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Die Erfindung betrifft ein Getriebe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zur Schwingungsdämpfung eines Verbrennungsmotors.
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Getriebe sind bei Kraftfahrzeugen weit verbreitet. Sie dienen dazu, das Drehmoment der Antriebsmaschine mit angepasster Drehzahl an den Antriebsstrang zu übertragen. Durch das weiterhin immer stärker in den Vordergrund tretende Bestreben zur Kraftstoffreduzierung geht der Trend zu immer weiter sinkenden Drehzahlen des als Antriebsmaschine verwendeten Verbrennungsmotors. Mit dem Bestreben der Kraftstoffreduzierung geht auch einher, dass die Anzahl der Zylinder reduziert wird. Durch diese Maßnahmen werden die Schwingungsanregungen des Verbrennungsmotors jedoch noch weiter verstärkt, was den Fahrkomfort in nicht akzeptabler Weise reduziert.
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Darüber hinaus hat das Betreiben des Verbrennungsmotors bei den niedrigen Drehzahlen den Nachteil, dass der Verbrennungsmotor bei diesen niedrigen Drehzahlen und bei einem hohen Arbeitsdrehmoment nur sehr geringe Leistungsreserven hat, um auf sprungartige Steigerungen der geforderten Leistung schnell reagieren zu können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Getriebe zu schaffen, welches einfach aufgebaut ist und dennoch gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
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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 zur Verbindung mit einem Verbrennungsmotor zur Dämpfung von Schwingungen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, wobei eine Eingangswelle des Getriebes mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbar ist, wobei eine Schwungmasse vorgesehen ist, welche sich gegenläufig zur Drehrichtung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder der Eingangswelle dreht.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Getriebe zwei parallel zueinander angeordnete Wellen aufweist, wobei eine der Wellen mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbar ist und die zweite Welle die gegenläufig drehende Schwungmasse trägt.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn das Getriebe zwei parallel zueinander angeordnete Wellen aufweist, wobei die mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbare Welle ebenso eine Schwungmasse trägt.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die beiden Wellen mittels zweier Zahnradpaare verbunden sind, wobei ein Zahnrad zwischen der Verzahnung des Zahnrads und der Nabe des Zahnrads eine Elastizität aufweist.
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Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die gegenläufig drehende Schwungmasse mittels zumindest eines Planetengetriebes mit der Kurbelwelle verbindbar ist.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die gegenläufig drehende Schwungmasse mit dem Hohlrad oder dem Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden ist, wobei der Planetenträger und/oder zumindest ein Teil der Planetenräder elastisch gelagert sind. Die elastische Lagerung betrifft dabei bevorzugt nur einen Teil der Planetenräder. Das kann bedeuten, dass nur einzelne Planetenräder elastisch gelagert sind oder dass das Planetengetriebe zwei Planetenträger aufweist, wobei jeder Planetenträger einen Teil der Planetenräder aufnimmt, wobei einer der beiden Planetenträger elastisch abgestützt ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Anbindung der gegenläufigen Schwungmasse mittels Planetengetriebe, die Planeten oder der Planetenträger erfolgt und diese elastisch gelagert oder abgestützt sind. Vorteilhaft ist dabei eine steife und eine elastische Übertragung. Dies bedeutet, dass vorteilhaft nur ein Teil der Planetenräder elastisch abgestützt sind.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die gegenläufig drehende Schwungmasse und/oder eine nicht gegenläufige Schwungmasse mittels zweier Planetengetriebe mit der Kurbelwelle verbindbar ist. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, wenn die gegenläufige Schwungmasse nicht über diese Baugruppe angebunden ist. Bei den beiden Planetengetrieben mit elastisch angebundenen Hohlrädern handelt es sich vorteilhaft um eine Baugruppe zur elastischen Entkopplung der Abtriebsseite des Motors.
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Dabei ist es auch zweckmäßig, wenn das Hohlrad zumindest eines der Planetengetriebe oder die Hohlräder beider Planetengetriebe im Gehäuse des Getriebes elastisch gelagert ist oder sind.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn eine der elastischen Lagerungen eine Kupplung aufweist, welche die Lagerung in einem Betriebszustand der Kupplung freigibt.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine Kupplung vorgesehen ist, welche die Eingangswelle mit der Ausgangswelle direkt verbindet.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die elastische Abstützung des zumindest einen Hohlrads oder der Hohlräder drehbar ausgeführt ist, jedoch drehmomentfest mit einem der Sonnenräder, und vorzugsweise abtriebsseitig, verbunden ist.
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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 Darstellung eines erfindungsgemäßen Getriebes mit einem Antriebsmotor,
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2 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Getriebes mit einem Antriebsmotor,
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3 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Getriebes mit einem Antriebsmotor,
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4 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Getriebes mit einem Antriebsmotor,
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5 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Getriebes mit einem Antriebsmotor, und
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6 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Getriebes mit einem Antriebsmotor.
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Die 1 bis 3 zeigen Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Getrieben.
