DE102015205849A1

DE102015205849A1 - Kraftfahrzeuggetriebe und Verfahren zum Schalten eines Kraftfahrzeuggetriebes

Info

Publication number: DE102015205849A1
Application number: DE102015205849.2A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Stehr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2016-10-06

Abstract

Es ist ein Kraftfahrzeuggetriebe (16) zur Drehzahlwandlung einer von einem Kraftfahrzeugmotor (12) bereitgestellten Drehzahl (nin) vorgesehen mit einem mindestens zwei ungerade Gangstufen (28) aufweisenden ersten Schaltgetriebe (18) zum Einstellen einer konstanten Übersetzung zwischen einer ersten Eingangswelle (24) und einer Ausgangswelle (22), einem mindestens zwei gerade Gangstufen (32) aufweisenden zweiten Schaltgetriebe (20) zum Einstellen einer konstanten Übersetzung zwischen einer zweiten Eingangswelle (26) und der Ausgangswelle (22) und einem an der ersten Eingangswelle (24) und der zweiten Eingangswelle (26) angeschlossenen Variator (36), insbesondere CVT-Getriebe, zum Einstellen einer stufenlos variablen Übersetzung (iV) zwischen der ersten Eingangswelle (24) und der zweiten Eingangswelle (26), wobei eine Spreizung des Variators (36) zum Ausgleich eines Übersetzungsunterschieds zwischen der jeweiligen geraden Gangstufe (32) des zweiten Schaltgetriebes (20) und einer nächst höheren und/oder nächst niedrigeren ungeraden Gangstufe (28) des ersten Schaltgetriebes (18) gewählt ist. Durch die Reduzierung der Spreizung des Variators (36) auf den Übersetzungsunterschied nachfolgender Gangstufen (28, 32) kann mit Hilfe mehrerer vorgesehener Gangstufen (28, 32) bei einem geringen Bauraumbedarf des Variators (36) eine hohe Gesamtspreizung für das Kraftfahrzeuggetriebe (16) erreicht werden, so dass ein zugkraftunterbrechungsfreies Kraftfahrzeuggetriebe (10) mit einem geringen Bauraum ermöglicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeuggetriebe und ein Verfahren zum Schalten eines Kraftfahrzeuggetriebes, mit deren Hilfe eine Drehzahlwandlung einer von einem Kraftfahrzeugmotor bereitgestellten Drehzahl erfolgen kann, um ein Kraftfahrzeug mit einer gewünschten Geschwindigkeit fortbewegen zu können.
Aus WO 2014/094771 A1 ist ein Kraftfahrzeuggetriebe bekannt, bei dem ein stufenlos schaltbares Getriebe („CVT-Getriebe“) an eine Antriebswelle eines Kraftfahrzeugmotors angekuppelt werden kann. Dem CVT-Getriebe ist eine Schaltstufe nachgeschaltet. Damit die in Reihe zum CVT-Getriebe angeordnete Schaltstufe zugkraftunterbrechungsfrei geschaltet werden kann, kann bei Erreichung eines bestimmten Übersetzungsverhältnisses des CVT-Getriebes das CVT-Getriebe mit einer zu diesem Übersetzungsverhältnis passenden Direktdurchtriebsstufe überbrückt werden. Nach dem Schalten der Schaltstufe kann die Direktdurchtriebsstufe wieder getrennt werden, so dass der Drehmomentfluss wieder über das CVT-Getriebe und die nachgeschaltete Schaltstufe an eine Ausgangswelle des Kraftfahrzeuggetriebes übertragen werden kann.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis den Bauraum eines zugkraftunterbrechungsfreien Kraftfahrzeuggetriebes zu reduzieren.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein zugkraftunterbrechungsfreies Kraftfahrzeuggetriebe mit einem geringen Bauraum ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kraftfahrzeuggetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Erfindungsgemäß ist ein Kraftfahrzeuggetriebe zur Drehzahlwandlung einer von einem Kraftfahrzeugmotor bereitgestellten Drehzahl vorgesehen mit einem mindestens zwei ungerade Gangstufen aufweisenden ersten Schaltgetriebe zum Einstellen einer konstanten Übersetzung zwischen einer ersten Eingangswelle und einer Ausgangswelle, einem mindestens zwei gerade Gangstufen aufweisenden zweiten Schaltgetriebe zum Einstellen einer konstanten Übersetzung zwischen einer zweiten Eingangswelle und der Ausgangswelle und einem an der ersten Eingangswelle und der zweiten Eingangswelle angeschlossenen Variator, insbesondere CVT-Getriebe, zum Einstellen einer stufenlos variablen Übersetzung zwischen der ersten Eingangswelle und der zweiten Eingangswelle, wobei eine Spreizung des Variators zum Ausgleich eines Übersetzungsunterschieds zwischen der jeweiligen geraden Gangstufe des zweiten Schaltgetriebes und einer nächst höheren und/oder nächst niedrigeren ungeraden Gangstufe des ersten Schaltgetriebes gewählt ist.
