DE102014220973A1

DE102014220973A1 - Getriebe für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102014220973A1
Application number: DE102014220973.0A
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) für ein Hybridfahrzeug, mit einer Eingangswelle (GW1), einer Abtriebswelle (GW2), einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz (P1, P2), einem ersten Schaltelement (K2), einem zweiten Schaltelement (K3), einem dritten Schaltelement (K1), und einem vierten Schaltelement (B1), einer Anschlusswelle (AN), einer elektrische Maschine (EM) mit einem Stator (S) und einem mit der Eingangswelle (GW1) wirkverbundenen Rotor (R), und einer Trennkupplung (K0) zum schaltbaren Verbinden von Anschlusswelle (AN) und Eingangswelle (GW1), wobei der erste und der zweite Planetenradsatz (P1, P2) je ein erstes Element (E11, E12) ein zweites Element (E21, E22) und ein drittes Element (E31, E32) aufweisen, wobei das erste Element (E12) des zweiten Planetenradsatzes (P2) durch Schließen des vierten Schaltelements (B1) drehfest festsetzbar ist, wobei das zweite Element (E22) des zweiten Planetenradsatzes (P2) durch Schließen des zweiten Schaltelements (K3) mit der Abtriebswelle (GW2) verbindbar ist, wobei das dritte Element (E32) des zweiten Planetenradsatzes (P2) ständig drehfest festgesetzt ist, wobei das Getriebe (G) eine erste Koppelung (V1) eine zweite Koppelung (V2) und eine dritte Koppelung (V3) aufweist, wobei die erste Koppelung (V1) zwischen der Eingangswelle (GW1) und dem zweiten Element (E21) des ersten Planetenradsatzes (P1) besteht, wobei die zweite Koppelung (V2) zwischen dem dritten Element (E31) des ersten Planetenradsatzes (P1) und der Abtriebswelle (GW2) besteht, wobei die dritte Koppelung (V3) zwischen dem ersten Element (E11) des ersten Planetenradsatzes (P1) und dem ersten Element (E12) des zweiten Planetenradsatzes (P2) besteht, wobei zwei der drei Koppelungen (V1, V2, V3) als ständig drehfeste Verbindungen ausgebildet sind, und die verbleibende der drei Koppelungen (V1, V2, V3) als eine mittels des ersten Schaltelements (K2) schaltbare Verbindung ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Hybridfahrzeug, mit einer Eingangswelle, einer Abtriebswelle, einem ersten und zweiten Planetenradsatz, einem ersten bis vierten Schaltelement, einer elektrischen Maschine, einer Anschlusswelle und einer Trennkupplung. Die Erfindung betrifft ferner einen Hybridantriebsstrang für ein Hybridfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Hybridantriebsstranges.
Ein Getriebe bezeichnet hier insbesondere ein mehrgängiges Getriebe, bei dem insgesamt vier Gänge, also vier feste Übersetzungsverhältnisse zwischen der Eingangswelle und der Abtriebswelle, durch Schaltelemente vorzugsweise automatisch schaltbar sind. 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 gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. 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.
Aufgabe der Erfindung ist es, alternative Ausführungsformen der im Stand der Technik bekannten Getriebe bereitzustellen. 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 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren.
Das erfindungsgemäße Getriebe umfasst eine Eingangswelle, eine Abtriebswelle, einen ersten und einen zweiten Planetenradsatz, vier Schaltelemente, eine Anschlusswelle, eine elektrische Maschine mit einem drehfesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor, sowie eine Trennkupplung. Die Anschlusswelle ist über die Trennkupplung mit der Eingangswelle verbindbar. Der Rotor ist mit der Eingangswelle wirkverbunden. Die Wirkverbindung kann durch eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Rotor und der Eingangswelle, oder auch durch ein geeignetes Übersetzungsgetriebe ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines Planetenradsatzes.
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.
Sowohl der erste als auch der zweite Planetenradsatz weisen je ein erstes, zweites und drittes Element auf. Das erste Element wird durch ein Sonnenrad des jeweiligen 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.