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Um den Verbrennungsmotor bei niedrigen Drehzahlen mit einem hohen Drehmoment belasten zu können, müssen die auftretenden Schwingungen des Motors reduziert werden. Dabei kann weiterhin mittels einer elektrischen Maschine und/oder einem elektrischen Energiespeicher die Dynamik des Verbrennungsmotors unterstützt werden. Ziel ist ein normaler Fahrbetrieb bei Drehzahlen des Verbrennungsmotors in der Größenordnung heutiger Leerlaufdrehzahlen oder auch bei tieferen Drehzahlen, und dies bei gleichzeitiger Reduzierung der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors.
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Die auftretenden Schwingungen können dabei in zwei Gruppen unterteilt werden. Zum einen treten Eigenschwingungen des Motorblocks aufgrund der Beschleunigung der drehenden Massen auf. Auch treten Schwingungen aufgrund des ungleichmäßigen Abtriebsmoments in Richtung des Antriebstranges des Fahrzeuges auf.
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Ein Vermeiden der Eigenschwindungen wird durch Getriebe gemäß der 1 bis 3 bewirkt. Die Eigenschwingungen des Motorblocks können mittels zweier gegenläufiger Kurbelwellen deutlich reduziert werden. Bei einem konventionellen Hubkolbenmotor als Verbrennungsmotor kann ein ähnlicher Effekt mittels einer zusätzlichen Schwungmasse erreicht werden, welche jedoch mittels einer Übersetzung eine entgegengesetzte Drehrichtung aufweist wie der Verbrennungsmotor. Indem die Übersetzung und die Lagerung der gegenläufigen Schwungmasse starr mit dem Motorblock verbunden sind und die gegenläufige Schwungmasse und der Antriebsstrang des Motors mit der Kurbelwelle, der Schwungscheibe und weiteren Teilen, welche mittels einer hohen Steifigkeit mit der Kurbelwelle verbunden sind, und ähnliche Massenträgheitsmomente aufweisen, kompensiert sich ein Großteil der Drehmomentkräfte aufgrund der Beschleunigung der drehenden Massen. Da das übertragene Drehmoment zwischen der Kurbelwelle und der gegenläufigen Schwungmasse regelmäßig das Vorzeichen ändert, kann dies in Kombination mit Spiel in den Zahnrädern zu schlagenden Zahnflanken in der Übersetzung kommen. Diese werden vermieden, indem die Übersetzung bzw. die Anbindung mittels zweier paralleler Zahnradsätzen erfolgt. Wobei eines dieser Zahnräder torsionselastisch gelagert ist und gegenüber dem anderen Zahnrad verspannt ist. Die Dämpfung erfolgt dabei dadurch, dass die hohen Drehmomente während der Arbeitshübe der einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors mittels des steifen Zahnrades auf die gegenläufige Schwungmasse übertragen werden und so die gegenläufige Schwungmasse beschleunigt wird. Die deutlich niedrigeren Drehmomente mit umgekehrten Vorzeichen während der Zeiten zwischen den Arbeitshüben der einzelnen Zylinder werden mittels des elastisch verspannten Zahnrades übertragen. Aufgrund der gegenseitigen Verspannung der Zahnräder kann die Anbindung bzw. Übersetzung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem gegenläufigen Schwungrad spielfrei ausgeführt werden.
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Die 1 zeigt dazu eine Motorbaugruppe 100a mit einem Verbrennungsmotor 110a mit einem Getriebe 105a. Das Getriebe 105a ist mit der Kurbelwelle 120a des Verbrennungsmotors eingangsseitig verbunden. Das Getriebe weist zwei parallele Wellen 170a, 175a auf, wobei die Welle 175a als Getriebeeingangswelle und die Welle 170a als dazu parallele Welle und gegenläufige Welle ausgebildet ist. Auf beiden Wellen 170a, 175a sind Zahnräder 130a, 150a bzw. 140a und 160a angeordnet, wobei jeweils zwei Zahnräder 130a, 140a und 150a, 160a einander kämmen. Sowohl auf der Welle 175a als auch auf der Welle 170a können Schwungmassen 180a, 190a angeordnet sein. Die Schwungmasse 190a ist als optionale zusätzliche Schwungmasse vorgesehen. Die Schwungmasse 180a ist als gegenläufig drehende Schwungmasse vorgesehen. Das Zahnrad 160a weist zwischen der Nabe bzw. zwischen der Welle 170a und den Zahnflanken des Zahnrads 160a eine Elastizität auf, die mittels elastischer Elemente 161a ausgebildet ist. Dadurch wird eine torsionselastische Kopplung der Verzahnung des Zahnrads 160a mit der Welle 170a erreicht.
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Eine konzentrische Übersetzung zwischen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der gegenläufigen Schwungmasse kann mittels eines Planetengetriebes realisiert werden, wobei der Planetenträger starr mit dem Gehäuse des Verbrennungsmotors gekoppelt ist, siehe hierzu 2.