Durch die gewählte Spreizung des Variators ist es möglich, dass bei einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl der Antriebswelle die Übersetzungsverhältnisse aus dem Produkt des Variators und der jeweiligen Gangstufen einer in Reihe zum Variator geschalteten Eingangswelle im Wesentlichen absatzlos in einander übergehen können. Das Gesamtübersetzungsverhältnis einer niedrigen Gangstufe dieser Eingangswelle mit einer sehr hohen Übersetzung des Variators kann im Wesentlichen dem Gesamtübersetzungsverhältnis einer nächst höheren Gangstufe der selben Eingangswelle mit einer sehr niedrigen Übersetzung des Variators entsprechen. Insbesondere ist zumindest eine Eingangswelle in Reihe zum Variator verschaltet, wobei vorzugsweise die andere Eingangswelle parallel zum Variator verschaltet ist.
Dadurch ist es beispielsweise bei einem Hochbeschleunigen möglich, wenn die niedrigere Gangstufe der einen Eingangswelle geschaltet ist, zunächst die Übersetzung des Variators soweit kontinuierlich zu erhöhen, bis die maximal mögliche Übersetzung des Variators erreicht ist oder eine Gesamtübersetzung erreicht ist, die auch mit dem Variator und der nächst höheren Gangstufe der selben Eingangswelle erreicht werden kann. In dieser Situation kann die zwischen diesen Gangstufen liegende Gangstufe der anderen Eingangswelle zugeschaltet werden und die zuvor im Eingriff befindliche Gangstufe der einen Eingangswelle getrennt werden, so dass sich ein zugkraftunterbrechungsfreier Wechsel der Gangstufen ergibt. Während diese Gangstufe der anderen Eingangswelle geschaltet ist, kann der Variator auf eine besonders niedrige Übersetzung eingestellt werden, so dass sich für die Gesamtübersetzung aus dem Variator und der nächst höheren Gangstufe der einen Eingangswelle ein mit der Gangstufe der anderen Eingangswelle im Wesentlichen synchronisierte Übersetzung ergibt. In diesem Zustand kann die nächst höhere Gangstufe der vorherigen einen Eingangswelle zugeschaltet werden, während die Gangstufe der anderen Eingangswelle getrennt werden kann, so dass sich erneut ein zugkraftunterbrechungsfreier Wechsel der Gangstufen ergibt. Bei einem weiteren Hochbeschleunigen, kann die Übersetzung des Variators entsprechend erhöht werden, wobei sich gegebenenfalls diese Schaltstrategie wiederholen kann, um in eine noch höhere Gangstufe zu schalten. Bei einem Abbremsen können die vorstehenden Tätigkeitsschritte in analoger Weise umgekehrt ausgeführt werden.
Hierbei ist es möglich, dass die Drehzahl der Antriebswelle des Kraftfahrzeugmotors im Wesentlichen konstant bleiben kann, so dass der Kraftfahrzeugmotor insbesondere im Wesentlichen kontinuierlich in der Nähe des optimalen Betriebspunkts betrieben werden kann. Da die Gangstufe der anderen Eingangswelle nur für den Zeitraum geschaltet sein braucht, den der Variator braucht, um von der einen Extremstellung des Übersetzungsverhältnisses zu der andren Extremstellung des Übersetzungsverhältnisses zu gelangen, das heißt die gesamte Spreizung des Variators zu durchlaufen, können für die andere Eingangswelle geringere Anforderungen gestellt werden. Beispielsweise ist es möglich die andere Eingangswelle nicht in Reihe, sondern parallel zum Variator zu verschalten, so dass die andere Eingangswelle nur ein konstantes Übersetzungsverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Ausgangswelle einstellen kann. Da die andere Eingangswelle bei einer kontinuierlichen Veränderung der Geschwindigkeit des von dem Kraftfahrzeugmotors angetriebenen Kraftfahrzeugs nur kurzzeitig zugeschaltet werden braucht, führt eine Drehzahländerung des Kraftfahrzeugmotors nur zu einer geringen Abweichung vom optimalen Betriebspunkt, so dass der Wirkungsgrad nur gering oder sogar allenfalls vernachlässigbar beeinträchtigt wird.
