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Die Erfindung betrifft ein Getriebe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Getriebe sind in Kraftfahrzeugen seit langem bekannt. Getriebe dienen der Übertragung einer Antriebsbewegung auf den Antriebsstrang beispielsweise eines Kraftfahrzeugs und der Anpassung der Drehzahl des Antriebs an die benötigte Drehzahl des Abtriebs. Dabei sind manuell betätigbare Schaltgetriebe, automatisch gesteuerte Stufengetriebe oder stufenlos einstellbare Getriebe bekannt. In neuerer Zeit sind Hybridantriebe mit Verbrennungsmotoren und Elektromotoren bekannt geworden, die elektrische Maschinen im Antriebsstrang zusätzlich zum Verbrennungsmotor aufweisen. Solche Getriebe mit elektrischer Maschine sind beispielsweise durch die
DE 10 2012 221 881 A1 bekannt geworden.
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Solche Getriebe weisen noch Potential zur Verbesserung auf.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Getriebe zu schaffen, welches einfach aufgebaut ist und den Anforderungen an hohem Fahrkomfort, eine vereinfachte Bedienung und reduzierten Energieverbrauch genügt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Getriebe mit zumindest einer Eingangswelle zur Verbindung mit einem Antrieb, zumindest einer Ausgangswelle zur Verbindung mit einem Abtrieb und mit einer Mehrzahl vom Leistungssträngen zwischen Eingangswelle und Ausganswelle, wobei jeder Leistungsstrang eingangsseitig mit der Eingangswelle verbindbar ist, welcher mit einen Eingang eines Summationsgetriebes verbunden ist, wobei ein weiterer Eingang des Summationsgetriebes mit einem elektrischen Antrieb verbindbar ist und ein weiterer Eingang des Summationsgetriebes mit einem nachgeschalteten Teilgetriebe verbunden ist, welches ausgangsseitig mit der Ausgangswelle verbunden ist, wobei zwischen der Eingangswelle und zumindest einem der Summationsgetriebe in zumindest einem Leistungsstrang und/oder zwischen zumindest einem Ausgang eines Summationsgetriebes und einem Eingang eines Teilgetriebes eine Kupplungs-, Brems- und/oder Verriegelungsvorrichtung vorgesehen ist.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Kupplungsvorrichtung eine Reibungskupplung ist. Auch ist es zweckmäßig, wenn die Bremsvorrichtung eine Bremse gegen fest ist und/oder die Verriegelungsvorrichtung eine formschlüssige Vorrichtung gegen fest ist.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kupplungsvorrichtung mit der Brems- und/oder Verriegelungsvorrichtung in Reihe geschaltet ist.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Getriebe zwischen verschiedenen Betriebsarten umschaltbar ist, wobei zumindest eine der Kupplungs-, Brems- und/oder Verriegelungsvorrichtungen umgeschaltet werden um zwischen den Betriebszuständen umzuschalten.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Summationsgetriebe ein Planetengetriebe ist. Hierbei kann es sich insbesondere um ein +Planetensatz (Wendesatz) oder ein –Planetensatz handeln.
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Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, wenn in einem Betriebsmodus eine mechanische Drehmomentübertragung zwischen der Getriebeeingangswelle und der Getriebeausgangswelle erfolgt.
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Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorteilhaft, wenn in einem Betriebsmodus eine Drehmomentübertragung zwischen der Getriebeeingangswelle und den elektrischen Maschinen bei einzelnen, manchen oder allen Leistungsstränge erfolgt. Dabei kann es auftreten, dass kein oder nur ein untergeordneter Leistungsfluss über einen Eingang, insbesondere den dritten Eingang, des Summationsgetriebes vorliegt.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, wenn in einem Betriebsmodus zumindest einem der Leistungsstränge eine Drehmomentübertragung zwischen den zugehörigen elektrischen Maschinen und der Getriebeausgangswelle erfolgt. Dabei kann es auftreten, wenn kein oder nur ein untergeordneter Leistungsfluss über einen Eingang, insbesondere den ersten Eingang, des Summationsgetriebes erfolgt. Auch ist es zweckmäßig, wenn in einem Betriebsmodus in den Leistungssträngen keine oder keine wesentliche Drehmomentübertragungen zwischen den einzelnen Komponenten Getriebeeingangswelle, elektrischen Maschinen und Getriebeausgangswelle untereinander erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert:
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Dabei zeigen:
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1 eine Ansicht des Funktionsprinzips eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebes,
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2 eine Ansicht des Funktionsprinzips eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebes,
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3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebes,
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4 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebes wobei zwei von drei Leistungssträngen dargestellt sind,
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5 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebes, wobei der dritte der drei Leistungssträngen ergänzend zu 4 dargestellt ist,
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6 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebes.
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Die 1 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Getriebe 20 mit einer Eingangswelle 40 und einer Ausgangswelle 60, wobei die Eingangswelle 40 mit einem Antrieb 45 verbindbar ist. Dabei ist der Antrieb 45 beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine. Zusätzlich zu dem Antrieb 45 kann elektrische Maschine 43 vorgesehen sein, welche parallel zum Antrieb 45 geschaltet werden kann. Dabei kann die elektrische Maschine 43 auch vom Antrieb 45 angetrieben werden.
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Die zusätzliche elektrische Maschine 43 ermöglicht eine Betriebsart des Getriebes 20 als rein elektrisches Getriebe. Hierfür wird die Drehmomentübertragung zwischen dem Antrieb 45 und der Getriebeeingangswelle 40 beispielsweise mittels einer Kupplung unterbrochen und die Getriebeeingangswelle 40 gegen weiteres Verdrehen mittels einer Bremse oder einer Verriegelung abgestützt. Der Antrieb 45 treibt die zusätzliche elektrische Maschine 43 an, welche im Generatorbetrieb elektrische Energie erzeugt. Mit dieser elektrischen Energie können die weiteren elektrischen Maschinen 400, 500, 600 die Getriebeausgangswelle 60 antreiben.
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Dabei ist die elektrische Maschine 43 optional und kann auch entfallen. Die zusätzliche elektrische Maschine 43 ist in Fällen vorteilhaft, in welchen eine ungerade Anzahl paralleler Leistungsstränge vorliegt.