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Die 2 zeigt dazu eine Motorbaugruppe 100a mit einem Verbrennungsmotor 110a mit einem Getriebe 205a. Das Getriebe 205a ist mit der Kurbelwelle 120a des Verbrennungsmotors 110a eingangsseitig verbunden. Das Getriebe 205a weist eine Welle 175a auf, wobei die Welle 175a als Getriebeeingangswelle ausgebildet ist. Radial außerhalb der Welle 175a ist eine Schwungmasse 280a angeordnet, welche über ein Planetengetriebe mit Sonnenrad 210a, Planetenrädern 220a und Hohlrad 270a verbunden ist. Die Planetenräder 220a sind über die Lagerung 221a verdrehbar aber gehäusefest gelagert. Zusätzlich kann optional auf der Welle 175a ein weiteres Schwungrad 190a aufgenommen sein. Das Planetenrad 230a ist mit der Lagerung 231a elastisch abgestützt, so dass zwischen dem Zahnrad 230a und der Lagerung eine Elastizität 232a angeordnet ist, die mittels elastischer Elemente ausgebildet ist. Dadurch wird eine elastisch abgestützte Lagerung des Planetenrads erreicht.
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Das Spiel zwischen den Zähnen der verschiedenen Zahnräder kann vermieden werden, indem ein Teil der Planetenräder 220a, 230a in Umfangsrichtung elastisch auf dem Planetenträger gelagert werden und gegenüber den anderen Planeten in Umfangsrichtung verspannt werden. Somit kann mit nur einem Hohl- und einem Sonnenrad die Spielfreiheit gewährleistet werden. Wobei vorzugsweise die einzelnen Planetenräder auf dem Umfang symmetrisch der Gruppe der starr abgestützten und der Gruppe der elastisch abgestützten Planetenräder zugeordnet werden. Es versteht sich von selbst, dass der Planetenträger nicht als eigenständiges Bauteil vorhanden sein muss, sondern in das Gehäuse des Verbrennungsmotors integriert sein kann, wie beispielsweise indem die Planetenräder 220a, 230a direkt oder teilweise direkt im Gehäuse des Verbrennungsmotors oder des Getriebes gelagert werden.
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Die 3 zeigt alternativ eine Motorbaugruppe 100a mit einem Verbrennungsmotor 110a mit einem Getriebe 205a. Das Getriebe 205a ist mit der Kurbelwelle 120a des Verbrennungsmotors 110a eingangsseitig verbunden. Das Getriebe 205a weist eine Welle 175a auf, wobei die Welle 175a als Getriebeeingangswelle ausgebildet ist. Radial außerhalb der Welle 175a ist eine Schwungmasse 280a angeordnet, welche über ein Planetengetriebe mit Sonnenrad 210a, Planetenräder 220a und Hohlrad 270a verbunden ist. Die Planetenräder 220a sind über die Lagerung 221a, 231a mittels eines Planetenträgers verdrehbar, wie beispielsweise gehäusefest, gelagert. Die Getriebeeingangswelle 175a ist über das Hohlrad 208a verbunden und treibt so die Planetenräder an. Das Schwungrad 280a ist über das Sonnenrad 210a verbunden und wird von diesem angetrieben. Zusätzlich kann optional auf der Welle 175a ein weiteres Schwungrad 190a aufgenommen sein. Das Planetenrad 230a ist mit der Lagerung 231a elastisch abgestützt, so dass zwischen dem Zahnrad 230a und der Lagerung eine Elastizität 232a angeordnet ist, die mittels elastischer Elemente ausgebildet ist. Dadurch wird eine elastisch abgestützte Lagerung des Planetenrads erreicht.
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Da die Verspannung und entsprechend auch die Spielfreiheit ein erhöhtes Reibungsmoment und somit Verlustmoment zur Folge hat, sollte das Drehmoment für die Verspannung möglichst klein, jedoch größer als das zu erwartende Drehmoment sein, mit welchem die gegenläufige Schwungmasse die Kurbelwelle antreibt. Da das Drehmoment mit dem die gegenläufige Schwungmasse die Kurbelwelle antreibt mit steigendem abgegebenem Nutzdrehmoment vom Verbrennungsmotor steigt, ist vorzugsweise die Verspannung steuerbar und somit einstellbar in Abhängigkeit des Nutzdrehmomentes.
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Die Verspannung ist bei einer Ankopplung der gegenläufigen Schwungmasse an die Kurbelwelle mittels eines Planetengetriebes besonders vorteilhaft realisierbar. Hierfür werden im Planetengetriebe bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel zwei Planetenträger vorgesehen. Dabei trägt der eine Planetenträger die starr gelagerten Planetenräder und der andere Planetenträger die elastisch gelagerten Planetenräder. Durch Variation der Verspannung bzw. des Verdrehwinkels der beiden Planetenträger zueinander kann die Verspannung der Planetenräder variiert werden. Wobei die Elastizität der elastisch gelagerten Planetenräder wahlweise oder als Kombination durch eine elastische Lagerung der einzelnen Planetenräder gegenüber dem Planetenträger und/oder durch eine elastische Abstützung des Planetenträgers umgesetzt werden kann.