Da die andere Eingangswelle nicht mit einem eigenen Variator ausgestattet werden braucht, kann der erforderliche Bauraum gering gehalten werden. Insbesondere wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass der Variator letztendlich lediglich den Übersetzungsunterschied der nachfolgenden Gangstufen der in Reihe zum Variator verschalteten Eingangswelle ausgleichen braucht. Der Variator braucht dadurch nicht die gesamte Spreizung des Kraftfahrzeuggetriebes abzudecken. Tatsächlich kann die von dem Variator bereitzustellende Spreizung bei einer ansteigenden Anzahl von Gangstufen der jeweiligen Eingangswellen immer weiter reduziert werden. Vorzugsweise weist die erste Eingangswelle und/oder die zweite Eingangswelle drei, vier oder fünf Gangstufen auf. Durch die vergleichsweise geringe Spreizung des Variators kann der für den Variator erforderliche Bauraum reduziert werden. Wenn der Variator beispielsweise als ein CVT-Getriebe in der Form eines Kegelscheibenumschlingungsgetriebe ausgestaltet ist, führt die geringere bereitzustellende Spreizung des Variators dazu, dass die Kegelscheiben einen geringeren maximalen Außendurchmesser und/oder einen geringeren Achsabstand zueinander aufweisen können, wodurch der Variator in einen entsprechend geringeren Bauraum verbaut werden kann. Gleichzeitig kann je nach Anzahl der Gangstufen eine hohe Gesamtspreizung für das Kraftfahrzeuggetriebe erreicht werden. Wenn der Variator beispielsweise eine Spreizung von 2 aufweist, kann sich bei drei Gangstufen der einen Eingangswelle und zwei Gangstufen der anderen Eingangswelle für das Kraftfahrzeuggetriebe eine theoretische Gesamtspreizung von 2 × 2 × 2 = 8 ergeben. Vorzugsweise überlappen die von dem Variator und der jeweiligen Gangstufe erreichbaren Übersetzungsverhältnisse etwas, um einen möglichst sanften Gangwechsel zu ermöglichen, so dass sich ein um die bewusst vorgesehenen Überlappungen im Vergleich zu der theoretisch möglichen Gesamtspreizung leicht reduzierte Gesamtspreizung für das Kraftfahrzeuggetriebe ergibt. Durch die Reduzierung der Spreizung des Variators auf den Übersetzungsunterschied nachfolgender Gangstufen kann mit Hilfe mehrerer vorgesehener Gangstufen bei einem geringen Bauraumbedarf des Variators eine hohe Gesamtspreizung für das Kraftfahrzeuggetriebe erreicht werden, so dass ein zugkraftunterbrechungsfreies Kraftfahrzeuggetriebe mit einem geringen Bauraum ermöglicht ist.
Die Gangstufen der Schaltgetriebe können durch Stirnradgetriebe ausgebildet sein, bei denen ein Zahnrad mit der jeweiligen Eingangswelle und das mit diesem Zahnrad kämmende andere Zahnrad mit der Ausgangswelle drehfest verbunden sind. Ein Zahnrad der Gangstufe kann relativ zu dem anderen Zahnrad axial verschoben werden, um die jeweilige Gangstufe schalten und trennen zu können. Der Variator ist insbesondere als stufenloses CVT-Getriebe ausgebildet sein, wobei „CVT“ für „Continuosly Variable Transmission“ steht und kontinuierlich variable Getriebe bezeichnet. Der Variator kann insbesondere als Zugmittel-Getriebe ausgestaltet sein, bei dem beispielsweise ein Umschlingungsmittel zwischen zwei Kegelscheibenpaaren läuft, bei denen der axiale Abstand der Kegelscheiben der jeweiligen Kegelscheibenpaare verändert werden kann, um die Übersetzung stufenlos zu ändern. Das Umschlingungsmittel kann beispielsweise als Schubgliederband, Keilriemen, Flachriemen oder Laschenkette ausgestaltet sein. Der Übersetzungsunterschied ist der Unterschied zwischen der Übersetzung einer Gangstufe und einer der benachbarten Gangstufen des nächst höheren oder nächst niedrigeren Gangs. Der Unterschied der Übersetzungen zwischen den nachfolgenden Gangstufen bemisst die von dem Variator bereitzustellende Spreizung, um sowohl am unteren Ende als auch am oberen Ende des von dem Variator abdeckbaren Übersetzungsbereichs eine Synchronisation der ersten Eingangswelle mit der zweiten Eingangswelle zum Wechsel in die Gangstufe des nächsten Ganges zu erreichen. Der optimale Betriebspunkt des Kraftfahrzeugmotors ist definiert als eine von dem Kraftfahrzeugmotor bereitgestellte Leistung mit einer bestimmten Drehzahl und einem bestimmten Drehmoment, bei dem der Wirkungsgrad des Kraftfahrzeugmotors maximal ist. Im optimalen Betriebspunkt weist das Verhältnis aus Leistung pro Kraftstoffverbrauch in Abhängig von Drehzahl und Drehmoment im eingeschalteten Zustand des Kraftfahrzeugmotors ein Maximum auf.
