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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Automatgetriebe in Planetenbauweise nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Automatisch schaltbare Fahrzeuggetriebe in Planetenbauweise sind im Stand der Technik bereits vielfach beschrieben und unterliegen einer permanenten Weiterentwicklung und Verbesserung. So sollen diese Getriebe eine ausreichende Anzahl von Gängen und eine für Kraftfahrzeuge gut geeignete Übersetzung mit hohen Gesamtspreizung, günstigen Stufensprüngen und eine für den Anwendungsfall hinreichend große Anfahrübersetzung aufweisen. Andererseits sollen diese Getriebe einen möglichst geringen Bauaufwand, insbesondere eine geringe Anzahl an Schaltelementen erfordern. Üblicherweise sollen zudem bei sequentieller Schaltweise so genannte Gruppenschaltungen vermieden werden, also bei Schaltungen in den nächstfolgend höheren oder nächstfolgend niedrigeren Gang jeweils nur ein zuvor geschlossenes Schaltelement geöffnet und ein zuvor geöffnetes Schaltelement geschlossen wierden.
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Derartige Automatgetriebe sind beispielsweise aus der
EP 1373756 B1 bekannt. In den
4 und
5 dieser Patentschrift werden Radsatzsysteme mit vier einzelnen einfachen Planetenradsätzen und sieben Schaltelementen vorgeschlagen, bei denen durch selektives Schließen von jeweils drei dieser sieben Schaltelemente insgesamt elf Vorwärtsgänge gruppenschaltungsfrei schaltbar sind und auch ein Rückwärtsgang schaltbar ist. Jeder dieser vier Planetenradsätze umfasst ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Planetenradträger mit an diesem Planetenradträger drehbar gelagerten Planetenrädern, die mit Sonnenrad und Hohlrad kämmen. Zwei der vier Planetenradsätze bilden einen mit der Antriebswelle des Getriebes verbindbaren Vorschaltradsatz, während die anderen zwei der vier Planetenradsätze einen ständig mit der Abtriebswelle des Getriebes verbundenen Hauptradsatz bilden. Dabei sind Vorschaltradsatz und Hauptradsatz jeweils als so genanntes Zwei-Steg-Vier-Wellen-Getriebe ausgeführt. Der Vorschaltradsatz ist über genau eine Verbindungswelle ständig mit dem Hauptradsatz verbunden, wobei diese Verbindungswelle selber mit keinem der sieben Schaltelemente direkt verbunden ist. Fünf der sieben Schaltelemente sind ständig mit dem Vorschaltradsatz direkt verbunden, während die anderen zwei der sieben Schaltelemente ständig mit dem Hauptradsatz direkt verbunden sind. Wesentlich ist, dass eine der vier Wellen des Hauptradsatzes über eines der beiden mit dem Hauptradsatz direkt verbundenen Schaltelemente mit der Antriebswelle verbindbar ist, und dass eine andere der vier Wellen des Hauptradsatzes über das andere der beiden mit dem Hauptradsatz direkt verbundenen Schaltelemente am Getriebegehäuse festsetzbar ist. Hierdurch ergibt sich in Verbindung mit der verschiedenen vorgeschlagenen Kopplungen der beiden Einzel-Planetenradsätze des Hauptradsatzes untereinander stets, dass in mindestens drei der vorhandenen Vorwärtsgänge beim Schließen eines oder beider der mit dem Hauptradsatz ständig verbundenen Schaltelemente beide Einzel-Planetenradsätze des Hauptradsatzes gleichzeitig drehmomentführend sind.