Durch Schließen des vierten Schaltelements ist das erste Element des zweiten Planetenradsatzes drehfest festsetzbar, indem es über das vierte Schaltelement mit einem Gehäuse oder mit einem anderen drehfesten Bauelement des Getriebes verbunden wird. Durch Schließen des zweiten Schaltelements wird eine drehfeste Verbindung zwischen dem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle hergestellt. Das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes ist ständig drehfest festgesetzt, indem es mit einem Gehäuse oder einem anderen drehfesten Bauelement des Getriebes ständig verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Getriebe weist eine erste Koppelung, eine zweite Koppelung und eine dritte Koppelung auf. Die erste Koppelung besteht zwischen der Eingangswelle und dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes. Die zweite Koppelung besteht zwischen dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle. Die dritte Koppelung besteht zwischen dem ersten Element des ersten Planetenradsatzes und dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes. Zwei der drei Koppelungen sind durch ständig drehfeste Verbindungen gebildet, während die verbleibende der drei Koppelungen durch eine schaltbare Verbindung gebildet ist. Bei dem Schaltelement in der schaltbaren Verbindung handelt es sich um das erste Schaltelement.
Die unter den Anspruch 1 fallenden Ausführungsformen des Getriebes zeichnen sich durch einen guten Verzahnungswirkungsgrad, durch einen einfachen Aufbau sowie durch geringe Bauteilbelastungen aus.
Durch das ständig drehfest festgesetzte dritte Element des zweiten Planetenradsatzes wird der Zusammenbau des Getriebes erleichtert. Zudem wird durch die ständige drehfeste Festsetzung des dritten Elements des zweiten Planetenradsatzes die Zentrierung der Getriebe-Komponenten vereinfacht.
Ist die erste oder die dritte Koppelung als eine schaltbare Verbindung ausgebildet, so wird durch Schließen des dritten Schaltelements eine drehfeste Verbindung zwischen der Eingangswelle und dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes hergestellt. Ist die zweite Koppelung als eine schaltbare Verbindung ausgebildet, so wird durch Schließen des dritten Schaltelements eine drehfeste Verbindung zwischen zwei der drei Elemente des ersten Planetenradsatzes hergestellt, also zwischen Sonnenrad und Steg, oder zwischen Sonnenrad und Hohlrad oder zwischen Steg und Hohlrad. Das erfindungsgemäße Getriebe zeichnet daher durch eine große Flexibilität in der konstruktiven Umsetzung aus.
Durch selektives Betätigen des ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelements sind vier Vorwärtsgänge zwischen der Eingangswelle und der Abtriebswelle vorzugsweise automatisiert schaltbar. Der erste Vorwärtsgang wird durch Schließen des zweiten Schaltelements und des dritten Schaltelements gebildet. Der zweite Vorwärtsgang wird durch Schließen des zweiten Schaltelements und des ersten Schaltelements gebildet. Der dritte Vorwärtsgang wird durch Schließen des dritten Schaltelements und des ersten Schaltelements gebildet. Der vierte Vorwärtsgang wird durch Schließen des vierten Schaltelements und des ersten Schaltelements gebildet. Dadurch wird, bei geeigneter Wahl der Standgetriebeübersetzung des Planetenradsatzes und der Übersetzungen der ersten und zweiten Stirnradstufe, eine für die Anwendung im Kraftfahrzeug gut geeignete Übersetzungsreihe erzielt. Zudem weisen zwei benachbarte Gänge stets ein Schaltelement auf, das in beiden diesen Gängen geschlossen ist. Bei einem Schaltvorgang in einen benachbarten Gang muss daher nur ein Schaltelement geöffnet und ein Schaltelement geschlossen werden. Dies vereinfacht den Schaltvorgang und verkürzt die Schaltdauer.
Vorzugsweise ist das zweite 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 zweite Schaltelement lediglich im ersten und zweiten Vorwärtsgang geschlossen ist. Da das zweite Schaltelement lediglich im ersten und zweiten Vorwärtsgang geschlossen ist, bleibt das zweite Schaltelement bei Schaltvorgängen in einen höheren Gang entweder geschlossen oder wird geöffnet, wird 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 zweite Schaltelement bei Schaltvorgängen in einen höheren Gang jedoch nie geschlossen, sondern lediglich geöffnet werden muss, besteht durch die Ausbildung des zweiten Schaltelements als formschlüssiges Schaltelement keine Einschränkung hinsichtlich der Schaltdauer.