Insbesondere gilt für eine maximale Spreizung s_max des Variators bezogen auf das Maximum eines Verhältnisses einer Übersetzung i_n der Gangstufe n und einer Übersetzung i_n-1 einer nächst niedrigeren Gangstufe n – 1 mit n > 1 0,95 ≤ s_max/max(i_n/i_n-1) ≤ 1,20, insbesondere 1,00 ≤ s_max/max(i_n/i_n-1) ≤ 1,15 und vorzugsweise 1,05 ≤ s_max/max(i_n/i_n-1) ≤ 1,10. Hierbei ist n eine positive natürliche Zahl, deren höchster Wert der maximalen Anzahl von Gangstufen entspricht. Hierbei kann berücksichtigt werden, dass das Verhältnis der Übersetzungen i_n nachfolgender Gangstufen nicht notwendigerweise identisch sein muss, sondern unterschiedlich sein kann. Die maximale Spreizung s_max des Variators ist hierbei derart gewählt, dass auch für den ungünstigsten Fall, bei dem das Verhältnis der Übersetzungen i nachfolgender Gangstufen i_n/i_n-1 sämtlicher Paare nachfolgender Gangstufen maximal ist, der Übersetzungsunterschied von dem Variator zumindest zu einem Großteil, vorzugsweise mit zusätzlicher Sicherheit, ausgeglichen werden kann. Eine unnötige Überdimensionierung des Variators ist dadurch vermieden, so dass ein geringer Bauraumbedarf erreicht sein kann. Die maximale Spreizung s_max des Variators kann hierbei dem Maximalwert max(i_n/i_n-1) sämtlicher Verhältnisses der Übersetzungen i nachfolgender Gangstufen i_n/i_n-1 besonders nahe sein. Dies ist bereits ausreichend, gegebenenfalls mit etwas Sicherheit, ein Schalten der Gangstufen der Schaltgetriebe ohne separate Synchronisation, beispielsweise mit Hilfe von Synchronringen, zu erreichen und bei einer nahezu unveränderlichen Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors eine Drehzahlwandlung über die Gesamtspreizung des Kraftfahrzeuggetriebes zu ermöglichen.
Vorzugsweise ist entweder die erste Eingangswelle oder die zweite Eingangswelle nur mittelbar über den Variator mit einer Antriebswelle des Kraftfahrzeugmotors koppelbar. Dadurch ist die eine Eingangswelle in Serie zum Variator geschaltet, während die andere Eingangswelle parallel zum Variator geschaltet ist. Die Drehzahl der in Serie zum Variator geschaltete Eingangswelle kann mit Hilfe des Variators auch bei einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors soweit gewandelt werden, bis diese Eingangswelle bei der geschalteten Gangstufe mit der anderen Eingangswelle bei einer geschalteten nachfolgenden Gangstufe der anderen Eingangswelle synchronisiert ist. Da die andere Eingangswelle bei einer weiteren Drehzahlwandlung nur kurzzeitig geschaltet sein braucht, ist es nicht erforderlich die andere Eingangswelle mit einem Variator zu versehen.
Besonders bevorzugt ist die Übersetzung mindestens einer Gangstufe des parallel zum Variator angeschlossenen Schaltgetriebes für einen zu erwartenden im Wesentlichen stationären Betriebspunkt, insbesondere zum Bereitstellen einer vorgeschriebenen Höchstgeschwindigkeit bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugmotors im optimalen Betriebspunkt, ausgelegt. Insbesondere bei Nutzfahrzeugen, beispielsweise Lastkraftwagen, ergeben sich im regulären Betrieb Zustände, in denen das Kraftfahrzeug nahezu stationär betrieben wird. Ein derartiger Betriebszustand ergibt sich beispielsweise, wenn das Kraftfahrzeug in der Ebene mit einer zugelassenen Höchstgeschwindigkeit fortbewegt werden soll. Die mit diesen Betriebszuständen verknüpften abtriebsseitigen Drehzahlen sind im Vorhinein bekannt, so dass es möglich ist die parallel zum Variator geschaltete Eingangswelle mit einer Gangstufe zu versehen, deren Übersetzung bei einer Drehzahl des Kraftfahrzeugmototors im vorbekannten optimalen Betriebspunkt zu der korrespondierenden abtriebsseitigen Drehzahl führt. Dies ermöglicht es in zu erwartenden im Wesentlichen stationären Betriebszuständen das Drehmoment des Kraftfahrzeugmotors an dem Variator vorbei an die parallel zum Variator geschaltete Antriebswelle zu übertragen, so dass Leistungsverluste durch den Variator vermieden werden können. Dies ermöglicht es insbesondere die parallel zum Variator geschaltete Eingangswelle für die zu erwartenden häufig auftretenden im Wesentlichen stationären Betriebspunkte zu verwenden und die in Reihe zum Variator geschaltete Eingangswelle zum Wechsel zwischen diesen Betriebspunkten zu verwenden. Dadurch ergibt sich sowohl für den Wechsel zwischen diesen Betriebspunkten und in den Betriebspunkten selber ein besonders hoher Wirkungsgrad, der zu einem geringen Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugmotors führt.
Insbesondere sind die Gangstufe des ersten Vorwärtsgangs und die Gangstufe des höchsten Vorwärtsgangs von dem parallel zum Variator angeschlossenen Schaltgetriebe oder von dem in Reihe zum Variator angeschlossenen Schaltgetriebe ausgebildet. Wenn die Gangstufe des ersten Vorwärtsgangs und die Gangstufe des höchsten Vorwärtsgangs von dem parallel zum Variator angeschlossenen Schaltgetriebe ausgebildet sind, ist es möglich die über den Variator zu übertragenden Lastkollektivanteile zu reduzieren. Wenn die Gangstufe des ersten Vorwärtsgangs und die Gangstufe des höchsten Vorwärtsgangs von dem in Reihe zum Variator angeschlossenen Schaltgetriebe ausgebildet sind, ist es möglich eine besonders große Gesamtspreizung für das Kraftfahrzeuggetriebe zu realisieren.