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Ein gattungsgemäßes Automatgetriebe ist aus der
US 2015/0099603 A1 bekannt. In
3 dieser Offenlegungsschrift wird ein Radsatzsystem mit vier einzelnen einfachen Planetenradsätzen und sieben Schaltelementen vorgeschlagen, bei dem durch selektives Schließen von jeweils drei dieser sieben Schaltelemente insgesamt elf Vorwärtsgänge gruppenschaltungsfrei schaltbar sind und auch ein Rückwärtsgang schaltbar ist. Jeder dieser vier Planetenradsätze umfasst ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Planetenradträger mit an diesem Planetenradträger drehbar gelagerten Planetenrädern, die mit Sonnenrad und Hohlrad kämmen. Auch hierbei bilden der erste und zweite Planetenradsatz einen mit der Antriebswelle des Getriebes verbindbaren Vorschaltradsatz, während der dritte und vierte Planetenradsatz einen ständig mit der Abtriebswelle des Getriebes verbundenen Hauptradsatz bilden. Auch hierbei ist der Vorschaltradsatz über genau eine Verbindungswelle, die ihrerseits mit keinem der sieben Schaltelemente direkt verbunden ist, ständig mit dem Hauptradsatz verbunden. Der Vorschaltradsatz ist ständig mit dem ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Schaltelement direkt verbunden, während der Hauptradsatz ständig mit dem sechsten und siebten Schaltelement direkt verbunden ist. Wesentlich hierbei ist, dass das sechste Schaltelement im Kraftfluss zwischen dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes und dem Getriebegehäuse angeordnet ist, wobei das Hohlrad des dritten Planetenradsatzes seinerseits nicht als Koppelwelle zwischen dem dritten und vierten Planetenradsatz ausgebildet ist. Wesentlich hierbei ist auch, dass das siebte Schaltelement im Kraftfluss zwischen dem Hohlrad des vierten Planetenradsatzes und dem Planetenradträger des dritten Planetenradsatzes angeordnet ist, wobei das Hohlrad des vierten Planetenradsatzes seinerseits ebenfalls nicht als Koppelwelle zwischen dem dritten und vierten Planetenradsatz ausgebildet ist. Somit ist das sechste Schaltelement ständig mit dem dritten Planetenradsatz direkt verbunden ist, ohne mit dem vierten Planetenradsatz direkt verbunden zu sein, während das siebte Schaltelement ständig sowohl mit dem dritten als auch mit dem vierten Planetenradsatz direkt verbunden ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Automatgetriebe der eingangs genannten Art mit einer Antriebswelle, einer Abtriebswelle, vier Planetenradsätzen und sieben Schaltelementen anzugeben, das vom Wirkungsgrad her vergleichbar gut ist. Zwei der vier Planetenradsätze sollen dabei einen mit der Antriebswelle verbindbaren Vorschaltradsatz bilden, der ständig mit fünf der sieben Schaltelemente direkt verbunden ist. Die anderen zwei der vier Planetenradsätze sollen einen ständig mit der Abtriebswelle verbundenen Hauptradsatz bilden, der ständig mit den übrigen zwei der sieben Schaltelementen direkt verbunden ist. Insbesondere sollen nur in maximal einem der Vorwärtsgänge beide Planetenradsätze des Hauptradsatzes drehmomentführend sein, wohingegen in den übrigen Vorwärtsgängen jeweils nur einer der beiden Planetenradsätze des Hauptradsatzes drehmomentführend und der andere der beiden Planetenradsätze des Hauptradsatzes lastlos sein soll.
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Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch ein Automatgetriebe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach wird ein Automatgetriebe insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches ein Getriebegehäuse, eine Antriebswelle, eine Abtriebswelle, vier Planetenradsätze sowie sieben Schaltelemente zum Schalten verschiedener Übersetzungsverhältnisse zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle umfasst. Jeder der vier Planetenradsätze weist ein erstes, zweites und drittes Element auf. Dabei bilden der erste und zweite Planetenradsatz einen mit der Antriebswelle verbindbaren Vorschaltradsatz, während der dritte und vierte Planetenradsatz einen ständig mit der Abtriebswelle verbundenen Hauptradsatz bilden. Dabei ist der Vorschaltradsatz über genau eine Verbindungswelle, die mit keinem der Schaltelemente verbunden ist, ständig mit dem Hauptradsatz verbunden. Das erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Schaltelement sind ständig mit dem Vorschaltradsatz direkt verbunden, während das sechste und siebte Schaltelement ständig mit dem Hauptradsatz direkt verbunden sind.
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Dabei ist das sechste Schaltelement im Kraftfluss zwischen dem dritten Element des dritten Planetenradsatzes, welches nicht als Koppelwelle zwischen dem dritten und vierten Planetenradsatz ausgebildet ist, und dem Getriebegehäuse angeordnet, sodass das sechste Schaltelement mit dem dritten Planetenradsatz direkt verbunden ist, ohne mit dem vierten Planetenradsatz direkt verbunden zu sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das siebte Schaltelement im Kraftfluss zwischen dem zweiten Element des vierten Planetenradsatzes, welches ebenfalls nicht als Koppelwelle zwischen dem dritten und vierten Planetenradsatz ausgebildet ist, und der Antriebswelle angeordnet, sodass das siebte Schaltelement mit dem vierten Planetenradsatz direkt verbunden ist, ohne mit dem dritten Planetenradsatz direkt verbunden oder verbindbar zu sein.
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Vorzugsweise sind das erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Schaltelement ständig mit dem Vorschaltradsatz direkt verbunden, ohne mit dem Hauptradsatz direkt verbunden zu sein, während das sechste und siebte Schaltelement ständig mit dem Hauptradsatz direkt verbunden sind, ohne mit dem Vorschaltradsatz direkt verbunden zu sein.
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Unter der Formulierung „Koppelwelle“ ist eine Welle zu verstehen, die ein Element eines Planetenradsatzes ständig mit einem Element eines anderen Planetenradsatzes verbindet. Als „Element eines Planetenradsatzes“ gelten bekanntlich Sonnenrad, Planetenradträger und Hohrad dieses Planetenradsatzes.