Vorzugsweise ist das vierte Schaltelement als hydraulisch betätigte Bandbremse oder Lamellenbremse ausgebildet. Durch die gehäusenahe Anordnung ist das vierte Schaltelement gut mit Hydraulikfluid erreichbar. Dies vereinfacht die Hydraulikfluidführung des Getriebes.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Rückwärtsgang des Getriebes durch Rückwärtsdrehung des Rotors der elektrischen Maschine gebildet, wobei die Trennkupplung geöffnet ist und einer der vier Vorwärtsgänge eingelegt ist. In anderen Worten weist das Getriebe keinen durch eine selektive Betätigung des ersten, zweiten, dritten und 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 Ausführungsform ist die Trennkupplung als eine trockene oder nasse Lamellenkupplung ausgebildet. Eine Lamellenkupplung besteht aus einem Innenlamellenträger und einem Außenlamellenträger, wobei eine Vielzahl von Innenlamellen mit dem Innenlamellenträger verbunden ist, und eine Vielzahl von Außenlamellen mit dem Außenlamellenträger verbunden ist. Die Innenlamellen und Außenlamellen sind alternierend angeordnet und überlappen einander. Wird normal zur Lamellenfläche der Lamellen eine Kraft auf die Lamellen aufgebracht, so wird ein Drehmoment von einem Lamellenträger zum anderen Lamellenträger durch Reibung zwischen Innenlamellen und Außenlamellen übertragen. Das von einem Lamellenträger zum anderen Lamellenträger übertragene Drehmoment hängt dabei von der aufgebrachten Kraft ab. Ist die Kraft groß genug um durch Kraftschluss eine Differenzdrehzahl zwischen Innenlamellen und Außenlamellen zu unterbinden, so wird das gesamte Drehmoment übertragen. Reicht die Kraft dazu nicht aus, so wird nur ein Teil des Drehmoments übertragen, wobei es zu einer Differenzdrehzahl zwischen Innenlamellen und Außenlamellen kommt. Dieser Zustand wird auch als Schlupfbetrieb bezeichnet. Durch Variation der auf die Lamellen aufgebrachten Kraft ist die Drehmomentübertragungsfähigkeit des ersten Schaltelements einstellbar.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Trennkupplung als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Getriebes verbessert werden, da die Trennkupplung im geöffneten Zustand wesentlich geringere Schleppverluste erzeugt als ein kraftschlüssiges Schaltelement, wie beispielsweise eine Lamellenkupplung.
Das Getriebe kann Bestandteil eines Hybridantriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs 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, welches das Drehmoment auf Räder des Hybridfahrzeugs verteilt. Der Hybridantriebsstrang ermöglicht mehrere Antriebsmodi des Hybridfahrzeugs. In einem elektrischen Fahrbetrieb wird das Hybridfahrzeug allein von der elektrischen Maschine des Getriebes angetrieben, wobei die Trennkupplung geöffnet ist. In einem verbrennungsmotorischen Betrieb wird das Hybridfahrzeug allein von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, wobei die Trennkupplung geschlossen ist. In einem hybridischen Betrieb wird das Hybridfahrzeug sowohl von der Verbrennungskraftmaschine als auch von der elektrischen Maschine des Getriebes angetrieben.
In manchen Betriebszuständen des Hybridfahrzeugs 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 Hybridfahrzeug 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 ersten, zweiten, dritten oder vierten 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 dritte Schaltelement in den Schlupfbetrieb überführt. Da das dritte Schaltelement im ersten und dritten Vorwärtsgang geschlossen ist, kann der Schleppstart in all diesen Gängen durchgeführt werden. Zudem überträgt das dritte Schaltelement im ersten Vorwärtsgang den gesamten Kraftfluss zur Abtriebswelle. In anderen Worten besteht im ersten Vorwärtsgang kein Leistungspfad zur Abtriebswelle, welcher nicht über das dritte 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 schematisch ein Getriebe entsprechend eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
