beziehungsweise über ein geschlossenes Schaltelement oder ein Verbindungselement, aber auch direkt, beispielsweise mittels einer Schweiß-, Press- oder einer sonstigen Verbindung, miteinander verbunden sein.
Zwei Elemente werden als verbindbar bezeichnet, wenn zwischen diesen Elementen eine durch ein Schaltelement lösbare drehfeste Verbindung besteht. Wenn die Verbindung besteht, so drehen solche Elemente mit der gleichen Drehzahl.
Ein Leistungspfad ist eine Wirkverbindung zwischen zwei Elementen, über die Drehmoment und Drehzahl zwischen den zwei Elementen übertragen werden können. Die Wirkverbindung kann die zwei Elemente über mehrere Elemente verbinden, wobei Drehmoment, Drehzahl und Drehrichtung zwischen den zwei Elementen durch geeignete Übersetzungsgetriebe, beispielsweise durch einen oder mehrere Planetenradsätze oder Stirnradstufen geändert werden können. Der Leistungspfad kann über geschlossene Schaltelemente führen. Die über den Leistungspfad übertragene Leistung bleibt dabei abgesehen von Reibungs- oder Strömungsverluste des Leistungspfads erhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
1 zeigt schematisch ein Getriebe entsprechend eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
2 zeigt ein Schaltschema des Getriebes.
3 zeigt schematisch ein Getriebe entsprechend eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
4 zeigt einen Hybridantriebstrang eines Kraftfahrzeugs.
1 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Das Getriebe G weist eine Eingangswelle GW1, eine Hauptwelle WH, eine achsparallel zur Hauptwelle WH angeordnete Abtriebswelle GW2, einen koaxial zur Hauptwelle WH angeordneten Planetenradsatz P, eine erste und zweite Stirnradstufe ST1, ST2 und eine elektrische Maschine EM auf, welche einen Stator S und einen Rotor R umfasst. Der Rotor R ist mit der Eingangswelle GW1 verbunden. Darüber hinaus weist das Getriebe G ein erstes Schaltelement K2, ein zweites Schaltelement K3, ein drittes Schaltelement K1 und ein viertes Schaltelement B1 auf.
Der Planetenradsatz P ist als Minus-Radsatz ausgebildet, und weist ein erstes Element E1, ein zweites Element E2 und ein drittes Element E3 auf. Das erste Element E1 ist einem Sonnenrad des Planetenradsatzes P zugeordnet. Das zweite Element E2 ist einem Steg des Planetenradsatzes P zugeordnet. Das dritte Element E3 ist einem Hohlrad des Planetenradsatzes P zugeordnet.
Die erste Stirnradstufe ST1 und die zweite Stirnradstufe ST2 weisen je ein Zahnrad koaxial zur Hauptwelle WH und ein Zahnrad koaxial zur Abtriebswelle GW2 auf, welche miteinander kämmen. Im ersten Ausführungsbeispiel sind die Zahnräder der ersten und zweiten Stirnradstufe ST1, ST2, welche koaxial zur Abtriebswelle GW2 sind, drehfest mit der Abtriebswelle GW2 verbunden. Das Zahnrad der ersten Stirnradstufe ST1, welches koaxial zur Hauptwelle WH ist, ist mit dem zweiten Element E2 des Planetenradsatzes P verbunden.