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Im Zusammenhang mit der Ankoppelung eines Schaltelementes an einen Planetenradsatz ist unter der Formulierung „ständig verbunden“ zu verstehen, dass das Eingangs- oder Ausgangselement des jeweiligen Schaltelementes über eine drehfeste oder drehelastischen Verbindung unmittelbar mit einem der Elemente des jeweiligen Planetenradsatzes verbunden ist, sodass es stets eine feste Drehzahlbeziehung zwischen diesem Planetenradsatzelement und dem Eingangs- bzw. Ausgangselement dieses Schaltelementes gibt.
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Im Zusammenhang mit der Ankoppelung eines Schaltelementes an eine Welle ist unter der Formulierung „ständig verbunden“ zu verstehen, dass das Eingangs- oder Ausgangselement des jeweiligen Schaltelementes über eine drehfeste oder drehelastischen Verbindung unmittelbar mit der jeweiligen Welle verbunden ist, sodass es stets eine feste Drehzahlbeziehung zwischen dieser Welle und dem Eingangs- bzw. Ausgangselement dieses Schaltelementes gibt.
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Im Zusammenhang mit der Ankoppelung eines Planetenradsatzes an einen anderen Planetenradsatz ist unter der Formulierung „ständig verbunden“ zu verstehen, dass eines der Elemente des jeweiligen Planetenradsatzes über eine drehfeste oder drehelastischen Verbindung unmittelbar mit einem der Elemente des jeweiligen anderen Planetenradsatzes verbunden ist, sodass es stets eine feste Drehzahlbeziehung zwischen diesen beiden Planetenradsatzelementen gibt.
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Im Zusammenhang mit der Ankoppelung eines Planetenradsatzelementes oder eines Schaltelementes an das Gehäuse ist unter der Formulierung „ständig verbunden“ zu verstehen, dass das jeweilige Planetenradsatzelement bzw. das Ausgangselement des jeweiligen Schaltelementes eine drehfeste oder drehelastischen Verbindung unmittelbar mit dem Gehäuse verbunden ist, sodass das jeweilige Planetenradsatzelement bzw. das Ausgangselement des jeweiligen Schaltelementes stets stillsteht.
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Damit weist das erfindungsgemäße Automatgetriebe gegenüber dem gattungsgemäßen Stand der Technik eine eigenständige Kinematik auf, wobei unter Verwendung der sieben Schaltelemente unverändert elf Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang schaltbar sind.
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Vorzugsweise sind bei dem erfindungsgemäßen Automatgetriebe in jedem Gang drei der sieben Schaltelemente geschlossen. Dabei wird bei einem Wechsel von einem Gang in den nachfolgend höheren oder niedrigeren Gang jeweils nur eines der zuvor geschlossenen Schaltelemente geöffnet und ein zuvor offenes Schaltelement geschlossen, sodass beim sequenziellen Hoch- und Zurückschalten um jeweils einen Gang so genannte Gruppenschaltungen vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße Automatgetriebe zeichnet sich durch einen guten Wirkungsgrad aus, insbesondere dadurch, dass in zehn der elf Vorwärtsgängen nur einer der beiden Einzel-Planetenradsätze des Hauptradsatzes drehmomentführend ist, während der andere dieser beiden Einzel-Planetenradsätze des Hauptradsatzes lastlos ist und somit die Verzahnungsverluste minimiert sind.
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Eine derartige Anbindung des als Bremse ausgebildeten sechsten Schaltelementes ermöglicht eine konstruktiv und auslegungstechnisch günstige und zudem baulängensparende Anordnung im Bereich radial oberhalb des Hauptradsatzes auf großem Durchmesser im Bereich der Getriebegehäuseaußenwand sowie eine konstruktive sehr einfache Zugänglichkeit für eine hydraulische oder auch mechanische Ansteuerung dieses sechsten Schaltelementes. Eine derartige Anbindung des als Kupplung ausgebildeten siebten Schaltelementes ermöglicht eine für rotierende Kupplungen konstruktiv einfache und leckagesparende Versorgung mit Druck- und Schmiermittel für hydraulische Ansteuerung und Kühlung dieses siebten Schaltelementes von der Antriebswelle her, sowie in Kombination mit anderen an die Antriebswelle angekoppelten Kupplungen die fertigungstechnisch günstige Bildung einer leicht vormontierbaren Baugruppe.