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Es werden im Folgenden Ausgestaltungen des Getriebes und von Verfahrensweisen zum Betreiben eines Getriebes vorgeschlagen, wodurch es ermöglicht wird, auch ohne oder auch mit einer zusätzlichen elektrische Maschine 43 das Getriebe 20 als rein elektrisches Getriebe zu nutzen und auch weitere Funktionen für ein Hybridfahrzeug vorteilhaft umzusetzen.
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Hierfür werden die Trennkupplung und die Bremse in die einzelnen Leistungsstränge verlegt, so dass die einzelnen Leistungsstränge individuell als reiner elektrischer Generator, reiner elektrischer Abtrieb oder als modulierter Leistungsstrang mit mechanischer Drehmomentübertragung betrieben werden kann.
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Die 1 erläutert dabei ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Getriebe 20 weist eine Eingangswelle 40 und eine Ausgangswelle 60 auf, wobei zwischen der Eingangswelle 40 und der Ausgangswelle 60 eine Mehrzahl von Leistungssträngen 21, 22, 23 vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß werden einzelne oder alle Leistungsstränge 21, 22, 23 um steuerbare Kupplungen 782, 882, 982 und/oder andere Schaltvorrichtungen ergänzt. Diese Kupplungen 782, 882, 982 ermöglichen es, die Drehmomentübertagung zwischen der Getriebeeingangswelle 40a und den Eingängen 101, 201, 301 der in den Leistungssträngen 21, 22, 23 angeordneten Summationsgetriebe 100, 200, 300 zu unterbrechen. Weiterhin werden bei diesen Leistungssträngen 21, 22, 23 ansteuerbare Bremsen 781, 881, 981 und/oder eine Sperrvorrichtungen oder eine andere Art einer Verriegelung der Eingänge 101, 201, 301 gegen Drehbewegungen ergänzt. Die einzelnen Kupplungen 782, 882, 982 und die einzelnen Bremsen 781, 881, 981 können vorteilhaft als Teilgetriebe realisiert werden, siehe auch die 3 und 4, so dass diese in 1 jeweils zu Schaltbaugruppen 705, 805, 905 zusammengefasst sind.
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Zusätzlich kann bei einem oder mehreren Leistungssträngen 21, 22, 23 individuell die Drehmomentübertragung zwischen den Eingängen 103, 203, 303 der Summationsgetriebe 100, 200, 300 und der Getriebeausgangswelle 60 unterbrochen werden und die Eingänge 103, 203, 303 gegen Drehbewegungen abgestützt werden. Die Unterbrechung der Drehmomentübertragung zur Getriebeausgangswelle 60 kann mittels steuerbarer Kupplungen 784, 884, 984 und/oder anderer Schaltvorrichtungen und/oder durch Einlegen eines neutralen Ganges in den entsprechenden Teilgetrieben 700, 800, 900 erfolgen. Die Abstützung gegen Drehbewegungen der entsprechenden Eingänge 103, 203, 303 der Summationsgetriebe 100, 200, 300 kann durch steuerbare Bremsen 783, 883, 983 oder andere Verriegelungen erfolgen.
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Auch kann die Abstützung der Eingänge 103, 203, 303 gegen Drehbewegungen mittels Einlegen eines möglichst hohen Ganges im entsprechenden Teilgetriebe 700, 800, 900 erfolgen. Dieser möglichst hohe Gang in den Teilgetrieben 700, 800, 900 ist vorteilhaft derart definiert, dass sich bei diesem Gang, im Vergleich zu den anderen Gängen des gleichen Leistungsstranges, bei gleichem Eingangsdrehmoment ein möglichst kleines Drehmoment an der Getriebeausgangswelle 60 ergibt.
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Dadurch können die einzelnen Leistungsstränge 21, 22, 23 auch unabhängig voneinander in folgenden Betriebsarten betrieben werden:
- – Es erfolgt eine modulierte mechanische Drehmomentübertragung zwischen der Getriebeeingangswelle 40 und Getriebeausgangswelle 60. Diese Betriebsart wird im weiteren Text auch als „Betriebsart mit mechanischer Drehmomentübertragung" bezeichnet.
- – Es erfolgt eine Drehmomentübertragung zwischen der Getriebeeingangswelle 40 und den elektrischen Maschinen 400, 500, 600 bei einzelnen, manchen oder allen Leistungsstränge 21, 22, 23. In den entsprechenden Leistungssträngen 21, 22, 23 erfolgt vorteilhaft keine oder eine betragsmäßig nur untergeordnete Drehmomentübertragung (z.B. weniger als 10 % des gesamten übertragenen Drehmoments) zwischen den zugehörigen elektrischen Maschinen 400, 500, 600 und der Getriebeausgangswelle 60. Diese Betriebsart wird im Weiteren auch als „Starter-/Generator Betriebsart" bezeichnet.
- – In den entsprechenden Leistungssträngen 21, 22, 23 erfolgt eine Drehmomentübertragung zwischen den zugehörigen elektrischen Maschinen 400, 500, 600 und der Getriebeausgangswelle 60. In den entsprechenden Leistungssträngen 21, 22, 23 erfolgt vorteilhaft keine oder eine betragsmäßig nur untergeordnete Drehmomentübertragung (z.B. weniger als 10 % des gesamten an der Eingangswelle wirkenden Drehmoment) von der Getriebeeingangswelle 40 zu den elektrischen Maschinen 400, 500, 600. Diese Betriebsart wird im Weiteren als „Betriebsart mit elektrischem Abtrieb" bezeichnet.
- – In den entsprechenden Leistungssträngen 21, 22 23 erfolgen keine bedeutenden Drehmomentübertragungen (z.B. weniger als 10 % des maximalen übertragbaren Drehmoments) der einzelnen Komponenten Getriebeeingangswelle 40, elektrischen Maschinen 400, 500, 600 und Getriebeausgangswelle 60 untereinander. Diese Betriebsart wird im Weiteren als „Betriebsart mit unterbrochener Drehmomentübertragung" bezeichnet.