Vorzugsweise ist zum Schalten der Gangstufe des ersten Schaltgetriebes und/oder des zweiten Schaltgetriebes eine formschlüssige Kupplung, insbesondere eine Schaltklaue, vorgesehen. Eine Reibkupplung, insbesondere Reibpaarungen für einen Synchronring, können eingespart werden. Eine erforderliche Synchronisierung der ersten Eingangswelle mit der zweiten Eingangswelle kann ausschließlich mit Hilfe des Variators erreicht werden. Das Schalten der Gangstufen kann dadurch mit einer einfacheren und kostengünstigern Bewegungsmimik erfolgen, die durch eingesparte verschleißbehaftete Bauteile einen geringeren Wartungsaufwand ermöglicht.
Besonders bevorzugt ist die Gangstufe des ersten Schaltgetriebes und/oder des zweiten Schaltgetriebes unsynchronisiert. Eine erforderliche Synchronisierung der ersten Eingangswelle mit der zweiten Eingangswelle kann ausschließlich mit Hilfe des Variators erreicht werden, so dass eine verschleißanfällige und durch zusätzliche Bauteile kostenintensivere Bewegungsmimik zum Schalten der jeweiligen Gangstufe eingespart werden kann. Insbesondere sind sämtliche Gangstufen der Vorwärtsgänge unsynchronisiert.
Die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang zum Fortbewegen eines Kraftfahrzeugs mit einem eine Antriebswelle aufweisenden Kraftfahrzeugmotor, einem Kraftfahrzeuggetriebe, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, und einem Kupplungsaggregat zum Kuppeln der Antriebswelle mit dem Kraftfahrzeuggetriebe. Durch die Reduzierung der Spreizung des Variators auf den Übersetzungsunterschied nachfolgender Gangstufen kann mit Hilfe mehrerer vorgesehener Gangstufen bei einem geringen Bauraumbedarf des Variators eine hohe Gesamtspreizung für das Kraftfahrzeuggetriebe erreicht werden, so dass ein zugkraftunterbrechungsfreies Kraftfahrzeuggetriebe mit einem geringen Bauraum ermöglicht ist.
Insbesondere ist mit Hilfe des Kupplungsaggregats, insbesondere über nur genau eine Reibungskupplung des Kupplungsaggregats, entweder nur die erste Eingangswelle oder nur die zweite Eingangswelle mit der Antriebswelle unmittelbar kuppelbar. Das Kupplungsaggregat kann dadurch deutlich einfacher und kostengünstiger ausgestaltet sein. Insbesondere ist es möglich mit Hilfe des Variators des Kraftfahrzeuggetriebes eine zugkraftunterbrechungsfreie Übertragung eines Drehmoments in der Art eines Doppelkupplungsgetriebes bereitzustellen, wobei zum Übertragen des Drehmoments als Kupplungsaggregat keine Doppelkupplung, sondern lediglich eine einfache Trennkupplung ausreichend ist. Besonders bevorzugt weist das Kupplungsaggregat eine Anfahrkupplung auf, wobei das Kupplungsaggregat vorzugsweise ausschließlich aus der Anfahrkupplung besteht.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Schalten eines Kraftfahrzeuggetriebes, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, bei dem mit Hilfe des Variators eine geschaltete Gangstufe des einen Schaltgetriebes mit einer getrennten Gangstufe des anderen Schaltgetriebes synchronisiert wird, nachfolgend die Gangstufe des anderen Schaltgetriebes mit der Ausgangswelle geschaltet wird, nachfolgend die Gangstufe des einen Schaltgetriebes von der Ausgangswelle getrennt wird, nachfolgend mit Hilfe des Variators eine getrennte weitere Gangstufe des einen Schaltgetriebes mit der geschalteten Gangstufe des anderen Schaltgetriebes synchronisiert wird, nachfolgend die weitere Gangstufe des einen Schaltgetriebes mit der Ausgangswelle geschaltet wird und nachfolgend die Gangstufe des anderen Schaltgetriebes von der Ausgangswelle getrennt wird. Durch die Reduzierung der Spreizung des Variators auf den Übersetzungsunterschied nachfolgender Gangstufen kann mit Hilfe mehrerer vorgesehener Gangstufen bei einem geringen Bauraumbedarf des Variators eine hohe Gesamtspreizung für das Kraftfahrzeuggetriebe erreicht werden, so dass ein zugkraftunterbrechungsfreies Kraftfahrzeuggetriebe mit einem geringen Bauraum ermöglicht ist.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
1: eine schematische vereinfachte Prinzipdarstellung eines Antriebsstrangs und
2: ein schematisches Diagramm der Drehzahlverhältnisse eines Kraftfahrzeuggetriebes des Antriebsstrangs aus 1 bei einem Hochbeschleunigen über mehrere Gänge.