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Hinsichtlich der konstruktiven Ausbildung des Hauptradsatzes kann bei dem erfindungsgemäßen Automatgetriebe vorgesehen sein, dass eine ständig mit der Verbindungswelle verbundene erste Koppelwelle des Hauptradsatzes das erste Element des dritten Planetenradsatzes ständig mit dem ersten Element des vierten Planetenradsatzes verbindet, und dass eine ständig mit der Abtriebswelle verbundene zweite Koppelwelle des Hauptradsatzes das zweite Element des dritten Planetenradsatzes ständig mit dem dritten Element des vierten Planetenradsatzes verbindet. Ein derartiger Hauptradsatz weist eine äußerst kompakte Bauform auf und ist auch hinsichtlich der Fertigungskosten sehr günstig.
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Hinsichtlich der konstruktiven Ausbildung des Vorschaltradsatzes kann bei dem erfindungsgemäßen Automatgetriebe vorgesehen sein, dass das erste Element des ersten Planetenradsatzes über das erste Schaltelement am Getriebegehäuse festsetzbar und über das zweite Schaltelement mit der Antriebswelle verbindbar ist, dass das zweite Element des ersten Planetenradsatzes ständig mit dem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden und über das dritte Schaltelement am Getriebegehäuse festsetzbar und über das vierte Schaltelement mit der Antriebswelle verbindbar ist, dass das dritte Element des ersten Planetenradsatzes und das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes ein gemeinsames Element bilden, welches ständig mit der Verbindungswelle verbunden ist, und dass das erste Element des zweiten Planetenradsatzes über das fünfte Schaltelement mit der Antriebswelle verbindbar ist. Von seiner Bauart her ist der hier vorgeschlagene Vorschaltradsatz ein so genanntes Zwei-Steg-Vier-Wellen-Planetengetriebe mit zwei Koppelwellen.
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Die hier vorgeschlagene Anbindung des jeweils als Kupplung ausgebildeten zweiten, vierten und fünften Schaltelementes ermöglicht eine für rotierende Kupplungen konstruktiv einfache und leckagesparende Versorgung mit Druck- und Schmiermittel für hydraulische Ansteuerung und Kühlung dieser drei Kupplungen von der Antriebswelle her, sowie – gegebenenfalls auch in Kombination mit dem ebenfalls an die Antriebswelle angekoppelten siebten Schaltelement – die fertigungstechnisch günstige Bildung einer leicht vormontierbaren Baugruppe. Die hier vorgeschlagene Anbindung des jeweils als Bremse ausgebildeten ersten und dritten Schaltelementes ermöglicht eine konstruktiv und auslegungstechnisch günstige und – sofern in axialer Richtung gesehen radial über dem Vorschaltradsatz oder radial über der Kupplungsbaugruppe angeordnet – auch baulängensparende Anordnung auf großem Durchmesser im Bereich der Getriebegehäuseaußenwand sowie eine konstruktive sehr einfache Zugänglichkeit für eine hydraulische oder auch mechanische Ansteuerung dieser beiden Bremsen.
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Hinsichlich der konstruktiven Ausgestaltung der genannten Elemente der vier Planetenradsätze kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei allen vier Planetenradsätzen das jeweilige erste Element als Sonnenrad ausgebildet ist, dass beim ersten, dritten und vierten Planetenradsatz das jeweilige zweite Element als Planetenradträger ausgebildet ist, und dass beim ersten, dritten und vierten Planetenradsatz das jeweilige dritte Element als Hohlrad ausgebildet ist, während das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes als Hohlrad ausgebildet ist und das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes als Planetenradträger. In diesem Fall können das dritte Element des ersten Planetenradsatzes und das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes kostengünstig als gemeinsames Hohlrad ausgebildet sein. In diesem Fall ist der Vorschaltradsatz in Art eines so genannten Ravigneaux-Planetenradsatzes ausgebildet, während der Hauptradsatz in Art eines so genannten Simpson-Planetenradsatzes ausgebildet ist. In diesem Fall sind also der erste, dritte und vierte Planetenradsatz als so genannte Minus-Planetenradsätze ausgeführt, deren jeweilige Planetenräder mit Sonnenrad und Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes kämmen, während der zweite Planetenradsatz als ein so genannter Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist. Bekanntlich weist ein Plus-Planetenradsatz einen Planetenradträger mit daran drehbar gelagerten inneren und äußeren Planetenrädern auf, wobei jedes der inneren Planetenräder mit jeweils einem äußeren Planetenrad und mit dem Sonnenrad des Plus-Planetenradsatzes kämmt, während jedes der äußeren Planetenräder mit jeweils einem inneren Planetenrad und mit dem Hohlrad des Plus-Planetenradsatzes kämmt.