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Zusätzlich zu den Schaltbaugruppen 705, 805, 905 und/oder den Kombinationen aus Bremsen 783, 883, 983 und Kupplungen 784, 884, 984 können solche Kombinationen aus Bremsen und Kupplungen auch in der Gesamteingangswelle 40 vorgesehen. Es kann auch vorgesehen sein, dass solche Kombinationen von Bremsen und Kupplungen einmalig und ausschließlich auf der Gesamteingangswelle 40 statt in den entsprechenden Leistungssträngen 21, 22, 23 vorgesehen sind.
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Statt Bremsen 781, 881, 981, 783, 883, 983 können, zumindest auch teilweise Freiläufe oder steuerbare Freiläufe verwendet werden.
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In 2 sind die ersten drei Betriebsarten vereinfacht in den einzelnen Leistungssträngen 21b, 22b, 23b dargestellt:
Der Leistungsstrang 21 schematisiert die „Betriebsart mit mechanischer Drehmomentübertragung". Der Eingang 101 des Summationsgetriebes 100 ist mit der Getriebeeingangswelle 40 verbunden und der Eingang 103 des Summationsgetriebes 100 ist über das Teilgetriebe 700 mit der Getriebeausgangswelle 60 verbunden. Das Drehmoment der elektrischen Maschine 400 beeinflusst das Drehmoment zur Getriebeeingangswelle 40 und zur Getriebeausgangswelle 60. Mittels der Drehzahl der elektrischen Maschine 400 kann das Drehzahlverhältnis zwischen Getriebeeingangswelle 40 und der Getriebeausgangswelle 60 in Grenzen variiert werden.
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Der Leistungsstrang 22 schematisiert die „Starter-/Generator Betriebsart". Der Eingang 201 des Summationsgetriebes 200 ist mit der Getriebeeingangswelle 40 verbunden und der Eingang 203 des Summationsgetriebes 200 wird mittels der Bremse 883 gegen Drehbewegungen abgestützt. Der Eingang 801 zum Teilgetriebe 800 ist mittels der Kupplung 884 vom Leistungsfluss getrennt. Das Drehmoment der elektrischen Maschine 500 wirkt auf die Getriebeeingangswelle 40.
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Der Leistungsstrang 23 schematisiert die „Betriebsart mit elektrischem Abtrieb". Der Eingang 303 des Summationsgetriebes 300 ist über das Teilgetriebe 900 mit der Getriebeausgangswelle 60 verbunden und der Eingang 301 des Summationsgetriebes 300 wird mittels der Bremse 981 gegen Drehbewegungen abgestützt. Der Eingang 301 des Summationsgetriebes 300 ist mittels der Kupplung 982 von der Getriebeeingangswelle 40 getrennt. Das Drehmoment der elektrischen Maschine 600 wirkt über das Teilgetriebe 900 auf die Getriebeausgangswelle 60.
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Die in 2 gezeigte Kombination der drei unterschiedlichen Betriebsarten kann in einem real implementierten Getriebe durchaus auch auftreten. Der Leistungspfad 22 wirkt als elektrischer Generator, während gleichzeitig die elektrische Maschine 600 vom Leistungsstrang 23 die Getriebeausgangswelle 60 elektrisch antreibt. Der Leistungsstrang 21 wurde bereits in die „Betriebsart mit mechanischer Drehmomentübertragung" geschaltet und überträgt mechanische Leistung von der Getriebeeingangswelle 40 zur Getriebeausgangswelle 60, während seine elektrische Maschine 400 je nach Betriebspunkt elektrische Leistung erzeugt oder verbraucht. Je nach Ansteuerung der elektrischen Maschinen 400, 500, 600 ist die Summe der erzeugten und verbrauchten elektrischen Leistung (inklusive der Verlustleistung) gleich Null, oder es entsteht ein Überschuss oder ein Bedarf an elektrischer Energie welcher beispielsweise mit einer Batterie 46, elektrischem Energiespeicher oder einer anderen elektrischen Energiequelle und / oder Senke ausgetauscht wird.
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Das Umschalten der einzelnen Leistungsstränge 21, 22, 23 kann ohne Unterbrechung des Drehmomentes an der Getriebeausgangswelle 60 erfolgen. Dies ist gewährleistet, indem mindestens einer der Leistungsstränge 21, 22, 23 die Getriebeausgangswelle antreibt, während einer oder mehrere der anderen der Leistungssträngen 21, 22, 23 umgeschaltet werden. Selbstverständlich ist die maximal verfügbare mechanische Leistung an der Getriebeausgangwelle durch die zur Verfügung stehende elektrische Leistung aus der Batterie 46, der maximal verfügbaren Leistung der elektrischen Maschinen, was betriebspunktabhängig sein kann, und die Anzahl der Leistungsstränge welche die Getriebeausgangswelle 60 antreiben, begrenzt.
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Das Umschalten der Betriebsart eines der Leistungsstränge 21, 22, 23 erfolgt nach folgendem Ablauf:
Die zum zu schaltenden Leistungsstrang gehörende elektrische Maschine 400 oder 500 oder 600 wird derart angesteuert, dass das Drehmoment im entsprechenden Leistungsstrang ausreichend reduziert wird, so dass die drehmomentfeste Verbindung des Einganges 101 oder 201 oder 301 oder des Einganges 103 oder 203 oder 303 gelöst werden kann. Wobei die drehmomentfeste Verbindung sowohl eine Abstützung gegen Fest oder eine Verbindung mit der Eingangswelle oder zu den Eingängen der Teilgetriebe sein können. Anschließend wird die elektrische Maschine 400 oder 500 oder 600 derart angesteuert, dass die neue einzukuppelnde Verbindung 782 oder 882 oder 982 oder 784 oder 884 oder 984 mit synchroner oder ausreichend ähnlicher Drehzahl (Drehzahlunterschied kleiner als 10, 20 oder 50 1/min) dreht, so dass die neue Verbindung hergestellt werden kann. Bei einer Ausführung der Verbindungen 782, 882, 982, 784, 884, 984 als Reibungskupplungen bzw. der Verriegelungen 781, 783, 881, 883, 981, 983 als Bremsen können die Anforderungen für die Reduzierung des Drehmomentes vor dem Trennen und die Synchronisierung vor dem erneuten Verbinden auch abgeschwächt werden.