5 zeigt schematisch ein Getriebe entsprechend eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
6 zeigt schematisch ein Getriebe entsprechend eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung.
7 zeigt schematisch ein Getriebe entsprechend eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
8 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 Abtriebswelle GW2, eine Anschlusswelle AN, einen ersten Planetenradsatz P1, einen zweiten Planetenradsatz P2 und eine elektrische Maschine EM auf, welche einen Stator S und einen Rotor R umfasst. Erster und zweiter Planetenradsatz P1, P2 sind als Minus-Radsätze ausgebildet, und weisen je ein erstes Element E11, E12, ein zweites Element E21, E22 und ein drittes Element E31, E32 auf. Das erste Element E11, E12 ist einem Sonnenrad des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2 zugeordnet. Das zweite Element E21, E22 ist einem Steg des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2 zugeordnet. Das dritte Element E31, E32 ist einem Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2 zugeordnet.
Der erste Planetenradsatz P1 und/oder der zweite Planetenradsatz P2 könnten auch als Plus-Radsatz ausgebildet sein. Der Übersichtlichkeit halber sind diese Ausführungen nicht figürlich dargestellt. Wäre beispielsweise der erste Planetenradsatz P1 als Plus-Radsatz ausgebildet, so wäre das zweite Element E21 dem Hohlrad, und das dritte Element E31 dem Steg des ersten Planetenradsatzes P1 zugeordnet. Das erste Element E11 wäre weiterhin dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes P1 zugeordnet. Wird ein Minus-Radsatz durch einen Plus-Radsatz ersetzt, so muss der Betrag der Standgetriebeübersetzung dieses Planetenradsatzes um den Wert Eins erhöht werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen.
Das Getriebe G weist insgesamt vier Schaltelemente K2, K3, K1, B1 und eine Trennkupplung K0 auf. Durch Schließen des ersten Schaltelements K2 wird eine drehfeste Verbindung zwischen der Eingangswelle GW1 und dem zweiten Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 hergestellt. Durch Schließen des zweiten Schaltelements K3 wird eine drehfeste Verbindung zwischen dem zweiten Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 und der Abtriebswelle GW2 hergestellt. Durch Schließen des dritten Schaltelements K1 wird eine drehfeste Verbindung zwischen der Eingangswelle GW1 und dem ersten Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 hergestellt. Durch Schließen des vierten Schaltelements B1 wird das zweite Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 drehfest festgesetzt, indem es über das vierte Schaltelement B1 mit dem Gehäuse GG oder mit einem anderen drehfesten Bauelement des Getriebes G verbunden wird. Durch Schließen der Trennkupplung K0 wird eine drehfeste Verbindung zwischen der Anschlusswelle AN und der Eingangswelle GW1 hergestellt.
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 sämtliche Schaltelemente K2, K3, K1, B1 und die Trennkupplung K0 als kraftschlüssige Schaltelemente ausgebildet sein. Insbesondere das zweite Schaltelement K3 und/oder die Trennkupplung K0 können als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sein, beispielsweise als Klauen-Schaltelement.
Das erste Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 ist mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 ständig verbunden. Das dritte Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 ist mit der Abtriebswelle GW2 ständig verbunden. Der Rotor R der elektrischen Maschine EM ist ständig mit der Eingangswelle GW1 verbunden. Das dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 ist durch eine Anbindung an das Gehäuse GG oder an ein anderes drehfestes Bauelement des Getriebes G ständig drehfest festgesetzt.