Durch Schließen des ersten Schaltelements K2 wird eine drehfeste Verbindung zwischen der Eingangswelle GW1 und dem ersten Element E1 des Planetenradsatzes P hergestellt. Durch Schließen des zweiten Schaltelements K3 wird eine drehfeste Verbindung zwischen der Hauptwelle WH und dem Zahnrad der zweiten Stirnradstufe ST2 hergestellt, welches koaxial zur Hauptwelle WH ist. Durch Schließen des dritten Schaltelements K1 wird eine drehfeste Verbindung zwischen der Eingangswelle GW1 und der Hauptwelle WH hergestellt. Durch Schließen des vierten Schaltelements B1 wird die Hauptwelle WH drehfest festgesetzt. Die Hauptwelle WH kann somit bei geschlossenem vierten Schaltelement B1 keine Drehzahl annehmen, da es bei geschlossenem vierten Schaltelement B1 mit einem Gehäuse GG oder mit einem anderen drehfest fixierten Bauelement des Getriebes G verbunden ist. Das Getriebe G weist auch eine Anschlusswelle AN auf, welche über eine Trennkupplung K0 mit der Eingangswelle GW1 verbindbar ist. Die gewählte Darstellung der Schaltelemente K2, K3, K1, B1 und der Trennkupplung K0 ist lediglich schematisch anzusehen, und soll keinen Rückschluss auf die Bauart des Schaltelements geben. Beispielsweise können das erste bis vierte Schaltelement K2, K3, K1, B1 und die Trennkupplung K0 als kraftschlüssige Schaltelemente ausgebildet sein. Insbesondere das erste Schaltelement K2, und/oder das vierte Schaltelement B1, und/oder die Trennkupplung K0 können als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sein.
2 zeigt ein Schaltschema des Getriebes G. Das Getriebe G weist vier Vorwärtsgänge 1 bis 4 auf, welche in den Zeilen des Schaltschemas angeführt sind. In den Spalten des Schaltschemas ist durch ein X dargestellt, welche der Schaltelemente B1, K1, K2, K3 in welchem Gang geschlossen sind. In einem ersten Vorwärtsgang 1 sind das vierte Schaltelement B1 und das erste Schaltelement K2 geschlossen. In einem zweiten Vorwärtsgang 2 sind das zweite Schaltelement K3 und das erste Schaltelement K2 geschlossen. In einem dritten Vorwärtsgang 3 sind das dritte Schaltelement K1 und das erste Schaltelement K2 geschlossen. In einem vierten Vorwärtsgang 4 sind das zweite Schaltelement K3 und das dritte Schaltelement K1 geschlossen. Dieses Schaltschema gilt für sämtliche Ausführungsformen der Erfindung.
3 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist das zweite Schaltelement K3 im zweiten Ausführungsbeispiel nun an der Abtriebswelle GW2 angeordnet. Infolgedessen ist das Zahnrad der zweiten Stirnradstufe ST2, welches koaxial zur Hauptwelle WH ist, mit der Hauptwelle WH verbunden. Das Zahnrad der zweiten Stirnradstufe ST2, welches koaxial zur Abtriebswelle GW2 ist, ist mit der Abtriebswelle GW2 verbindbar.
4 zeigt einen Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Der Hybridantriebsstrang weist eine Verbrennungskraftmaschine VKM auf, die über einen Torsionsschwingungsdämpfer TS mit der Anschlusswelle AN des Getriebes G verbunden ist. Die Abtriebswelle GW2 ist mit einem Achsgetriebe AG antriebswirkverbunden. Vom Achsgetriebe AG ausgehend wird die Leistung, die an der Abtriebswelle GW2 anliegt, auf Räder DW des Kraftfahrzeugs verteilt. Im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine EM wird dem Stator S über einen nicht dargestellten Wechselrichter elektrische Leistung zugeführt. Im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine EM führt der Stator S dem Wechselrichter elektrische Leistung zu. Der Wechselrichter wandelt dabei die Gleichspannung einer nicht dargestellten Batterie in eine für die elektrische Maschine EM geeignete Wechselspannung, und umgekehrt.
Bezugszeichen