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Diese Änderungen ermöglichen beispielsweise folgende Funktionen des Gesamtgetriebes:
- – Rein elektrischer Antrieb der Getriebeausgangswelle 60 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Einer oder mehrere Leistungsstränge 21, 22, 23 werden in der „Betriebsart mit elektrischem Abtrieb" verwendet und treiben die Getriebeausgangswelle 60 an. Dabei werden die Übersetzungen in den Getrieben 700, 800, 900 so gewählt, dass die elektrischen Maschinen im oder nahe des optimalen Betriebspunkts betrieben werden können. Wobei als optimale Betriebspunkte zum Beispiel das Leistungsmaximum oder das Effizienzmaximum verwendet werden kann. In dem alle Leistungsstränge 21, 22, 23 zum Antreiben der Getriebeausgangswelle 60 verwendet werden, kann ein deutlich höheres Drehmoment an der Getriebeausgangswelle erzeugt werden, als bei Verwendung mit dem Antrieb 45.
- – Rein elektrisches Antreiben der Getriebeausgangswelle 60 und bei Bedarf gleichzeitiges Starten des Antriebs 45 mittels zumindest einer der elektrischen Maschinen 400, 500, 600 von einem oder mehreren der Leistungsstränge 21, 22, 23. Falls der Antrieb 45 ein Verbrennungsmotor nach dem Hubkolbenprinzip ist, so erzeugt dieser während des Startens starke Drehschwingungen. Um diese Schwingungen wirksam von der Getriebeausgangswelle 60 zu entkoppeln, können die zum Starten des Antriebs 45 verwendeten Leistungsstränge 21, 22, 23 in der „Starter-/Generator Betriebsart" verwendet werden. Die Leistungsstränge 21, 22, 23, die während des Starten des Antriebs 45 die Getriebeausgangswelle 60 antreiben, werden in der „Betriebsart mit elektrischem Abtrieb" betrieben. Durch diese Wahl der Betriebsarten der Leistungsstränge 21, 22, 23 können die Leistungsschwankungen des Antriebs 45 mittels des elektrischen Energiespeichers 46 und einer geeigneten Ansteuerung der elektrischen Maschinen 400, 500, 600 effektiv gefiltert werden, so dass sich die Drehschwingungen des Antriebes 45 nicht oder nur mit geringe Amplitude auf die Getriebeausgangswelle 60 auswirken.
- – Starten des Antriebs 45 mit deutlich erhöhtem Drehmoment, indem alle Leistungsstränge 21, 22, 23 hierzu verwendet werden. Dies kann evtl. sinnvoll sein bei sehr kalten Temperaturen. Um Wirkungen auf die Getriebeausgangswelle 60 zu vermeiden, werden die Leistungsstränge 21, 22, 23 in der „Betriebsart Starter-/Generator" betrieben.
- – Verwenden des Getriebes 20 als rein elektrisches Getriebe. Bei laufendem Antrieb 45 werden einer oder mehrere der Leistungsstränge 21, 22, 23 in der „Betriebsart Starter-/Generator" verwendet. Gleichzeitig werden einer oder mehrere Leistungsstränge 21, 22, 23 in der „Betriebsart mit elektrischem Antrieb der Getriebeausgangswelle" verwendet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Antrieb 45 bei geringer Drehzahl betrieben wird und in diesem Betriebspunkt starke Drehschwingungen erzeugt, welche sich nicht auf die Getriebeausgangswelle 60 auswirken sollen. Mittels des elektrischen Getriebes und entsprechend ausgelegtem Energiespeicher und Leistungselektronik können die Drehschwingungen des Antriebs 45 wirksam gefiltert werden. Weiterhin können bei geeigneter Ansteuerung der elektrischen Maschinen 400, 500, 600 der Leistungsstränge 21, 22, 23 in der „Betriebsart Starter-/Generator" die Drehungleichförmigkeit des Antriebs 45 reduziert werden, so dass mechanische Schwungräder und Schwingungsdämpfer kleiner ausgelegt werden können.
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In Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf während des Rückwärtsfahrens, kann das Getriebe ohne mechanischen Rückwärtsgang ausgeführt sein, da die Funktion des Rückwärtsgangs mittels des elektrischen Getriebes ausgeführt werden kann.
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Verwenden des Getriebes in einer Mischform aus obigen Anwendungsfällen. Hierfür werden einer oder mehrere der Leistungsstränge 21, 22, 23 in der „Betriebsart mit mechanischer Drehmomentübertragung" betrieben und gleichzeitig einer oder mehrere der Leistungsstränge 21, 22, 23 in der „Betriebsart mit elektrischem Abtrieb" betrieben. Die elektrischen Maschinen 400, 500, 600 der Leistungsstränge 21, 22, 23 in der „Betriebsart mit elektrischem Abtrieb" werden mittels eine Überschusses erzeugter elektrischer Energie der anderen Leistungsstränge und oder aus dem elektrischen Energiespeicher 46 versorgt. Diese Mischform ermöglicht ein höheres Drehmoment an der Getriebeausgangswelle 60 als bei einer reinen Verwendung des Getriebes wie oben beschrieben.
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Zwischen den einzelnen Funktionen kann je nach Leistungsbedarf und gewünschtes Antriebsverhalten an der Getriebeausgangswelle beliebig umgeschaltet werden und es versteht sich von selber, dass bei ausreichender Anzahl an parallelen Leistungssträngen auch verschiedene Mischformen betrieben werden können.
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Einige der obigen Funktionsweisen des Getriebes erfordern eine leistungsstarke Batterie 46 oder eine andere elektrische Energiequelle. Je nach Anforderungen und der Anzahl an verfügbaren parallelen Leistungssträngen 21, 22, 23 wird für die Zeiten während des Umschaltens von einer Funktionsweise in eine andere eine ausreichend leistungsstarke Batterie 46 oder elektrische Energiequelle benötigt. Vorzugsweise wird eine Kombination aus Kurzzeitspeicher, wie beispielsweise ein Superkondensator und/oder ein Langzeitspeicher, wie beispielsweise eine Batterie, verwendet, so dass die kurzfristigen Leistungsspitzen mit dem Kondensator ausgetauscht werden und die Batterie die Aufgabe der Versorgung der Dauerlasten übernimmt.