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Um mit sieben Schaltelementen elf Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang darzustellen, kann folgende Schaltlogik bzw. Ganglogik vorgesehen sein: Im ersten Vorwärtsgang sind das dritte, fünfte und sechste Schaltelement drehmomentführend. Im zweiten Vorwärtsgang sind das erste, fünfte und sechste Schaltelement drehmomentführend. Im dritten Vorwärtsgang sind das vierte, fünfte und sechste Schaltelement drehmomentführend. Im vierten Vorwärtsgang sind das erste, vierte und sechste Schaltelement drehmomentführend. Im fünften Vorwärtsgang sind das erste, sechste und siebte Schaltelement drehmomentführend. Im sechsten Vorwärtsgang sind das erste, vierte und siebte Schaltelement drehmomentführend. Im siebten Vorwärtsgang sind das vierte, fünfte und siebte Schaltelement drehmomentführend. Im achten Vorwärtsgang sind das erste, fünfte und siebte Schaltelement drehmomentführend. Im neunten Vorwärtsgang sind das dritte, fünfte und siebte Schaltelement drehmomentführend. Im zehnten Vorwärtsgang sind das erste, dritte und siebte Schaltelement drehmomentführend. Im elften Vorwärtsgang sind das zweite, dritte und siebte Schaltelement drehmomentführend. Im Rückwärtsgang sind das zweite, dritte und sechste Schaltelement drehmomentführend. Diese Schaltlogik ermöglicht, dass nur im fünften Vorwärtsgang beide Einzel-Planetenradsätze des Hauptradsatzes gleichzeitig drehmomentführend sind, während in allen anderen Gängen stets nur einer der beiden Einzel-Planetenradsätze des Hauptradsatzes drehmomentführend sind, was zu einem spürbaren Wirkungsgradgewinn führt.
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Sofern die erfindungsgemäße Kinematik der Koppelung der vier Planetenradsätzen untereinander, zu den verschiedenen Schaltelementen, zur Antriebswelle und zur Abtriebswelle beibehalten wird, ist der konstruktive Aufbau der vier Planetenradsätze in weiten Grenzen variierbar. So können einzelne oder mehrere der so genannten Minus-Planetenradsätze, deren jeweilige Planetenräder mit Sonnenrad und Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes kämmen, auch durch jeweils einen so genannten Plus-Planetenradsatz ersetzt werden, was alternative räumliche Anordnung einzelner Schaltelemente innerhalb des Getriebegehäuses ermöglicht. Bekanntlich weist ein Plus-Planetenradsatz einen Planetenradträger mit daran drehbar gelagerten inneren und äußeren Planetenrädern auf, wobei jedes der inneren Planetenräder mit jeweils einem äußeren Planetenrad und mit dem Sonnenrad des Plus-Planetenradsatzes kämmt, während jedes der äußeren Planetenräder mit jeweils einem inneren Planetenrad und mit dem Hohlrad des Plus-Planetenradsatzes kämmt.
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Zur Gewährleistung der gleichen Kinematik des beanspruchten Radsatzsystems ist ausreichend, dass das erste Element jedes Minus-Planetenradsatzes und das erste Element jedes Plus-Planetenradsatzes als Sonnenrad ausgebildet ist, dass das zweite Element jedes Minus-Planetenradsatzes als Planetenradträger ausgebildet ist, während das zweite Element jedes Plus-Planetenradsatzes als Hohlrad ausgebildet ist, und dass das dritte Element jedes Minus-Planetenradsatzes als Hohlrad ausgebildet ist, während das dritte Element jedes Plus-Planetenradsatzes als Planetenradträger ausgebildet ist.
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Hinsichtlich der räumlichen Anordnung der vier Planetenradsätze im Gehäuse des Automatgetriebes wird in einer Ausgestaltung vorgeschlagen, alle vier Planetenradsätze koaxial zueinander nebeneinander in der definierten Reihenfolge „erster, zweiter, dritter, vierter Planetenradsatz“ anzuordnen, wodurch es möglich ist, alle Kupplungen in einfacher Weise leckagearm mit dem zur hydraulischen Betätigung erforderlichen Druckmittel zu versorgen. Für eine Anwendung mit koaxial zueinander verlaufender Antriebs- und Abtriebswelle ist es in diesem Fall zweckmäßig, dass der erste Planetenradsatz der dem Antrieb des Automatgetriebes zugewandte Planetenradsatz der Planetenradsatzgruppe ist.
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Selbstverständlich sind auch andere räumliche Anordnungen der vier Planetenradsätze und der sieben Schaltelemente im Gehäuse des Automatgetriebes möglich.