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Bei Getrieben mit Vorgelegewellen kann die gegenläufige Schwungmasse mit den oder mit einer der Vorgelegewellen verbunden sein oder die gegenläufige Schwungmasse ist Teil der Vorgelegewelle. Hierfür sind die Zahnräder zwischen der Getriebeeingangswelle und den Vorgelegewellen für die hohen Drehmomente entsprechend auszulegen. Auch werden die Torsions-Elastizitäten zwischen der Kurbelwelle und den Vorgelegewellen sowie weiterhin bis zur gegenläufigen Schwungmasse auf ein Minimum reduziert. Schaltelemente des Getriebes, wie beispielsweise Kupplungen, Drehmomentwandler, etc., werden statt zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle in der Vorgelegewelle angeordnet und bilden mit ihrer Massenträgheit bereits einen Teil der gegenläufigen Schwungmasse. Hierfür wird die Vorgelegewelle zweigeteilt, so dass das Eingangsteil die gegenläufige Schwungmasse aufweist und möglichst steif mittels Zahnrädern mit der Kurbelwelle gekoppelt ist. Das zweite Teil übernimmt die Funktion einer konventionellen Vorgelegewelle und es enthält beispielsweise die Zahnräder für die verschiedenen Gänge und die Schaltmuffen. Weiterhin wird die Lagerung der Vorgelegewelle oder zumindest des Teils der Vorgelegewelle mit der gegenläufigen Schwungmasse so ausgeführt, dass diese sich steif gegen das Gehäuse des Verbrennungsmotors abstützt.
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Bei modulierten Schaltgetrieben bilden das oder die eingesetzten elektrischen Maschinen für die Modulation der einzelnen Leistungsstränge bereits gegenläufige Schwungmassen. Damit die Beschleunigungskräfte sich weitestgehend gegenseitig aufheben, werden die Massenträgheitsmomente der elektrischen Maschinen, des Schwungrades auf der Kurbelwelle und der weiteren sich bewegenden Bauteile des Motors und Getriebes so aufeinander abgestimmt, dass sich die Beschleunigungskräfte aufgrund der Drehzahlschwankungen im Mittel weitgehend gegenseitig aufheben. Um Drehmomentschwankungen zu den Antriebsrädern zu vermeiden, werden die elektrischen Maschinen entsprechend angesteuert, wobei die elektrischen Maschinen teilweise auch mittels elektrischer Leistung beschleunigt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Getriebe bewirkt vorteilhaft auch eine Reduzierung oder eine Vermeidung von Schwingungen aufgrund eines schwankenden Abtriebsmoments. Das schwankende Abtriebsmoment aufgrund der periodisch schwankenden Drehzahl der Kurbelwelle, kann mittels einer definierten Steifigkeit des Antriebsstranges zwischen Kurbelwelle und den Rädern gedämpft werden. Diese wird mittels folgender Maßnahmen oder einer Kombination dieser Maßnahmen erreicht: eine mechanische Torsionsfederbaugruppe oder Torsionsfederelemente zwischen der Kurbelwelle und den Antriebsrädern des Fahrzeuges oder der Getriebeeingangswelle, ein CVT-Getriebe, welches mit hoher Dynamik das Übersetzungsverhältnis variieren kann, beispielsweise in Form eines seriellen Hybridantriebes oder eines modulierten Schaltgetriebes, ein hydraulischer Drehmomentwandler, ein elektrisches Getriebe, beispielsweise in Form eines seriellen Hybrides.
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Die 4 und 5 zeigen Getriebe mit mechanischen Federelementen.
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Um ein möglichst gleichmäßiges Lastmoment, möglichst unabhängig von den Drehzahlschwankungen des Verbrennungsmotors, zu erreichen, ist es für die Federelemente vorteilhaft, wenn diese einen langen elastischen Verdrehwinkelbereich von bis zu 180° und eine entsprechend weiche Drehwinkelsteifigkeit aufweisen. Die Drehwinkelsteifigkeit ist dabei derart bemessen, dass der Verdrehwinkel im Betrieb ausgenutzt wird. Die Federelemente nehmen einen Teil der überschüssigen Energie während der Arbeitshübe der einzelnen Zylinder auf und geben diese während der Zeiten zwischen den einzelnen Arbeitshüben wieder ab. Ein langer elastischer Drehwinkelbereich kann erreicht werden, indem die Torsionsfederbaugruppen Planetengetriebe enthalten, mittels welchem einzelne Torsionsfedern angekoppelt sind.
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Die 4 und 5 zeigen eine Anordnung eines Verbrennungsmotors 100a mit einem nachgeschalteten Getriebe 105a. Das Getriebe weist eine Eingangswelle 121a und eine Ausgangswelle 122a auf, wobei die beiden Wellen über Planetengetriebe 301a, 401a miteinander gekoppelt sind. Eingangsseitig ist die Eingangswelle 121a mit der Kurbelwelle 120a des Verbrennungsmotors 105a gekoppelt. Ausgangsseitig ist die Ausgangswelle 122a mit einem Rotor 912a einer elektrischen Maschine 910a und einem nachgeschalteten Getriebe 999a gekoppelt. Der Rotor 912a ist dabei einem Stator 911a zugeordnet und dreht sich bevorzugt radial innerhalb des Stators 911a.