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3 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführung eines Getriebes 20 mit 2 parallelen individuell koppelbaren Leistungssträngen 21, 23 und insgesamt 6 schaltbaren Vorwärtsgängen in den Teilgetrieben 700 und 900 zwischen den Summationsgetrieben 100, 300 und der Getriebeausgangswelle 60. Die elektrischen Maschinen 400, 600 sind bei dieser Ausführung nicht mehr mit den Sonnenrädern 116, 316 der Summationsgetriebe 100, 300 verbunden, sondern treiben über weitere Zahnrädern 460, 660 die Hohlräder 112, 312 an. Die Vorteile sind, dass die elektrischen Maschinen 400, 600 neben dem Getriebe 20 bzw. lateral des Getriebes angeordnet werden können und nicht mehr zwangsweise in der Verlängerung des Getriebes. Weiterhin kann die schaltbare Verbindung zwischen der Getriebeeingangswelle 40 und den Eingängen der Summationsgetriebe 100, 300 einfacher realisiert werden, da keine Hohlwelle benötigt wird. Weiterhin können über die zusätzlichen Zahnräder 460 und 660 und den Holrädern 112 und 312 die elektrischen Maschinen 400, 600 optimal an die Anforderungen bezüglich Drehzahl und Drehmoment angepasst werden.
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Weiterhin wurden im Leistungsstrang 21 in der Schaltbaugruppe 705 zwei unterschiedliche Übersetzungen zwischen der Getriebeeingangswelle 40 zur Welle 799 realisiert. Hierdurch kann die Drehzahl des Antriebs 45 bei Bedarf an den Drehzahlbereich der elektrischen Maschine 400 angepasst werden. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn der Leistungsstrang 21 in der „Starter-/Generator Betriebsart" betrieben wird. Die Schaltbaugruppe 905 im Leistungsstrang 23 ist mit nur einer Übersetzung zwischen Getriebeeingangswelle 40 und der Welle 999 dargestellt. Es ist auch möglich, dass beide Schaltbaugruppen 705 und 905 der Leistungsstränge 21, 23 ähnlich der Schaltbaugruppe 705 oder ähnlich der Schaltbaugruppe 905 ausgeführt sein können.
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Die Verriegelung 795 im Leistungsstrang 20 hat den Vorteil, dass im geöffneten Zustand die Reibungsverluste aufgrund der Verschiebemuffe 796 entfallen, da diese sich nicht dreht. Ähnlich wie beim Leistungsstrang 23, kann die Verriegelung der Wellen 999, 704 und 904 gegen Drehbewegungen mit einer ähnlichen Baugruppe 795 wie für die Welle 799 erfolgen.
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Die 4 und 5 zeigen jeweils ein Getriebe 20 mit drei parallelen Leistungssträngen und insgesamt 6 schaltbaren Gängen in den Teilgetrieben 700, 800, 900. Um ein Getrieberasseln durch aufeinander schlagende Zahnflanken zu vermeiden wurden die Schaltbaugruppen 705, 805 mittels verschiebbaren Zahnrädern ausgeführt. Leistungsstränge 21, 22 die nicht von der Getriebeeingangswelle 40 angetrieben werden, wenn sich diese in der „Starter-/Generator Betriebsart" befinden, sind komplett und vorteilhaft auch nicht über leerlaufende Zahnräder mit der Getriebeeingangswelle 40 verbunden.
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Weiterhin wurden in der Darstellung der 4, 5 unterschiedliche Anordnungen der elektrischen Maschinen 400, 500, 600 dargestellt, welche je nach Platzverhältnissen vorteilhaft sein können. Die Anordnungen der elektrischen Maschinen 400 und 500 mit langen Wellen 461, 561 ist vorteilhaft, wenn die elektrischen Maschinen einen zu großen Durchmesser haben, so dass diese nicht neben dem Getriebe angeordnet werden können. Indem weiterhin diese Wellen 461, 561, 661 als drehfedernde Elemente realisiert werden, können die Beschleunigungen aufgrund der durch den Verbrennungsmotor erzeugten Drehschwingungen reduziert werden.
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Zur Mehrfachverwendung einzelner Komponenten, sind die Teilgetriebe 700, 800, 900 in den 4, 5 jeweils ähnlich aufgebaut. Gleiches gilt für die Schaltgruppen 705, 805. Die unterschiedlichen Gesamtübersetzungen der einzelnen Leistungsstränge 21, 22, 23 werden durch unterschiedliche Übersetzungen in den Summationsgetrieben 100, 200, 300 realisiert. Alternativ könnten die unterschiedlichen Gesamtübersetzungen zwischen den einzelnen Leistungssträngen 21, 22, 23 auch in den Schaltgruppen 705, 805, 905 oder in den Teilgetrieben 700, 800, 900 realisiert werden.
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Um die Anzahl der Komponenten zu begrenzen und somit die Herstellkosten zu optimieren, wurde beim Leistungsstrang 23 die Schaltbaugruppe 905 ohne schaltbare Elemente ausgeführt, so dass dieser Leistungsstrang 23 nicht ohne weitere Komponenten, wie beispielsweise Kupplung und Bremse auf der Getriebeeingangswelle 40 – in der „Betriebsart mit elektrischem Abtrieb" verwendet werden kann. Weiterhin wurde unter der Annahme, dass der Leistungsstrang 21 selten in der „Starter-/Generator Betriebsart" verwendet wird, auf eine gesonderte Sperre gegen Drehbewegungen der Welle 704 verzichtet. Falls der Leistungsstrang 21 dennoch in der „Starter-/Generator Betriebsart" verwendet werden soll, kann die Abstützung gegen Drehbewegungen der Welle 704 mittels eines Einlegens eines möglichst hohen Gangs erfolgen.