G

Getriebe

GW1

Eingangswelle

GW2

Abtriebswelle

GG

Gehäuse

WH

Hauptwelle

P

Planetenradsatz

EM

Elektrische Maschine

R

Rotor

S

Stator

E1

Erstes Element des Planetenradsatzes

E2

Zweites Element des Planetenradsatzes

E3

Drittes Element des Planetenradsatzes

K2

Erstes Schaltelement

K3

Zweites Schaltelement

K1

Drittes Schaltelement

B1

Viertes Schaltelement

K0

Trennkupplung

ST1

Erste Stirnradstufe

ST2

Zweite Stirnradstufe

1

Erster Vorwärtsgang

2

Zweiter Vorwärtsgang

3

Dritter Vorwärtsgang

4

Vierter Vorwärtsgang

AN

Anschlusswelle

VKM

Verbrennungskraftmaschine

DW

Räder

AG

Achsgetriebe

TS

Torsionsschwingungsdämpfer

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 102013002586 A1 [0004]
DE 102013002587 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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

Claims

Getriebe (G) mit einer Eingangswelle (GW1), einer Hauptwelle (WH), einer zur Hauptwelle (WH) achsparallelen Abtriebswelle (GW2), einem koaxial zur Hauptwelle (WH) angeordneten Planetenradsatz (P), einer ersten Stirnradstufe (ST1), einer zweiten Stirnradstufe (ST2), einer elektrischen Maschine (EM) mit einem Stator (S) und einem mit der Eingangswelle (GW1) wirkverbundenen Rotor (R), einem ersten Schaltelement (K2), einem zweiten Schaltelement (K3), einem dritten Schaltelement (K1) und einem vierten Schaltelement (B1), wobei der Planetenradsatz (P) ein erstes Element (E1) ein zweites Element (E2) und ein drittes Element (E3) aufweist, wobei das erste Element (E1) durch ein Sonnenrad des Planetenradsatzes (P) gebildet ist, wobei das zweite Element (E2) im Falle eines Minus-Radsatzes durch einen Steg und im Falle eines Plus-Radsatzes durch ein Hohlrad des Planetenradsatzes (P) gebildet ist, wobei das dritte Element (E3) im Falle eines Minus-Radsatzes durch das Hohlrad und im Falle eines Plus-Radsatzes durch den Steg des Planetenradsatzes (P) gebildet ist, wobei die erste Stirnradstufe (ST1) und die zweite Stirnradstufe (ST2) je ein Zahnrad koaxial zur Hauptwelle (WH) und ein Zahnrad koaxial zur Abtriebswelle (GW2) aufweisen, welche miteinander kämmen, wobei das erste Element (E1) des Planetenradsatzes (P) über das erste Schaltelement (K2) mit der Eingangswelle (GW1) verbindbar ist, wobei das zweite Element (E2) des Planetenradsatzes (P) mit dem Zahnrad der ersten Stirnradstufe (ST1), welches koaxial zur Hauptwelle (WH) ist, ständig verbunden ist, wobei das dritte Element (E3) des Planetenradsatzes (P) mit der Hauptwelle (WH) ständig verbunden ist, wobei die Hauptwelle (WH) über das vierte Schaltelement (B1) drehfest festsetzbar ist und über das dritte Schaltelement (K1) mit der Eingangswelle (GW1) verbindbar ist, wobei durch Betätigung der vier Schaltelemente (K2, K3, K1, B2) insgesamt vier Vorwärtsgänge (1, 2, 3, 4) zwischen der Eingangswelle (GW1) und der Abtriebswelle (GW2) vorzugsweise automatisiert schaltbar sind, – wobei im erstem Vorwärtsgang (1) durch Schließen des vierten und ersten Schaltelements (B1, K2) das dritte Element (E3) des Planetenradsatzes (P) drehfest festgesetzt ist und ein Leistungspfad von der Eingangswelle (GW1) über das zweite Element (E2) des Planetenradsatzes (P) und die erste Stirnradstufe (ST1) zur Abtriebswelle (GW2) gebildet wird, – wobei im zweiten Vorwärtsgang (2) das erste Schaltelement (K2) geschlossen ist und das zweite Element (E2) des Planetenradsatzes (P) durch Schließen des zweiten Schaltelements (K3) mit dem dritten Element (E3) des Planetenradsatzes (P) über die erste Stirnradstufe (ST1), die Abtriebswelle (GW2) und die zweite Stirnradstufe (ST2) wirkverbunden ist, sodass eine durch die Übersetzungen der ersten und zweiten Stirnradstufe (ST1, ST2) definierte Übersetzung zwischen dem zweiten und dem dritten Element (E2, E3) des Planetenradsatzes (P) hergestellt ist, wodurch die Leistung von der Eingangswelle (GW1) über die erste Stirnradstufe (ST1) und die zweite Stirnradstufe (ST2) leistungsverzweigt zur Abtriebswelle (GW2) führt, – wobei im dritten Vorwärtsgang (3) durch Schließen des dritten und ersten Schaltelements (K1, K2) das erste und das dritte Element (E1, E3) des Planetenradsatzes (P) miteinander verbunden sind und ein Leistungspfad von der Eingangswelle (GW1) über den Planetenradsatz (P) und die erste Stirnradstufe (ST1) zur Abtriebswelle (GW2) gebildet wird, und – wobei im vierten Vorwärtsgang (4) durch Schließen des zweiten und dritten Schaltelements (K3, K1) ein Leistungspfad von der Eingangswelle (GW1) über die zweite Stirnradstufe (ST2) zur Abtriebswelle (GW2) gebildet wird.