Das Getriebe G weist eine erste Koppelung V1, eine zweite Koppelung V2 und eine dritte Koppelung V3 auf. Die erste Koppelung V1 besteht zwischen der Eingangswelle GW1 und dem zweiten Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1. Die zweite Koppelung V2 besteht zwischen dem dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 und der Abtriebswelle GW2. Die dritte Koppelung V3 besteht zwischen dem ersten Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 und dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2.
Die Abtriebswelle GW2 bildet eine Schnittstelle, an der die an der Abtriebswelle GW2 anliegende Leistung radial nach außen führbar ist. Dies wird durch einen nicht dargestellten Stirnradsatz realisiert. Dazu ist die Abtriebswelle GW2 mit einem Zahnrad des Stirnradsatzes verbunden, welches mit einem anderen Zahnrad des Stirnradsatzes kämmt, dessen Drehachse achsparallel zur Drehachse der Abtriebswelle GW2 ist. Diese Anordnung ist besonders für die Anwendung des Getriebes G in einem Front-Quer-Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs geeignet.
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 K2, K3, K1, B1 in welchem Gang geschlossen sind. In einem ersten Vorwärtsgang 1 sind das zweite Schaltelement K3 und das dritte Schaltelement K1 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 vierte Schaltelement B1 und das erste Schaltelement K2 geschlossen. Dieses Schaltschema gilt für sämtliche Ausführungsformen.
3 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die axiale Anordnung des ersten und zweiten Planetenradsatzes P1, P2 vertauscht, und die Eingangswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 sind an gegenüberliegenden axialen Enden des Getriebes G koaxial zueinander angeordnet. Diese Anordnung ist besonders für die Anwendung des Getriebes G in einem Front-Längs-Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs geeignet. Eine derartige Anordnung von erstem und zweitem Planetenradsatz P1 und P2, sowie Eingangswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 ist für sämtliche Ausführungsformen anwendbar. Das Getriebe G ist daher für verschiedenste Antriebsstrang-Konfigurationen geeignet.
4 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines dritten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist die Eingangswelle GW1 mit dem zweiten Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 nun ständig verbunden. Die erste Koppelung V1 ist somit als eine ständig drehfeste Verbindung ausgebildet. Das erste Schaltelement K2 ist nun im Kraftfluss zwischen dem dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 und der Abtriebswelle GW2 angeordnet, und damit in der zweiten Koppelung V2. Durch Schließen des dritten Schaltelements K1 wird eine drehfeste Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Element E11, E21 des ersten Planetenradsatzes P1 hergestellt.
5 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines vierten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zum dritten Ausführungsbeispiel ist das erste Schaltelement K2 nun in der dritten Koppelung V3 angeordnet, und verbindet demnach das erste Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2. Das dritte Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 ist somit wieder ständig mit der Abtriebswelle GW2 verbunden.
6 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines fünften Ausführungsbeispiels. In alternativer Ausführung zum dritten Ausführungsbeispiel ist das dritte Schaltelement K1 nun im Kraftfluss zwischen dem ersten und dritten Element E11, E31 des ersten Planetenradsatzes P1 angeordnet. Durch die Anordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel wird die gleiche technische Wirkung erzielt wie im dritten Ausführungsbeispiel.
7 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines sechsten Ausführungsbeispiels. In alternativer Ausführung zum dritten und fünften Ausführungsbeispiel ist das dritte Schaltelement K1 nun im Kraftfluss zwischen dem zweiten und dritten Element E21, E31 des ersten Planetenradsatzes P1 angeordnet. Durch die Anordnung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel wird die gleiche technische Wirkung erzielt wie im dritten und fünften Ausführungsbeispiel.
8 zeigt schematisch einen Hybridantriebsstrang eines Hybridfahrzeugs. 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