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Die Kopplung von Eingangswelle 121a und Ausgangswelle 122a erfolgt über die beiden Planetengetriebe 301a und 401a. Diese weisen jeweils ein Sonnenrad 310a, 410a, ein Hohlrad 340a, 440a und Planetenräder 320a, 420a auf. Die Planetenräder 320a, 420a der beiden Planetengetriebe 301a, 402a sind mittels eines oder einer Mehrzahl von Planetenträgern 330a miteinander gekoppelt. Die Hohlräder 340a, 440a sind in Umfangsrichtung elastisch aufgehängt. Dazu sind Federelemente 342a, 442a vorgesehen, welche zwischen dem Gehäuse 343a bzw. 443a und dem Hohlrad 340a und 440a angeordnet sind. Diese bilden eine Torsionsfederbaugruppe 300a, 400a.
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Wobei vorzugsweise die Kurbelwelle 120a des Verbrennungsmotors 105a das Sonnenrad 310a antreibt und das Hohlrad 340a torsionselastisch gelagert ist. Der Abtrieb erfolgt über den Planetenträger 330a. Aufgrund der Übersetzung ins Langsame zwischen Sonnenrad 310a und Hohlrad 340a ergibt sich ein längerer effektiver Federweg. Um die Übersetzung ins Langsame zwischen Sonnenrad 310a und Planetenträger 330a zu kompensieren, kann ein weiteres Planetengetriebe 401a nachgeschaltet werden, wobei bei diesem der Abtrieb zur Getriebeeingangswelle des nachgeschalteten Getriebes 999a über das Sonnenrad 410a erfolgt und der Planetenträger 330a drehmomentfest mit dem Planetenträger 330a des ersten Planetengetriebes 301a verbunden ist. Das Hohlrad 440a kann ebenso torsionselastisch gelagert werden, so dass der effektive Federweg zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle des Getriebes 999a nochmals verlängert werden kann. Alternativ kann die Anordnung einer der Hohlräder 340a, 440a starr abgestützt werden. Auch können parallel zu der torsionselastischen Abstützung der Hohlräder auch Reibungselemente vorgesehen und geschaltet werden, welche einen dämpfenden Effekt auf die Schwingungen der Hohlräder aufweisen.
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Ein weiterer Vorteil des oben geschilderten Aufbaus der Torsionsfedern mittels zweier Planetengetriebe ist, dass die Torsionselastizität gesteuert werden kann. Hierfür kann zwischen den beiden Sonnenrädern 310a, 410a der beiden Planetengetriebe 301a, 401a eine steuerbare direkte Drehmomentübertragung vorgesehen sein. Bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors 100a, bei welchen die Elastizität der Torsionsfedern 342a, 442a nicht mehr benötigt wird, wird die direkte Drehmomentübertragung zwischen den beiden Sonnenrädern 310a, 410a aktiviert. Indem in einem zweiten Schritt ein Verdrehen zwischen den beiden Abstützungen der Hohlräder freigegeben wird, können zusätzlich die Federelemente 342a, 442a zwischen den Hohlrädern 340a, 440a und den Abstützungen entspannt werden und die Verluste durch die Planetengetriebe reduziert werden. Vorzugsweise werden die steuerbare Drehmomentübertragung zwischen den Sonnenrädern 310a, 410a sowie die steuerbare Verdrehfreiheit der Abstützung der Hohlräder 340a, 440a durch Reibungskupplungen 490a realisiert. Diese Reibungskupplungen 490a ermöglichen einen fließenden Übergang zwischen den Arbeitsmodi. Weiterhin kann das durch die Reibungskupplungen 490a übertragene Drehmoment kontinuierlich gesteuert werden. Durch Variation des übertragenen Reib-Drehmomentes kann eine einstellbare Dämpfung der Torsionsfederbaugruppe 300a, 400a realisiert werden.
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Durch diesen geregelten Schlupf der Reibungskupplungen 490a können gezielte Dämpfungseigenschaften, entsprechend den aktuellen Anforderungen, eingestellt werden.
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Die Verluste der Planetengetriebe können auch reduziert werden, indem die Abstützungen der beiden Hohlräder sich in die gleiche Drehrichtung wie die Sonnenräder mit drehen. Dies indem diese drehmomentfest oder elastisch mit einem der beiden Sonnenräder gekoppelt sind und somit als Schwungmasse zur Verfügung stehen oder sich frei drehen können und nur gegeneinander drehmomentfest oder elastisch gekoppelt sind.
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Die mechanischen Federelemente 342a, 442a können in ausgewählten Ausführungsbeispielen gegebenenfalls nur einen Teil der Funktion übernehmen, da eine zu große Elastizität sich negativ auf die Fahrdynamik auswirken könnte. Dies kann jedoch kompensiert werden, indem eine Hybrideinheit, beispielsweise als Parallelhybrid, vorgesehen wird. Dabei ist die elektrische Maschine vorzugsweise auf der Abtriebsseite der Federelemente angeordnet, so dass die Federelemente zwischen der Kurbelwelle und der elektrischen Maschine angeordnet sind. Die elektrische Maschine der Hybrideinheit erbringt bereits ein erhöhtes Abtriebsmoment während der Zeitspanne in der der Verbrennungsmotor seine Abgabeleistung steigert und die Federn stärker vorspannt.