Getriebe (G) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptwelle (WH) über das zweite Schaltelement (K3) mit dem Zahnrad der zweiten Stirnradstufe (ST2) verbindbar ist, welches koaxial zur Hauptwelle (WH) ist, wobei die Zahnräder der ersten und zweiten Stirnradstufe (ST1, ST2), welche koaxial zur Abtriebswelle (GW2) sind, ständig drehfest mit der Abtriebswelle (GW2) verbunden sind.
Getriebe (G) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptwelle (WH) mit dem Zahnrad der zweiten Stirnradstufe (ST2), welches koaxial zur Hauptwelle (WH) ist, ständig verbunden ist, wobei das Zahnrad der zweiten Stirnradstufe (ST2), welches koaxial zur Abtriebswelle (GW2) ist, über das zweite Schaltelement (K3) mit der Abtriebswelle (GW2) verbindbar ist, und wobei das Zahnrad der ersten Stirnradstufe (ST1), welches koaxial zur Abtriebswelle (GW2) ist, mit der Abtriebswelle (GW2) ständig verbunden ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Schaltelement (B1) als Bandbremse ausgeführt ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Schaltelement (B1) als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (K2) als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückwärtsgang des Getriebes (G) durch Rückwärtsdrehung des Rotors (R) und Betrieb in einem der vier Vorwärtsgänge (1, 2, 3, 4) gebildet wird.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (G) eine Anschlusswelle (AN) aufweist, welche über eine Trennkupplung (K0) mit der Eingangswelle (GW1) verbindbar ist.
Getriebe (G) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung (K0) als trockene oder nasse Lamellenkupplung ausgebildet ist.
Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung (K0) als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet ist.
Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, wobei der Hybridantriebsstrang eine Verbrennungskraftmaschine (VKM), ein Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 8 bis 10 sowie ein mit Rädern (DW) des Kraftfahrzeugs verbundenes Achsgetriebe (AG) aufweist, wobei die Anschlusswelle (AN) des Getriebes (G) über einen Torsionsschwingungsdämpfer (TS) mit der Verbrennungskraftmaschine (VKM) verbunden ist und die Abtriebswelle (GW2) des Getriebes (G) mit dem Achsgetriebe (AG) antriebswirkverbunden ist, wobei das Kraftfahrzeug bei geöffneter Trennkupplung (K0) in einem elektrischen Fahrbetrieb von der elektrischen Maschine (EM) antreibbar ist, wobei das Kraftfahrzeug bei geschlossener Trennkupplung (K0) in einem verbrennungsmotorischen Betrieb von der Verbrennungskraftmaschine (VKM) allein antreibbar ist, und wobei das Kraftfahrzeug in einem hybridischen Betrieb von der Verbrennungskraftmaschine (VKM) und von der elektrischen Maschine (EM) antreibbar ist.
Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebsstranges nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren des Kraftfahrzeugs bei geschlossener Trennkupplung (K0) eines der im ersten Vorwärtsgang (1) geschlossenen Schaltelemente (B1, K2) vom geöffneten Zustand in einen Schlupfbetrieb überführt wird und das andere der im ersten Vorwärtsgang (1) geschlossenen Schaltelemente (B1, K2) geschlossen ist, wodurch bei gegebener Drehzahl der Eingangswelle (GW1) eine Drehzahl der Abtriebswelle (GW2) stetig verändert werden kann, wobei das in den Schlupfbetrieb überführte Schaltelement (B1, K2) durch ein kraftschlüssiges Schaltelement gebildet ist, welches mit einer variablen Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgestattet ist.
Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebsstrangs nach Anspruch 12, wobei die Trennkupplung (K0) als kraftschlüssiges Schaltelement mit variabler Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im elektrischen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs in einem ersten Verfahrensschritt bei eingelegtem Vorwärtsgang (1, 2, 3, 4) eines der Schaltelemente (K2, K3, K1, B1), welches zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist, in einen Schlupfbetrieb überführt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die Drehmomentübertragungsfähigkeit der Trennkupplung (K0) erhöht wird, wodurch die Verbrennungskraftmaschine (VKM) gestartet wird, wobei das im ersten Verfahrensschritt in den Schlupfbetrieb überführte Schaltelement (K2, K3, K1, B1) durch ein kraftschlüssiges Schaltelement gebildet ist, welches mit einer variablen Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgestattet ist.
Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebsstrangs nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das im ersten Verfahrensschritt in den Schlupfbetrieb überführte Schaltelement das erste Schaltelement (K2) ist.