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Alle vorgeschlagenen Ausführungen und Ausgestaltungen eines Automatgetriebes gemäß der Erfindung weisen insbesondere für Personenkraftwagen in der Praxis brauchbare Übersetzungen mit sehr großer Gesamtspreizung in hinsichtlich der Fahrbarkeit günstiger Gangabstufung auf, was sich auf den angestrebt niedrigen Kraftstoffverbrauch positiv auswirkt. Darüber hinaus zeichnet sich das erfindungsgemäße Automatgetriebe durch eine gemessen an der Gangzahl geringe Anzahl an Schaltelementen und einen vergleichsweise geringen Bauaufwand aus. Weiterhin zeichnet sich das erfindungsgemäße Automatgetriebe durch einen guten Wirkungsgrad aus, insbesondere dadurch, dass in zehn der elf Vorwärtsgängen nur einer der beiden Einzel-Planetenradsätze des Hauptradsatzes drehmomentführend ist, während der andere dieser beiden Einzel-Planetenradsätze lastlos ist und somit die Verzahnungsverluste in den außerdem einfach aufgebauten Einzel-Planetenradsätzen minimiert sind. Positiv auf den Wirkungsgrad wirken sich auch die geringen Schleppverluste an den Schaltelementen aus, da in jedem Gang jeweils drei der Schaltelemente im Eingriff sind.
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In vorteilhafter Weise ist es mit dem erfindungsgemäßen Automatgetriebe möglich, ein Anfahren des Kraftfahrzeugs sowohl mit einem getriebeexternen Anfahrelement als auch mit einem getriebeinternen Reibschaltelement zu realisieren. Ein getriebeexternes Anfahrelement kann in an sich bekannter Weise beispielsweise als hydrodynamischer Drehmomentwandler (vorzugsweise mit Wandlerüberbrückungskupplung), als so genannte trockene Anfahrkupplung, als so genannte nasse Anfahrkupplung, als Magnetpulverkupplung oder als Fliehkraftkupplung ausgebildet sein. Alternativ zur Anordnung eines derartigen Anfahrelement in Kraftflussrichtung zwischen Antriebsmotor und Automatgetriebe kann das getriebeexterne Anfahrelement in Kraftflussrichtung auch hinter dem Automatgetriebe angeordnet sein, wobei in diesem Fall die Antriebswelle des Automatgetriebe ständig verdrehfest oder verdrehelastisch mit der Kurbelwelle des Antriebsmotors verbunden ist. Als getriebeinternes Anfahrelement eignet sich insbesondere das als Bremse ausgebildete sechste Schaltelement, das in den ersten fünf Vorwärtsgängen und im Rückwärtsgang drehmomentführend ist.
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Außerdem ist das erfindungsgemäße Automatgetriebe derart konzipiert, dass eine Anpassbarkeit an unterschiedliche Triebstrangausgestaltungen sowohl in Kraftflussrichtung als auch in räumlicher Hinsicht ermöglicht wird. So können sich bei gleichem Getriebeschema, je nach Standgetriebeübersetzung der einzelnen Planetensätze, unterschiedliche Gangsprünge ergeben, so dass eine anwendungs- bzw. fahrzeugspezifische Variation ermöglicht wird. Weiterhin ist es ohne besondere konstruktive Maßnahmen möglich, Antrieb und Abtrieb des Automatgetriebes wahlweise koaxial oder achsparallel zueinander anzuordnen. Auf der Antriebsseite oder auf der Abtriebsseite des Automatgetriebes können ein Achsdifferential und/oder ein Verteilerdifferential angeordnet werden. Es ist zudem möglich, an jeder geeigneten Stelle des Automatgetriebes zusätzliche Freiläufe vorzusehen, beispielsweise zwischen einer Welle und dem Gehäuse oder um zwei Wellen gegebenenfalls zu verbinden. Auch kann auf jeder Welle, bevorzugt auf der Antriebswelle oder auf der Abtriebswelle, eine verschleißfreie Bremse, wie z.B. ein hydraulischer oder elektrischer Retarder oder dergleichen, angeordnet sein, welche insbesondere für den Einsatz in Nutzkraftfahrzeugen von besonderer Bedeutung ist. Auch kann zum Antrieb von zusätzlichen Aggregaten auf jeder Welle, bevorzugt auf der Antriebswelle oder der Abtriebswelle, ein Nebenabtrieb vorgesehen sein.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Automatgetriebes besteht darin, dass an jeder Welle zusätzlich eine elektrische Maschine als Generator und/oder als zusätzliche Antriebsmaschine anbringbar ist. Generell ist es in konstruktiv sehr einfacher Weise möglich, eine solche elektrische Maschine direkt an die Antriebswelle oder auch direkt an die Abtriebswelle des Automatgetriebes anzukoppeln. Das vorgeschlagene Radsatzkonzept ermöglicht aber auch, eine solche elektrische Maschine in konstruktiv sehr einfacher Weise direkt an das erste Element des ersten Planetenradsatzes anzukoppeln. Auch die Ankopplung eine solche elektrische Maschine direkt an die Verbindungswelle, die den Vorschaltradsatz ständig mit dem Hauptradsatz verbindet, ist in konstruktiv sehr einfacher Weise möglich.