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Vorteilhaft kann die Anzahl der schaltbaren Gänge mittels zumindest einer Nachschaltbaugruppe erweitert werden.
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Falls nur zwei parallele Leistungsstränge erwünscht sind, kann dies durch Weglassen einer der Leistungsstränge 21, 22, 23 realisiert werden, wodurch sich die Anzahl der schaltbaren Gänge reduziert. Beispielsweise könnte ein Getriebe mit vier schaltbaren Gängen realisiert werden, gemäß der Darstellung in 4. Falls mehr als vier schaltbare Gänge benötigt werden, so kann dies beispielsweise mittels Nachschaltbaugruppen erfolgen.
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Das Getriebe 20 hat keinen eigenen Rückwärtsgang, da mittels der Funktion als elektrisches Getriebe eine ausreichende Funktionalität als Rückwärtsgang realisiert werden kann.
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Mit den beschriebenen Getrieben ergeben sich die nachfolgenden Vorteile:
- – Fahrbetrieb mit elektrischem Getriebe ohne mechanische Kopplung zwischen Getriebeeingangswelle und Getriebeausgangswelle zur effizienten Dämpfung von Drehschwingungen an der Getriebeeingangswelle.
- – Rein elektrisches Fahren und Starten des Verbrennungsmotors ist bei Bedarf ohne Rückkopplung auf den Fahrbetrieb möglich. Nach einem Hochlaufen des Verbrennungsmotors können die Verzahnungen der Kopplung des Leistungsstranges synchronisiert werden und der Leistungsstrang ohne weitere Synchronisationseinrichtungen mit dem Leistungsstrang antriebstechnisch verbunden werden.
- – Individuelles An- und Abkoppeln eines jeden Leistungsstranges vom Verbrennungsmotor, wobei dennoch der Leistungsstrang mittels seiner elektrischen Maschine weiterhin das Fahrzeug antreiben kann.
- – Flexibles Zuschalten und Abschalten des Verbrennungsmotors ohne aufwendige Synchronisationseinrichtungen und ohne nachteilige Auswirkungen auf den Fahrbetrieb des Fahrzeuges.
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Die 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Getriebes. Der Antrieb 45 ist in Kombination mit einem modulierten Schaltgetriebe 20 mit individuell koppelbaren Leistungssträngen 21, 22, einer zusätzlichen elektrischen Maschine 43 zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle 40, welche mittels einer Kupplung 44 von der Kurbelwelle trennbar ausgeführt ist und optional einem Abtrieb zu einem Klimakompressor 42 ausgestaltet, so dass der Klimakompressor durch die zusätzliche elektrische Maschine 43 angetrieben werden kann.
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Aufgrund der individuell koppelbaren Leistungsstränge 21, 22 kann die effektive Gesamtspreizung des Getriebes 20 erweitert werden, in dem einer oder beide Leistungsstränge 21, 22 rein elektrisch angetrieben wird. Dies kann unter Verwendung der elektrischen Maschinen 400, 500, welche gemeinsam das doppelte Drehmoment des maximalen Drehmomentes des Antriebs 45 aufbringen, erfolgen. Wenn in den Schaltgetrieben jeweils der langsamste (erster) und der zweitlangsamste (zweiter) Gang verwendet werden, so ergibt sich in Summe ein höheres Ausgangsdrehmoment an der Getriebeausgangswelle 60 als dies durch den Antrieb 45 im entsprechenden ersten Gang möglich wäre und ergibt somit eine höhere effektive Untersetzung als der erste Gang. Je nach Spreizung zwischen dem ersten und dem zweiten Gang erhöht sich die Gesamtspreizung ca. um den Faktor 1,5.
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Aufgrund des Trends vom Mild-Hydrid zum Vollhybrid kann von einer höheren Gesamtleistung der elektrischen Maschinen ausgegangen werden. Aufgrund der höheren installierten elektrischen Leistung, wie beispielsweise in der Größenordnung von 50% bis 100% der installierten Leistung des Verbrennungsmotors, wird die Spreizung zwischen den einzelnen Gängen höher ausgelegt, wie beispielsweise in der Größenordnung von 1,7. Mit dieser Auslegung können mit vier einzelnen Gängen, zwei je Leistungsstrang, bereits eine Gesamtspreizung im Schaltgetriebe von ca. 5 erreicht werden. Zusammen mit der zusätzlichen Spreizung beim Anfahren mittels beider elektrischen Maschinen 400, 500 im Parallelbetrieb ergibt sich somit eine Gesamtspreizung von ca. 7,5. Dies ermöglicht sowohl ein hohes Drehmoment beim Anfahren, als auch eine niedrige Drehzahl des Verbrennungsmotors bei Fahrten auf der Autobahn.
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Die zusätzliche elektrische Maschine 43, welche über eine Kupplung 44 mit der Kurbelwelle des Antriebs 45 verbunden ist, ermöglicht langsamere Schaltzeiten in den Schaltgetrieben 700, 800, so dass eine Synchronisierung der Gänge in den einzelnen Schaltgetrieben 700, 800 mittels der elektrischen Maschinen 400, 500 auch ohne zusätzlich Synchroneinrichtungen möglich ist. Weiterhin wird mit der elektrischen Maschine 43 der Antrieb 45 gestartet und als Parallelhybrid zum Antrieb 45 betrieben. Bei abgeschalteten Antrieb 45 kann über die elektrische Maschine 43 der Klimakompressor angetrieben werden.