AN

Anschlusswelle

GG

Gehäuse

P1

Erster Planetenradsatz

P2

Zweiter Planetenradsatz

EM

Elektrische Maschine

R

Rotor

S

Stator

E11

Erstes Element des ersten Planetenradsatzes

E21

Zweites Element des ersten Planetenradsatzes

E31

Drittes Element des ersten Planetenradsatzes

E12

Erstes Element des zweiten Planetenradsatzes

E22

Zweites Element des zweiten Planetenradsatzes

E32

Drittes Element des zweiten Planetenradsatzes

K2

Erstes Schaltelement

K3

Zweites Schaltelement

K1

Drittes Schaltelement

B1

Viertes Schaltelement

K0

Trennkupplung

V1

Erste Koppelung

V2

Zweite Koppelung

V3

Dritte Koppelung

1

Erster Vorwärtsgang

2

Zweiter Vorwärtsgang

3

Dritter Vorwärtsgang

4

Vierter Vorwärtsgang

VKM

Verbrennungskraftmaschine

DW

Räder

AG

Achsgetriebe

TS

Torsionsschwingungsdämpfer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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) für ein Hybridfahrzeug, mit einer Eingangswelle (GW1), einer Abtriebswelle (GW2), einem ersten und einem zweiten Planetenradsatz (P1, P2), einem ersten Schaltelement (K2), einem zweiten Schaltelement (K3), einem dritten Schaltelement (K1), und einem vierten Schaltelement (B1), einer Anschlusswelle (AN), einer elektrische Maschine (EM) mit einem Stator (S) und einem mit der Eingangswelle (GW1) wirkverbundenen Rotor (R), und einer Trennkupplung (K0) zum schaltbaren Verbinden von Anschlusswelle (AN) und Eingangswelle (GW1), wobei der erste und der zweite Planetenradsatz (P1, P2) je ein erstes Element (E11, E12) ein zweites Element (E21, E22) und ein drittes Element (E31, E32) aufweisen, wobei das erste Element (E11, E12) durch ein Sonnenrad des Planetenradsatzes (P1, P2) gebildet ist, wobei das zweite Element (E21, E22) im Falle eines Minus-Radsatzes durch einen Steg und im Falle eines Plus-Radsatzes durch ein Hohlrad des Planetenradsatzes (P1, P2) gebildet ist, wobei das dritte Element (E31, E32) im Falle eines Minus-Radsatzes durch das Hohlrad und im Falle eines Plus-Radsatzes durch den Steg des Planetenradsatzes (P1, P2) gebildet ist, wobei das erste Element (E12) des zweiten Planetenradsatzes (P2) durch Schließen des vierten Schaltelements (B1) drehfest festsetzbar ist, wobei das zweite Element (E22) des zweiten Planetenradsatzes (P2) durch Schließen des zweiten Schaltelements (K3) mit der Abtriebswelle (GW2) verbindbar ist, wobei das dritte Element (E32) des zweiten Planetenradsatzes (P2) ständig drehfest festgesetzt ist, wobei das Getriebe (G) eine erste Koppelung (V1) eine zweite Koppelung (V2) und eine dritte Koppelung (V3) aufweist, wobei die erste Koppelung (V1) zwischen der Eingangswelle (GW1) und dem zweiten Element (E21) des ersten Planetenradsatzes (P1) besteht, wobei die zweite Koppelung (V2) zwischen dem dritten Element (E31) des ersten Planetenradsatzes (P1) und der Abtriebswelle (GW2) besteht, wobei die dritte Koppelung (V3) zwischen dem ersten Element (E11) des ersten Planetenradsatzes (P1) und dem ersten Element (E12) des zweiten Planetenradsatzes (P2) besteht, wobei zwei der drei Koppelungen (V1, V2, V3) als ständig drehfeste Verbindungen ausgebildet sind, und die verbleibende der drei Koppelungen (V1, V2, V3) als eine mittels des ersten Schaltelements (K2) schaltbare Verbindung ausgebildet ist.
Getriebe (G) für ein Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die dritte Koppelung (V1, V3) als eine schaltbare Verbindung ausgebildet ist, wobei durch Schließen des dritten Schaltelements (K1) eine drehfeste Verbindung zwischen der Eingangswelle (GW1) und dem ersten Element (E12) des zweiten Planetenradsatzes (P2) herstellbar ist.