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Alternativ können auch CVT-Getriebe mit hoher Verstelldynamik vorgesehen sein, wie oben erwähnt. Mittels des Übersetzungsverhältnisses des CVT-Getriebes können als Extremfälle folgende Verhalten erzeugt werden:
- A) Ein konstantes Drehmoment am Verbrennungsmotor, so dass die vom Verbrennungsmotor abgegebene mechanische Leistung mit der Drehzahl der Kurbelwelle schwankt. Ohne einen weiteren Energiespeicher im CVT-Getriebe ergibt sich somit ein schwankendes Drehmoment an den Antriebsrädern des Fahrzeuges.
- B) Belastung des Verbrennungsmotors mit konstanter Leistung. Das Lastmoment am Verbrennungsmotor wird hierbei bei steigender Drehzahl reduziert. Das Drehmoment an den Antriebsrädern des Fahrzeuges kann konstant gehalten werden. Das vom Verbrennungsmotor abgegebene Drehmoment schwankt bei dieser Betriebsart. Die Amplitude ist jedoch deutlich geringer als bei einem konventionellem Getriebe mit hoher Steifigkeit, da das konventionelle Getriebe die Drehzahlschwankungen des Verbrennungsmotors behindert und somit die abgegebene Leistung an das Getriebe mit den Drehzahlschwankungen des Verbrennungsmotors schwankt.
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Auch können zwischen den Randfällen A) und B) beliebige Zwischenverhalten erzeugt werden. Es ist auch der Fall möglich, bei dem der Verbrennungsmotor während der einzelnen Arbeitshübe mit erhöhtem Drehmoment belastet wird und in den Zeiten zwischen den Arbeitshüben mit einem geringeren Drehmoment. Das geringere Drehmoment zwischen den Arbeitshüben kann im Extremfall sogar negativ sein, so dass der Verbrennungsmotor durch die Getriebeeingangswelle angeschoben wird. Hierdurch erhöhen sich die Lastschwankungen des abgegebenen Drehmomentes des Verbrennungsmotors deutlich. Es kann jedoch unter gewissen Betriebsbedingungen sinnvoll sein, beispielsweise um den Motor bei extrem niedrigen Drehzahlen zu betreiben und gleichzeitig die Drehungleichmäßigkeit in Grenzen zu halten oder als Unterstützung um den oberen Totpunkt beim Verdichtungshub zu erreichen. Ein Energiespeicher im CVT-Getriebe, wie im Falle eines Hybridfahrzeuges beispielsweise eine Batterie oder ein Superkondensator, ermöglicht die Leistungsschwankungen des Falles A) zu kompensieren, indem in Zeiten höherer abgegebener mechanischer Leistung des Verbrennungsmotors diese gespeichert und während der Zeiten mit geringerer mechanischer Leistung des Verbrennungsmotors erneut abgegeben wird. Somit kann trotz schwankender mechanischer Leistung vom Verbrennungsmotor das Drehmoment an den Antriebsrädern konstant gehalten werden.
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Die 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 1000 mit einem elektrischen Getriebe 1001 als serieller Hybrid. Im Falle der Realisierung mittels eines seriellen Hybrides wird der Stator 1002 der durch die Kurbelwelle 1003 angetriebenen elektrischen Maschine 1004 vorzugsweise am Gehäuse 1005 des Verbrennungsmotors abgestützt. Der Rotor 1006 wird von der Kurbelwelle angetrieben. Dieser Aufbau ermöglicht eine Reduzierung der Schwingungen des Verbrennungsmotors 1000 unabhängig von Schwankungen der abgegebenen Leistung des Verbrennungsmotors 1000. Dies insbesondere, wenn mittels einer gegenläufigen Schwungmasse 1007 die nach außen wirkenden Beschleunigungskräfte gegen die Motoraufhängungen des Verbrennungsmotors weitgehend kompensiert werden. Der elektrischen Maschine nachgeordnet ist eine elektrische Maschine 1011, welche über eine Leistungselektronik 1012 gesteuert wird. Dabei kann die elektrische Energie aus der elektrischen Maschine 1004 oder aus dem Speicher entnommen werden. Die elektrische Maschine 1011 dient vorzugsweise dem Antrieb eines Kraftfahrzeugs.
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Die 6 zeigt eine gegenläufige Schwungmasse 1007, welche über eine Getriebegruppe von zwei Zahnradpaaren 1008, 1009 angetrieben wird, wobei die Schwungmasse 1007 auf einer Welle 1010 angeordnet ist, welche parallel zur Kurbelwelle 1003 angeordnet ist. Das Zahnradpaar 1008 weist Federelemente in der Lagerung eines Zahnrads auf, so dass eine torsionsweiche Lagerung realisiert ist, siehe 1.