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Die eingesetzten Schaltelemente können als lastschaltende Kupplungen oder Bremsen ausgebildet sein. Insbesondere können kraftschlüssige Kupplungen oder Bremsen – wie z.B. Lamellenkupplungen, Bandbremsen und/oder Konuskupplungen – verwendet werden. Als Schaltelemente können aber auch formschlüssige Bremsen und/oder Kupplungen – wie z.B. Synchronisierungen oder Klauenkupplungen – eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Gleiche bzw. vergleichbare Bauteile sind dabei auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Automatgetriebes;
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2 ein beispielhaftes Schaltschema für das Automatgetriebe gemäß 1;
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3 einen Drehzahlplan für das Automatgetriebe gemäß 1;
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4 eine schematische Darstellung eines ersten Anwendungsbeispiels eines Hybrid-Antriebstrangs mit dem Automatgetriebes gemäß 1;
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5 eine schematische Darstellung eines zweiten Anwendungsbeispiels eines Hybrid-Antriebstrangs mit dem Automatgetriebes gemäß 1; und
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6 eine schematische Darstellung eines dritten Anwendungsbeispiels eines Hybrid-Antriebstrangs mit dem Automatgetriebes gemäß 1.
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In 1 ist das Radsatzschema eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Automatgetriebes dargestellt. Das als Automatgetriebe ausgebildete Getriebe ist mit GE bezeichnet und umfasst eine Antriebswelle AN, eine Abtriebswelle AB, vier Planetenradsätze RS1, RS2, RS3 und RS4 sowie sieben Schaltelemente C, B, D, E, A, M und H, die alle in einem Getriebegehäuse GG des Getriebes GE angeordnet sind. Antreibbar ist das Getriebe GE von einem in der Figur nicht näher dargestellten Verbrennungsmotor, dessen Kurbelwelle VN über ein beispielhaft als Drehmomentwandler WD ausgebildetes Anfahrelement mit der Antriebswelle AN des Getriebes GE wirkverbunden ist. Wie in modernen Drehmomentwandlern üblich, ist im Kraftfluss parallel zum hydraulischen Kreislauf des Drehmomentwandlers WD eine Wandlerüberbrückungskupplung WK vorgesehen. Zur Schwingungsentkoppelung umfasst der Drehmomentwandlers WD einen mechanischen Torsionsdämpfer TD, der im Kraftfluss zwischen der Kurbelwelle VN und der Antriebswelle AN angeordnet ist und hier beispielhaft direkt und ständig mit der Antriebswelle AN verbunden ist. Je nach Anwendungsfall wird der Fachmann den Aufbau des Drehmomentwandlers WD den gegebenen Anforderungen anpassen und gegebenenfalls auch ein anderes Anfahrelement vorsehen wie beispielsweise eine Anfahrkupplung.
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Die vier Planetenradsätze RS1 bis RS4 des Getriebes GE sind räumlich gesehen beispielhaft axial hintereinander angeordnet, hierbei beispielhaft in Reihenfolge „RS1-RS2-RS3-RS4“. Der erste und zweite Planetenradsatz RS1, RS2 bilden kinematisch einen Vorschaltradsatz VS, der in Art eines so genannten schaltbaren Zwei-Steg-Vier-Wellen-Planetengetriebes mit vier drehbaren Wellen wv1, wv2, wv3, wv4 ausgebildet ist. Konstruktiv ist dieser Vorschaltradsatz beispielhaft in Bauart des bekannten Ravigneaux-Planetenradsatzes ausgeführt, umfassend zwei Sonnenräder SO1 und SO2, einen gekoppelten Planetenradträger ST12 und ein Hohlrad HO12. Der erste Planetenradsatz RS1 ist hierbei als Minus-Planetenradsatz ausgebildet, während der zweite Planetenradsatz RS2 als Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist. Das Sonnenrad SO1 bildet ein erstes Element des ersten Planetenradsatzes RS1 Das Sonnenrad SO2 bildet ein erstes Element des zweiten Planetenradsatzes RS2. Der Planetenradträger ST12 bildet einerseits ein zweites Element des ersten Planetenradsatzes RS1, andererseits auch ein drittes Element des zweiten Planetenradsatzes RS2. Das Hohlrad HO12 bildet einerseits ein drittes Element des ersten Planetenradsatzes RS1, andererseits auch ein zweites Element des zweiten Planetenradsatzes RS2. An dem Planetenradträger ST12 sind sowohl (in der Figur nicht näher bezeichnete) Planetenräder des ersten Planetenradsatzes RS1 drehbar gelagert als auch (in der Figur ebenfalls nicht näher bezeichnete) innere und äußere Planetenräder des zweiten Planetenradsatzes RS2. Entsprechend seiner Ausbildung als Minus-Planetenradsatz kämmt beim ersten Planetenradsatzes RS1 jedes seiner Planetenräder mit dem Sonnenrad SO1 und mit dem Hohlrad HO12. Entsprechend seiner Ausbildung als Plus-Planetenradsatz kämmt beim zweiten Planetenradsatzes RS2 jedes seiner inneren Planetenräder mit dem Sonnenrad SO2 und einem der äußeren Planetenräder, während jedes seiner äußeren Planetenräder mit dem Hohlrad HO12 und einem der inneren Planetenräder kämmt.