Getriebe (G) für ein Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Koppelung (V2) als eine schaltbare Verbindung ausgebildet ist, wobei durch Schließen des dritten Schaltelements (K1) eine drehfeste Verbindung zwischen zwei der drei Elemente (E11, E21, E31) des ersten Planetenradsatzes (P1) herstellbar ist.
Getriebe (G) für ein Hybridfahrzeug nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Betätigung der vier Schaltelemente (K2, K3, K1, K3) insgesamt vier Vorwärtsgänge (1, 2, 3, 4) zwischen der Eingangswelle (GW1) und der Abtriebswelle (GW2) vorzugsweise automatisiert schaltbar sind, wobei der erste Vorwärtsgang (1) durch Schließen des zweiten Schaltelements (K3) und des dritten Schaltelements (K1) gebildet wird, wobei der zweite Vorwärtsgang (2) durch Schließen des zweiten Schaltelements (K3) und des ersten Schaltelements (K2) gebildet wird, wobei der dritte Vorwärtsgang (3) durch Schließen des dritten Schaltelements (K1) und des ersten Schaltelements (K2) gebildet wird, und wobei der vierte Vorwärtsgang (4) durch Schließen des vierten Schaltelements (B1) und des ersten Schaltelements (K2) gebildet wird.
Getriebe (G) für ein Hybridfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltelement (K3) als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet ist.
Getriebe (G) für ein Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Schaltelement (B1) als Bandbremse ausgebildet ist.
Getriebe (G) für ein Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückwärtsgang des Getriebes (G) durch Rückwärtsdrehung des Rotors (R) bei geöffneter Trennkupplung (K0) und Betrieb in einem der vier Vorwärtsgänge (1, 2, 3, 4) gebildet wird.
Getriebe (G) für ein Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung (K0) als trockene oder nasse Lamellenkupplung ausgebildet ist.
Getriebe (G) für ein Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung (K0) als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet ist.
Hybridantriebsstrang für ein Hybridfahrzeug, wobei der Hybridantriebsstrang eine Verbrennungskraftmaschine (VKM), ein Getriebe (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 sowie ein mit Rädern (DW) des Hybridfahrzeug 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 Hybridfahrzeug bei geöffneter Trennkupplung (K0) in einem elektrischen Fahrbetrieb von der elektrischen Maschine (EM) allein antreibbar ist, wobei das Hybridfahrzeug bei geschlossener Trennkupplung (K0) in einem verbrennungsmotorischen Betrieb von der Verbrennungskraftmaschine (VKM) allein antreibbar ist, und wobei das Hybridfahrzeug in einem hybridischen Betrieb von der Verbrennungskraftmaschine (VKM) und von der elektrischen Maschine (EM) antreibbar ist.
Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebsstranges nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren des Hybridfahrzeugs bei geschlossener Trennkupplung (K0) eines der im ersten Vorwärtsgang (1) geschlossenen Schaltelemente (K3, K1) vom geöffneten Zustand in einen Schlupfbetrieb überführt wird und das andere der im ersten Vorwärtsgang (1) geschlossenen Schaltelemente (K3, K1) 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 (K3, K1) durch ein kraftschlüssiges Schaltelement gebildet ist, welches mit einer variablen Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgestattet ist.
Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebsstrangs nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung (K0) als kraftschlüssiges Schaltelement mit variabler Drehmomentübertragungsfähigkeit ausgebildet ist, wobei im elektrischen Fahrbetrieb des Hybridfahrzeugs in einem ersten Verfahrensschritt bei eingelegtem Vorwärtsgang (1, 2, 3, 4) das erste, zweite, dritte oder vierte Schaltelement (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 12, dadurch gekennzeichnet, dass das im ersten Verfahrensschritt in den Schlupfbetrieb überführte Schaltelement das dritte Schaltelement (K1) ist.