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Indem die gegenläufige Schwungmasse 1007 durch den Rotor einer zusätzlichen elektrischen Maschine als gegenläufige elektrische Maschine realisiert wird und diese Maschine ähnlich wie die bereits in 6 skizzierte Maschine mit der Kurbelwelle verbundene elektrische Maschine betrieben wird, kann auf das torsionselastische Zahnrad der Zahnradpaarung 1008 verzichtet werden. Hierfür werden die beiden elektrischen Maschinen so angesteuert, dass das mittels der Zahnräder übertragene Drehmoment sich nicht umkehrt oder sich nur zu definierten Zeiten umkehrt und somit ein Rasseln der Zahnräder vermieden wird. Bei ausreichender Schwungmasse, welche direkt mit der Kurbelwelle verbunden ist, kann auf die mit der Kurbelwelle verbundene elektrische Maschine verzichtet werden, deren Funktion mittels der gegenläufigen elektrischen Maschine realisiert werden kann.
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Auch kann ein hydraulischer Drehmomentwandler eingesetzt werden. Der hydraulische Drehmomentwandler ohne mechanische Überbrückung verhält sich in Grenzen ähnlich wie das CVT-Getriebe in einem Mischbetrieb zwischen Fall A) und B), jedoch ohne die Möglichkeit einer gezielten Steuerung des Übersetzungsverhältnisses zu den Antriebsrädern des Fahrzeuges. Das Ansprechverhalten bei sprungartiger Erhöhung der geforderten Leistung wird gelöst durch die Möglichkeit, den Verbrennungsmotor mittels eines oder mehrerer elektrischer Maschinen zu unterstützen, welche aus einem elektrischen Energiespeicher versorgt werden.
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Dabei kann das Getriebe innerhalb kurzer Zeit die Übersetzung an die steigende Drehzahl des beschleunigenden Verbrennungsmotors anpassen, wobei dies bevorzugt ohne Einbruch oder mit nur geringem Einbruch des Antriebsmomentes zu den Fahrzeugrädern erfolgt. Ein Getriebe mit kontinuierlich variabler effektiver Übersetzung eignet sich hierfür, indem die eingestellte Übersetzung der aktuellen Motordrehzahl und Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges folgt. Vorzugsweise werden die verschiedenen Anforderungen bezüglich CVT-Verhalten, Hybridantrieb und schnelles Anpassen der Übersetzung mittels eines modulierten Schaltgetriebes oder eines seriellen Hybridantriebes realisiert.
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Das modulierte Schaltgetriebe bietet als Möglichkeit die Übersetzung, innerhalb der Grenzen der gleichzeitig eingelegten Gänge, sehr schnell anzupassen, ohne dass ein Drehmomentabfall während der Veränderung des Übersetzungsverhältnisses auftritt. Die Reaktionszeit ist nur bedingt durch die benötigte Zeit die Drehmomente der elektrischen Maschinen gemäß den neuen Erfordernissen neu anzusteuern. Zusätzlich kann bereits während der Zeit die der Verbrennungsmotor benötigt um die Drehzahl für einen höheren Leistungsbedarf anzupassen, ein erhöhtes Antriebsmoment und eine erhöhte Antriebsleistung zur Verfügung gestellt werden. Dies kann dadurch erfolgen, indem über die Leistungsstränge mit höheren Untersetzungen, wie höhere Eingangsdrehzahl am Teilgetriebe im Vergleich zur Drehzahl an den Antriebsrädern des Fahrzeuges, ein höheres Drehmoment übertragen wird und gleichzeitig bei den Leistungssträngen mit kleinerer Untersetzung das Drehmoment reduziert wird.
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Aufgrund der sich ergebenden höheren effektiven Untersetzung bleibt das Lastmoment am Verbrennungsmotor gleich, während das Antriebsmoment an den Rädern sich erhöht. Alternativ kann das Lastmoment am Verbrennungsmotor reduziert werden, indem das Antriebsmoment an den Antriebsrädern weniger stark oder auch nicht erhöht wird.
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Durch das so reduzierte Lastmoment am Verbrennungsmotor steht somit ein höheres Drehmoment zur Verfügung um den Verbrennungsmotor zu beschleunigen und somit schneller die notwendige Zieldrehzahl erreicht. Die Leistung an den Antriebsrädern ist bei dieser Betriebsart größer als die Leistung die das Getriebe vom Verbrennungsmotor aufnimmt. Diese Leistungsdifferenz wird mittels einer Leistungsaufnahme der elektrischen Maschinen aus einem elektrischen Energiespeicher ermöglicht. Da die Zeiten während die elektrischen Maschinen den Verbrennungsmotor unterstützen meist nur kurz sind und etwa nur wenige Sekunden beträgt, genügt oft ein kleiner elektrischer Energiespeicher aus.