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Speziell bei Fahrsituationen mit geringem Leistungsbedarf (z.B. < 20% der Nominalleistung des Antriebs) wird das Fahrzeug als serieller Hybrid betrieben. Hierfür wird mindestens einer der Leistungsstränge 21, 22 im rein elektrischen Betrieb verwendet. Dies erfolgt indem der Eingang 101 bzw. 201 mittels einer Kupplung oder Schaltung 782 bzw. 882 von der Getriebeeingangswelle 40 getrennt wird und mittels der Bremse oder Verriegelung 781 bzw. 881 gegen Drehbewegungen abgestützt wird. Die entsprechende elektrische Maschine 400 oder 500 wird aus einem elektrischen Energiespeicher 46 und/oder direkt mit elektrischer Leistung, welche durch die zusätzliche elektrische Maschine 43 erzeugt wird, versorgt. Die elektrische Maschine 43 wird durch den Antrieb 45 angetrieben. Da für geringe Leistungen bereits eine sehr geringe Drehzahl des Antriebs ausreichend ist, muss ein entsprechender Betrieb des Antriebs 45 ermöglicht werden. Bei Fahrsituationen mit hohem Leistungsbedarf wird der Verbrennungsmotor 45 durch die elektrische Maschine 43 als Parallelhybrid unterstützt. Die elektrischen Maschinen 400, 500 können ebenfalls den Verbrennungsmotor unterstützen, indem in den Schaltgetrieben 700, 800 ein kleinerer Gang eingelegt wird, so dass an den Eingängen 701, 801 der Schaltgetriebe eine höhere Drehzahl als vom Verbrennungsmotor 45 geliefert benötigt wird. Diese Drehzahldifferenz wird mittels der Drehzahl der elektrischen Maschinen 400, 500 und den Summationsgetrieben 100, 200 ausgeglichen. Hierfür nehmen die beiden elektrischen Maschinen 400, 500 in Summe eine positive elektrische Leistung auf, welche an der Getriebeausgangswelle 60 zur Verfügung steht. Die verfügbare Leistung an der Ausgangswelle 60 entspricht der Leistung des Verbrennungsmotors 45 zuzüglich der Leistung der elektrischen Maschinen 43, 400, 500. Abhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der Auslegung der elektrischen Maschinen 400, 500, sowie der einzelnen Übersetzungen im Antriebsstrang ist die maximale Gesamtleistung kleiner als die Summe der Nominalleistungen der einzelnen Antriebe 45, 43, 400, 500. Diese ist speziell durch den Drehzahlbereich der elektrischen Maschinen 400, 500 begrenzt. In der Praxis wird ca. 66% der installierten elektrischen Leistung für eine Unterstützung des Verbrennungsmotors 45 zur Verfügung stehen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum rein elektrischen Antreiben, vorwärts/rückwärts, bremsen, beschleunigen, halten der Getriebeausgangswelle mittels der Leistungsstränge.
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Auch ist des Gegenstand der Erfindung ein Verfahren für die Leistungsübertragung von der Getriebeeingangswelle zur Getriebeausgangswelle vorzusehen, indem einer oder mehrere Leitungsstränge die Getriebeausgangswelle antreiben (vorwärts / rückwärts / bremsen / beschleunigen) und einer oder mehrere Leistungsstränge betrieben werden, wobei die elektrischen Maschinen der Leistungsstränge zumindest teilweise direkt oder indirekt durch die in den elektrischen Maschinen der Leistungsstränge erzeugten elektrischen Leistung versorgt werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein Verfahren durchgeführt wird zum elektrischen Antreiben der Getriebeausgangswelle (vorwärts / rückwärts / bremsen / beschleunigen), bei gleichzeitigem Starten des Verbrennungsmotors.
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Auch ist es vorteilhaft, ein Verfahren durchzuführen zur Drehmomentüberhöhung an der Getriebeausgangswelle, indem einer oder mehrere Leitungsstränge in einer Betriebsart betrieben wird und einer oder mehrere Leitungsstränge in einer weiteren Betriebsart betrieben werden, wobei die elektrischen Maschinen der Leistungsstränge so angesteuert werden, dass diese elektrische Leistung abgeben können um die elektrischen Maschinen der Leistungsstränge mit elektrischer Leistung versorgen.
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Auch ist es zweckmäßig, ein Verfahren durchzuführen, bei welchem ein eventuell offener Bedarf oder Überschuss an elektrischer Energie mit einem elektrischen Energiespeicher ausgetauscht wird.
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Weiterhin ist zweckmäßig, eine mechanische Ausführung vorzusehen, bei der das Summationsgetriebe als Planetengetriebe ausgeführt ist und der erste Eingang des Summationsgetriebe über das Sonnenrad und die Anbindung der elektrischen Maschine über das Hohlrad erfolgt, wobei hierfür das Hohlrad auch auf dem Außendurchmesser verzahnt ist und die elektrische Maschine mittels eines weiteren Zahnrades mit dem Hohlrad verbunden ist, so dass die elektrische Maschine wahlweise neben den Teilgetrieben oder vor oder hinter dem Getriebe angeordnet werden kann.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Welle zwischen der elektrischen Maschine und dem Zahnrad, welches in die Außenverzahnung des Hohlrades greift, bezüglich Torsion weich ausgeführt wird, und somit das Zahnrad elastisch gegenüber der elektrischen Maschine in gewissen Grenzen verdreht werden kann.
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Auch ist es dabei vorteilhaft, wenn die Verbindung zwischen der Eingangswelle und dem ersten Eingang des Summationsgetriebes mittels einem drehmomentfest mit dem Sonnenrad verbundenem, jedoch verschiebbaren, Zahnrad erfolgt, in der Form, dass je nach Verschiebeposition der erste Eingang des Summationsgetriebes mit der Eingangswelle verbunden ist oder sich frei drehen kann oder gegen Verdrehen abgestützt wird.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn anstatt des verschiebbaren Zahnrades ein frei drehbares Zahnrad verwendet wird, welches mittels einer Schiebemuffe und einer Verzahnung bei Bedarf drehmomentfest mit dem Sonnenrad verbunden werden kann oder in einer anderen Schaltstellung der Schiebemuffe das Sonnenrad gegen Drehbewegungen verriegelt wird und bei einer dritten Schaltstellung der Schiebemuffe das Sonnenrad sich frei drehen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Getriebe
- 21
- Leistungsstrang
- 22
- Leistungsstrang
- 23
- Leistungsstrang
- 40
- Eingangswelle
- 41
- Zahnrad auf der Eingangswelle
- 42
- Klimakompressor oder Abtrieb zum Klimakompressor
- 43
- zusätzliche elektrische Maschine
- 44
- Reibungskupplung
- 45
- Antrieb, Verbrennungsmotor
- 46
- Batterie / elektrischer Energiespeicher
- 47
- Leistungselektronik und Ansteuerung der elektrischen Maschinen.