Der in 1 dargestellte Antriebsstrang 10 eines Kraftfahrzeugs weist einen Kraftfahrzeugmotor 12 auf, der über ein als einfache Anfahrkupplung ausgestaltetes Kupplungsaggregat 14 mit einem Kraftfahrzeuggetriebe 16 gekuppelt werden kann. Das Kraftfahrzeuggetriebe 16 weist ein erstes Schaltgetriebe 18 zum Schalten von ungeraden Gängen und ein zweites Schaltgetriebe 20 zum Schalten von geraden Gängen auf. Hierzu weist das erste Schaltgetriebe 18 eine mit einer Ausgangswelle 22 verschaltbare erste Eingangswelle 24 auf, während das zweite Schaltgetriebe 20 eine mit der Ausgangswelle 22 verschaltbare zweite Eingangswelle 26 aufweist. Die erste Schaltwelle 24 kann im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt drei ungerade Gangstufen 28 für die Gänge 1, 3 und 5 mit der Ausgangswelle 22 ausbilden, die mit Hilfe als formschlüssige Klauenkupplungen ausgestaltete erste Schaltmuffen 30 geschaltet und getrennt werden können. Entsprechend kann die zweite Schaltwelle 26 im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt zwei gerade Gangstufen 32 für die Gänge 2 und 4 mit der Ausgangswelle 22 ausbilden, die mit Hilfe einer als formschlüssige Klauenkupplung ausgestalteten zweite Schaltmuffe 34 geschaltet und getrennt werden können. Das erste Schaltgetriebe 18 und das zweite Schaltgetriebe 20 können vergleichbar zu einem gemeinsam ausgebildeten Doppelkupplungsgetriebe ausgestaltet sein. Insbesondere kann das Kraftfahrzeuggetriebe 16 mit Hilfe der ersten Eingangswelle 24 und/oder der zweiten Eingangswelle 26 mindestens einen Rückwärtsgang ausbilden, der lediglich aus Gründen der vereinfachten Darstellung in 1 nicht dargestellt ist.
Mit der ersten Eingangswelle 24 und der zweiten Eingangswelle 26 ist ein Variator 36 angebunden, der beispielsweise als ein CVT-Getriebe in der Form eines Kegelscheibenumschlingungsgetriebes ausgebildet ist. Der Variator 36 weist hierzu ein mit der ersten Eingangswelle 24 verbundenes erstes Kegelscheibenpaar 38 und ein mit der zweiten Eingangswelle 26 verbundenes zweites Kegelscheibenpaar 40 auf, an denen ein Umschlingungsmittel 42 in Form eines Keilriemens zur Drehmomentübertragung angreift. Durch eine Variation des axialen Abstands der Kegelscheiben der Kegelscheibenpaare 38, 40 kann die Übersetzung des Variators 36 innerhalb der vorgesehenen Spreizung des Variators 36 stufenlos und kontinuierlich geändert werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann die zweite Eingangswelle 26 mit dem Kupplungsaggregat 14 direkt zusammenwirken, so dass in den geraden Gängen des Kraftfahrzeuggetriebes 16 ein Drehmomentfluss an dem Variator 36 vorbei zur Ausgangswelle 22 erfolgen kann. Die zweite Eingangswelle 26 ist daher parallel zum Variator geschaltet. Die erste Eingangswelle 24 kann nur mittelbar über den Variator 36 und ein Stück der zweiten Eingangswelle 24 über das Kupplungsaggregat 14 an den Kraftfahrzeugmotor angebunden werden, um über die ungerade Gänge ein Drehmoment an die Ausgangswelle übertragen zu können. Die erste Eingangswelle 24 ist daher in Reihe zum Variator 36 geschaltet.
Das in 2 dargestellt Diagramm zeigt einen Drehzahlverlauf 42 einer von dem Kraftfahrzeugmotor 12 bereitgestellten eingehende Drehzahl n_in, um eine an der Ausgangswelle 22 des Antriebsstrangs 10 anliegende ausgehende Drehzahl n_out zu erreichen. Um das Kraftfahrzeug aus dem Stillstand zu beschleunigen, kann zunächst die ungerade Gangstufe 28 für den ersten Gang geschaltet werden, bei dem der Variator 36 in Reihe zwischengeschaltet ist. Die variable Übersetzung i_V des Variators 36 kann hierzu zunächst minimal sein, so dass der Kraftfahrzeugmotor 12 im optimalen Betriebspunkt mit der in diesem Betriebspunkt bereitgestellten optimalen Drehzahl n_opt betrieben werden kann. Beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs, das heißt wenn die ausgehende Drehzahl n_out ansteigt, kann die variable Übersetzung i_V des Variators 36 immer weiter ansteigen, bis die Drehzahl der Ausgangswelle n_out im Wesentlichen genau derjenigen Drehzahl entspricht, die sich bei der vorgesehenen Übersetzung i₂ der geraden Gangstufe 32 für den zweiten Gang der zweiten Eingangswelle 26 ergeben würde. Bei dieser variablen Übersetzung i_V des Variators 36 ist die in der ungeraden Gangstufe 28 für den ersten Gang geschaltete erste Eingangswelle 24 mit der in der geraden Gangstufe 32 für den zweiten Gang geschaltete zweiten Eingangswelle 26 synchronisiert, so dass die gerade Gangstufe 32 für den zweiten Gang geschaltet werden kann und ohne Zugkraftunterbrechung die ungerade Gangstufe 28 für den ersten Gang nachfolgend getrennt werden kann.