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Im Falle, dass die Spreizung zwischen den eingelegten Gängen groß ist, kann das Lastmoment am Verbrennungsmotor signifikant reduziert werden, während das Drehmoment an den Antriebsrädern des Fahrzeuges konstant gehalten oder sogar spürbar gesteigert wird. Dies erfolgt bevorzugt, indem die elektrische Maschine für die Modulation des Leistungsstranges mit der höheren Untersetzung einen größeren Teil des Drehmomentes des Verbrennungsmotors übernimmt. Aufgrund der höheren Übersetzung kann bei gleichem Drehmoment an den Antriebsrädern des Fahrzeuges das Last-Drehmoment am Verbrennungsmotor signifikant reduziert werden. Die Differenz zwischen dem erzeugtem Drehmoment durch den Verbrennungsmotor und dem nun reduzierten Last-Drehmoment steht dem Verbrennungsmotor zum Hochbeschleunigen zur Verfügung. Durch diese signifikante Lastreduzierung am Verbrennungsmotor steht ein hohes Drehmoment zur Verfügung um den Verbrennungsmotor hoch zu beschleunigen. Bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors können die elektrischen Maschinen für die Modulation der Eingangsdrehzahlen in die Teilgetriebe einen Bereich abdecken, welcher mehrere Gangsprünge umfasst. Bei Betrieb von niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors werden dann vorzugsweise nicht aufeinander folgende Gänge gleichzeitig eingelegt, sondern es werden einzelne Gänge übersprungen, beispielsweise indem der 4. und der 7. Gang bei zwei parallelen Leistungssträngen gleichzeitig eingelegt sind, so dass sich eine größere Spreizung der eingelegten Gängen ergibt, welche für eine schnelle Anpassung des effektiven Übersetzungsverhältnisses zur Verfügung steht.
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Die Schwungräder werden dem Getriebe zugeordnet, wobei die Schwungräder zusätzlich oder alternativ auch dem Motor mit dem Getriebe zugeordnet sein können. Beispielsweise sind die Schwungräder möglichst steif am Motorblock abgestützt oder gelagert. Dabei dient das Getriebe der Drehrichtungsumkehr bzw. der Lagerung des oder der Schwungräder.
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Bezugszeichenliste
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- 100a
- Motorbaugruppe (Verbrennungsmotor, Schwungmasse und gegenläufige Schwungmasse)
- 105a
- Getriebe
- 110a
- Verbrennungsmotor, Hubkolbenmotor
- 120a
- Kurbelwelle
- 121a
- Eingangswelle
- 122a
- Ausgangswelle
- 130a
- Zahnrad auf der Motorseite zur Ankopplung der Gegenläufigen Schwungmasse
- 140a
- Zahnrad auf der Schwungradseite zur Ankopplung der gegenläufigen Schwungmasse
- 150a
- Zahnrad auf der Motorseite zur Ankopplung der gegenläufigen Schwungmasse
- 160a
- torsionselastisches Zahnrad auf der Schwungradseite zur Ankopplung der gegenläufigen Schwungmasse
- 161a
- elastische Elemente zur torsionselastischen Kopplung der Verzahnung des Zahnrades 160a mit der Welle 170a
- 170a
- gegenläufige Welle
- 171a
- Lagerung der gegenläufigen Welle, starr mit dem Motorgehäuse verbunden
- 175a
- Welle
- 180a
- gegenläufiges Schwungrad
- 190a
- optionales Schwungrad auf der Kurbelwelle
- 200a
- Planetengetriebe zur Ankopplung des gegenläufigen Schwungrades
- 205a
- Getriebe
- 208a
- Hohlrad
- 210a
- Sonnenrad
- 220a
- starr gegen das Motorgehäuse abgestützt gelagerte Planetenräder
- 221a
- starr abgestützte Lagerung der Planetenräder
- 230a
- elastisch gegen das Motorgehäuse abgestützt gelagerte Planetenräder
- 231a
- in Umfangrichtung elastisch abgestützte Lagerung der Planetenräder
- 232a
- Federelemente
- 270a
- Hohlrad
- 280a
- Schwungmasse
- 300a
- erste Torsionsfederbaugruppe
- 301a
- Planetengetriebe
- 310a
- Sonnenrad
- 320a
- Planetenrad
- 330a
- Planetenträger
- 340a
- Hohlrad
- 342a
- in Umfangsrichtung elastische Aufhängung des Hohlrades.
- 343a
- Abstützung gegen das Gehäuse
- 390a
- Kupplung zwischen den Sonnenrädern, direkte Drehmomentübertragung zwischen den Sonnenrädern
- 400a
- zweite Torsionsfederbaugruppe
- 401a
- Planetengetriebe
- 410a
- Sonnenrad
- 420a
- Planetenrad
- 430a
- Planetenträger
- 440a
- Hohlrad
- 442a
- In Umfangsrichtung elastische Aufhängung des Hohlrades.
- 443a
- Abstützung gegen das Gehäuse
- 490a
- Kupplung zum Entspannen der Federbaugruppen.
- 910a
- Elektrische Maschine für Hybridfunktionen (Parallelhybrid)
- 911a
- Stator
- 912a
- Rotor
- 999a
- Getriebe, wie konventionelles Schaltgetriebe, Doppelkupplungsgetriebe, CVT, moduliertes Schaltgetriebe, etc.
- 1000
- Verbrennungsmotor
- 1001
- Getriebe
- 1002
- Stator
- 1003
- Kurbelwelle
- 1004
- elektrische Maschine
- 1005
- Gehäuse
- 1006
- Rotor
- 1007
- Schwungmasse
- 1008
- Zahnradpaar
- 1009
- Zahnradpaar
- 1010
- Welle
- 1011
- elektrische Maschine
- 1012
- Leistungselektronik, Steuerung
- 1013
- Energiespeicher