- 48
- Zahnrad auf der Eingangswelle
- 60
- Ausgangswelle
- 61
- Ausgangszahnrad
- 62
- Ausgangszahnrad
- 63
- Ausgangszahnrad
- 64
- Ausgangswellenbremse
- 100
- Summationsgetriebe
- 101
- erster Eingang
- 102
- zweiter Eingang
- 103
- dritter Eingang
- 110
- Planetengetriebe
- 112
- Hohlrad
- 114
- Planetenradsatz
- 116
- Sonnenrad
- 118
- Planetenträger
- 200
- Summationsgetriebe
- 201
- erster Eingang
- 202
- zweiter Eingang
- 203
- dritter Eingang
- 210
- Planetengetriebe
- 212
- Hohlrad
- 214
- Planetenradsatz
- 216
- Sonnenrad
- 218
- Planetenträger
- 300
- Summationsgetriebe
- 301
- erster Eingang
- 302
- zweiter Eingang
- 303
- dritter Eingang
- 310
- Planetengetriebe
- 312
- Hohlrad
- 314
- Planetenradsatz
- 316
- Sonnenrad
- 318
- Planetenträger
- 400
- elektrische Maschine
- 460
- Zahnrad zur Kopplung der elektrischen Maschine zum Hohlrad
- 461
- Verbindungswelle zwischen elektrischer Maschine und Zahnrad.
- 500
- elektrische Maschine
- 560
- Zahnrad zur Kopplung der elektrischen Maschine zum Hohlrad
- 561
- Verbindungswelle zwischen elektrischer Maschine und Zahnrad.
- 600
- Elektrische Maschine
- 660
- Zahnrad zur Kopplung der elektrischen Maschine zum Hohlrad
- 665
- Verbindungswelle zwischen elektrischer Maschine und Zahnrad
- 700
- Teilgetriebe
- 701
- Teilgetriebeeingang
- 702
- Teilgetriebeausgang
- 704
- Vorgelegewelle
- 705
- Baugruppe zum Schalten des Eingangs
- 710
- Zahnrad
- 720
- Zahnrad
- 722
- Schaltmuffe
- 730
- Zahnrad
- 732
- Schaltmuffe um die Welle 704 wahlweise mit dem Zahnrad 730 oder dem Getriebegehäuse drehfest zu verbinden
- 733
- Schaltverzahnung verbunden mit dem Getriebegehäuse
- 771
- Mit der Welle drehsicher verbundenes und verschiebbares Zahnrad
- 772
- Schiebeposition des Zahnrades 771 (Getriebeeingangswelle treibt den ersten Eingang des Summationsgetriebes an).
- 773
- Schiebeposition des Zahnrades 771 (Neutralstellung)
- 774
- Schiebeposition des Zahnrades 771 (Erster Eingang des Summationsgetriebes gegen Fest verriegelt).
- 775
- Innenverzahnung verbunden mit dem Getriebegehäuse
- 781
- Bremse oder Verriegelung
- 782
- Kupplung
- 783
- Bremse oder Verriegelung
- 784
- Kupplung
- 790
- Eingangs-Schaltbaugruppe
- 791
- Zahnrad
- 792
- Zahnrad
- 793
- Schaltmuffe
- 795
- Einheit zur wahlweisen Blockierung der Welle 799 gegen Verdrehung
- 796
- Schaltmuffe
- 797
- Schaltverzahnung verbunden mit der Welle 799
- 798
- Schaltverzahnung verbunden mit dem Getriebegehäuse.
- 799
- Welle
- 800
- Teilgetriebe
- 801
- Teilgetriebeeingang
- 802
- Teilgetriebeausgang
- 804
- Vorgelegewelle
- 805
- Baugruppe zum Schalten des Eingangs
- 810
- Zahnrad
- 820
- Zahnrad
- 822
- Einheit zur wahlweisen drehmomentfesten Verbindung von Eingangszahnrädern zur Vorgelegewelle
- 830
- Zahnrad
- 833
- Schaltverzahnung verbunden mit dem Getriebegehäuse
- 834
- Schaltmuffe (in 5 falsch als 934 eingetragen)
- 835
- Schaltverzahnung verbunden mit der Welle (in 5 falsch als 935 eingetragen)
- 871
- Mit der Welle drehsicher verbundenes und verschiebbares Zahnrad
- 872
- Schiebeposition des Zahnrades (ähnlich 772) 871 für
- 873
- Schiebeposition des Zahnrades (ähnlich 773)
- 874
- Schiebeposition des Zahnrades (ähnlich 774)
- 875
- Innenverzahnung verbunden mit dem Getriebegehäuse
- 881
- Bremse oder Verriegelung
- 882
- Kupplung
- 883
- Bremse oder Verriegelung
- 884
- Kupplung
- 899
- Welle
- 900
- Teilgetriebe
- 901
- Teilgetriebeeingang
- 902
- Teilgetriebeausgang
- 904
- Vorgelegewelle
- 905
- Baugruppe zum Schalten des Einganges 301
- 910
- Eingangszahnrad
- 920
- Eingangszahnrad
- 922
- Einheit zur wahlweisen Verbindung von einem Eingangszahnrad der Gegenwelle
- 930
- Zahnrad
- 932
- Schaltmuffe um die Welle 904 wahlweise mit dem Zahnrad 930 oder dem Getriebegehäuse drehfest zu verbinden
- 933
- Schaltverzahnung verbunden mit dem Getriebegehäuse
- 934
- Schaltmuffe (in 4 falsch als 834 eingetragen)
- 935
- Schaltverzahnung verbunden mit der Welle 904 (in 4 falsch als 735 eingetragen)
- 976
- Mit der Welle drehsicher verbundenes Zahnrad
- 981
- Bremse oder Verriegelung
- 982
- Kupplung
- 983
- Bremse oder Verriegelung
- 984
- Kupplung
- 990
- Eingangsschaltbaugruppe
- 991
- Zahnrad
- 993
- Schaltmuffe
- 998
- Schaltverzahnung verbunden mit dem Getriebegehäuse.
- 999
- Welle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012221881 A1 [0002]