Da die zweite Eingangswelle 26 nicht über einen Variator an den Kraftfahrzeugmotor 12 angebunden ist und ein festes Übersetzungsverhältnis vorliegt, ist es für eine weitere Beschleunigung des Kraftfahrzeugs erforderlich, dass der Kraftfahrzeugmotor 12 seine bereitgestellte Drehzahl n_in entsprechend erhöht. In der Zwischenzeit kann der Variator 36 wieder auf sein minimales Übersetzungsverhältnis eingestellt werden, so dass die erste Eingangswelle 24 zum Schalten auf die ungerade Gangstufe 28 für den dritten Gang mit der zweiten Eingangswelle 26 synchronisiert werden kann. Im synchronisieren Zustand kann die ungerade Gangstufe 28 für den dritten Gang geschaltet und ohne Zugkraftunterbrechung die gerade Gangstufe 32 für den zweiten Gang nachfolgend getrennt werden. Da die zweite Eingangswelle 26 nur für den Zeitraum mit der Ausgangswelle 22 geschaltet sein braucht, den der Variator braucht, um sein minimales Übersetzungsverhältnis einzustellen und die Synchronisation der ersten Eingangswelle 24 mit der zweiten Eingangswelle 26 herbeizuführen, braucht der Kraftfahrzeugmotor 12 seine bereitgestellte Drehzahl n_in nur geringfügig zu erhöhen, so dass der optimale Betriebspunkt des Kraftfahrzeugmotors 12 nur geringfügig verlassen wird. Die von dem Kraftfahrzeugmotor 12 bereitgestellte Drehzahl n_in kann dann wieder auf die optimale Drehzahl n_opt gebracht werden. Die variable Übersetzung i_V des Variators 36 kann insbesondere geeignet gesteuert sein, um trotz einer sich verändernden eigehenden Drehzahl n_in eine im Wesentlichen konstante Beschleunigung des Kraftfahrzeugs und eine im Wesentlichen kontinuierliche Veränderung der ausgehende Drehzahl n_out und/oder eine für eine bestimmte Gaspedalstellung vorgesehene Beschleunigung des Kraftfahrzeugs zu erreichen. Unbeabsichtigte Ungleichmäßigkeiten in der ausgehende Drehzahl n_out durch eine Änderung der von dem Kraftfahrzeugmotor 12 bereitgestellten eingehenden Drehzahl n_in können durch die von dem Variator 36 eingestellte variable Übersetzung i_V ausgeglichen werden.
Bei einem weiteren Beschleunigen kann sich der vorstehende Vorgang in analoger Weise wiederholen, wenn von der ungeraden Gangstufe 28 für den dritten Gang in die gerade Gangstufe 32 für den vierten Gang und weiter in die geraden Gangstufe 28 für den fünften Gang geschaltet werden soll, bis im höchsten Gang und bei einem maximalen Übersetzungsverhältnis des Variators 36 die gesamte Spreizung des Kraftfahrzeuggetriebes 16 durchlaufen ist. Bei einem Abbremsen kann der Drehzahlverlauf 42 in umgekehrter Richtung durchlaufen werden mit der Maßgabe, dass in den geraden Gangstufen 32 die von dem Kraftfahrzeugmotor 12 bereitgestellte eingehende Drehzahl n_in reduziert wird, bis nach dem Schalten der nächst niedrigen ungeraden Gangstufe 28 die bereitgestellte eingehende Drehzahl n_in wieder auf die optimale Drehzahl n_opt eingestellt werden kann. Je nach Fahrerwunsch und/oder Fahrprofil ist es möglich den Drehzahlverlauf 42 nur in Teilstücken zu durchlaufen und/oder bei einer bestimmten ausgehenden Drehzahl n_out zu verharren. Vorzugsweise liegen zu erwartende im Wesentlichen stationäre Betriebszustände, in denen sich die ausgehenden Drehzahl n_out beispielsweise aufgrund vorgesehener Maximalgeschwindigkeiten nicht wesentlich ändert, in Bereichen des Drehzahlverlaufs 42, in denen die Drehmomentübertragung über die zweite Eingangswelle 26 an dem Variator 36 vorbei erfolgt.
Bezugszeichenliste

10: Antriebsstrang
12: Kraftfahrzeugmotor
14: Kupplungsaggregat
16: Kraftfahrzeuggetriebe
18: erstes Schaltgetriebe
20: zweites Schaltgetriebe
22: Ausgangswelle
24: erste Eingangswelle
26: zweite Eingangswelle
28: ungerade Gangstufe
30: erste Schaltmuffe
32: gerade Gangstufe
34: zweite Schaltmuffe
36: Variator
38: erstes Kegelscheibenpaar
40: zweites Kegelscheibenpaar
42: Drehzahlverlauf
n_in: eingehende Drehzahl
n_out: ausgehende Drehzahl
n_opt: optimale Drehzahl
i_V: variable Übersetzung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/094771 A1 [0002]

Claims

Kraftfahrzeuggetriebe zur Drehzahlwandlung einer von einem Kraftfahrzeugmotor (12) bereitgestellten Drehzahl (n_in), mit einem mindestens zwei ungerade Gangstufen (28) aufweisenden ersten Schaltgetriebe (18) zum Einstellen einer konstanten Übersetzung zwischen einer ersten Eingangswelle (24) und einer Ausgangswelle (22), einem mindestens zwei gerade Gangstufen (32) aufweisenden zweiten Schaltgetriebe (20) zum Einstellen einer konstanten Übersetzung zwischen einer zweiten Eingangswelle (26) und der Ausgangswelle (22) und einem an der ersten Eingangswelle (24) und der zweiten Eingangswelle (26) angeschlossenen Variator (36), insbesondere CVT-Getriebe, zum Einstellen einer stufenlos variablen Übersetzung (i_V) zwischen der ersten Eingangswelle (24) und der zweiten Eingangswelle (26), wobei eine Spreizung des Variators (36) zum Ausgleich eines Übersetzungsunterschieds zwischen der jeweiligen geraden Gangstufe (32) des zweiten Schaltgetriebes (20) und einer nächst höheren und/oder nächst niedrigeren ungeraden Gangstufe (28) des ersten Schaltgetriebes (18) gewählt ist.
Kraftfahrzeuggetriebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für eine maximale Spreizung s_max des Variators (36) bezogen auf das Maximum eines Verhältnisses einer Übersetzung i_n der Gangstufe n und einer Übersetzung i_n-1 einer nächst niedrigeren Gangstufe n – 1 mit n > 1 0,95 ≤ s_max/max(i_n/i_n-1) ≤ 1,20, insbesondere 1,00 ≤ s_max/max(i_n/i_n-1) ≤ 1,15 und vorzugsweise 1,05 ≤ s_max/max(i_n/i_n-1) ≤ 1,10 gilt.
Kraftfahrzeuggetriebe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass entweder die erste Eingangswelle (24) oder die zweite Eingangswelle (26) nur mittelbar über den Variator (36) mit einer Antriebswelle des Kraftfahrzeugmotors (12) koppelbar ist.
Kraftfahrzeuggetriebe nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung mindestens einer Gangstufe (32) des parallel zum Variator (36) angeschlossenen Schaltgetriebes (20) für einen zu erwartenden im Wesentlichen stationären Betriebspunkt, insbesondere zum Bereitstellen einer vorgeschriebenen Höchstgeschwindigkeit bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugmotors (12) im optimalen Betriebspunkt, ausgelegt ist.
Kraftfahrzeuggetriebe nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Gangstufe (28) des ersten Vorwärtsgangs und die Gangstufe (28) des höchsten Vorwärtsgangs von dem parallel zum Variator (36) angeschlossenen Schaltgetriebe (20) oder von dem in Reihe zum Variator (36) angeschlossenen Schaltgetriebe (18) ausgebildet sind.
Kraftfahrzeuggetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass zum Schalten der Gangstufe (28, 32) des ersten Schaltgetriebes (18) und/oder des zweiten Schaltgetriebes (20) eine formschlüssige Kupplung, insbesondere eine Schaltklaue (30, 34), vorgesehen ist.
Kraftfahrzeuggetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Gangstufe (28, 32) des ersten Schaltgetriebes (18) und/oder des zweiten Schaltgetriebes (20) unsynchronisiert ist.
Antriebsstrang zum Fortbewegen eines Kraftfahrzeugs mit einem eine Antriebswelle aufweisenden Kraftfahrzeugmotor (12), einem Kraftfahrzeuggetriebe (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem Kupplungsaggregat (14) zum Kuppeln der Antriebswelle mit dem Kraftfahrzeuggetriebe (16).
Antriebsstrang nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Kupplungsaggregats (16), insbesondere über nur genau eine Reibungskupplung des Kupplungsaggregats (16), entweder nur die erste Eingangswelle (24) oder nur die zweite Eingangswelle (26) mit der Antriebswelle unmittelbar kuppelbar ist.
Verfahren zum Schalten eines Kraftfahrzeuggetriebe (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem mit Hilfe des Variators (36) eine geschaltete Gangstufe (28) des einen Schaltgetriebes (18) mit einer getrennten Gangstufe (32) des anderen Schaltgetriebes (20) synchronisiert wird, nachfolgend die Gangstufe (32) des anderen Schaltgetriebes (20) mit der Ausgangswelle (22) geschaltet wird, nachfolgend die Gangstufe (28) des einen Schaltgetriebes (18) von der Ausgangswelle (22) getrennt wird, nachfolgend mit Hilfe des Variators (36) eine getrennte weitere Gangstufe (28) des einen Schaltgetriebes (18) mit der geschalteten Gangstufe (32) des anderen Schaltgetriebes (20) synchronisiert wird, nachfolgend die weitere Gangstufe (28) des einen Schaltgetriebes (18) mit der Ausgangswelle (22) geschaltet wird und nachfolgend die Gangstufe (32) des anderen Schaltgetriebes (20) von der Ausgangswelle (22) getrennt wird.