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Somit bildet das Sonnenrad SO1 des ersten Planetenradsatzes RS1 die erste drehbare Welle wv1 des Vorschaltradsatzes VS, der für den ersten und zweiten Planetenradsatz RS1, RS2 gemeinsame Planetenradträger ST12 die zweite drehbare Welle wv2 des Vorschaltradsatzes VS, das für den ersten und zweiten Planetenradsatz RS1, RS2 gemeinsame Hohlrad HO12 die dritte drehbare Welle wv3 des Vorschaltradsatzes VS, und das Sonnenrad SO2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 die vierte drehbare Welle wv4 des Vorschaltradsatzes VS.
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Schaltbar ist dieser Vorschaltradsatz VS über die fünf Schaltelemente C, B, D, E und A, die in 1 alle beispielshaft als Reibschaltelemente mit Lamellen als Reibelemente ausgebildet sind. Dabei ist das als erste Schaltelement C ist als Bremse ausgebildet und im Kraftfluss zwischen der ersten Welle wv1 des Vorschaltradsatzes VS und dem Getriebegehäuse GG angeordnet, sodass diese Kupplung C ständig mit dem Sonnenrad SO1 des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden ist und dieses Sonnenrad SO1 durch Schließen der Bremse C am Getriebegehäuse GG festsetzbar ist. Das zweite Schaltelement B ist als Kupplung ausgebildet und im Kraftfluss zwischen der ersten Welle wv1 des Vorschaltradsatzes VS und der Antriebswelle AN angeordnet, sodass diese Kupplung B sowohl mit der Antriebswelle AN als auch mit dem Sonnenrad SO1 des ersten Planetenradsatzes RS1 ständig verbunden ist, sodass dieses Sonnenrad SO1 durch Schließen der Kupplung B mit der Antriebswelle AN verbindbar ist. Das dritte Schaltelement D ist als Bremse ausgebildet und im Kraftfluss zwischen der zweiten Welle wv2 des Vorschaltradsatzes VS und dem Getriebegehäuse GG angeordnet, sodass diese Bremse D ständig mit dem für den ersten und zweiten Planetenradsatz RS1, RS2 gemeinsamen Planetenradträger ST12 verbunden ist, sodass dieser Planetenradträger ST12 durch Schließen der Bremse D am Getriebegehäuse GG festsetzbar ist. Das vierte Schaltelement E ist als Kupplung ausgebildet und im Kraftfluss zwischen der zweiten Welle wv2 des Vorschaltradsatzes VS und der Antriebswelle AN angeordnet, sodass diese Kupplung E sowohl mit der Antriebswelle AN als auch mit dem für den ersten und zweiten Planetenradsatz RS1, RS2 gemeinsamen Planetenradträger ST12 ständig verbunden ist, sodass dieser Planetenradträger ST12 durch Schließen der Kupplung E mit der Antriebswelle AN verbindbar ist. Das fünfte Schaltelement A ist als Kupplung ausgebildet und im Kraftfluss zwischen der vierten Welle wv4 des Vorschaltradsatzes VS und der Antriebswelle AN angeordnet, sodass diese Kupplung A sowohl mit der Antriebswelle AN als auch mit dem Sonnenrad SO2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 ständig verbunden ist, sodass dieses Sonnenrad SO2 durch Schließen der Kupplung A mit der Antriebswelle AN verbindbar ist.
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Der dritte und vierte Planetenradsatz RS3, RS4 bilden kinematisch einen Hauptradsatz HS, der in Art eines so genannten schaltbaren Zwei-Steg-Vier-Wellen-Planetengetriebes mit vier drehbaren Wellen wh1, wh2, wh3 und wh4 ausgebildet ist. Konstruktiv ist dieser Hauptradsatz ähnlich wie der bekannte Simpson-Planetenradsatzes ausgeführt, umfassend zwei Sonnenräder SO3 und SO4, zwei Planetenradträger ST3 und ST4 sowie zwei Hohlräder HO3 und HO4. Der dritte und vierte Planetenradsätze RS3, RS4 sind beide als einfache Minus-Planetenradsätze ausgebildet, jeder umfassend drei Elemente. Das Sonnenrad SO3 bildet das erste Element des dritten Planetenradsatzes RS3, das Sonnenrad SO4 das erste Element des vierten Planetenradsatzes RS4, der Planetenradträger ST3 das zweite Element des dritten Planetenradsatzes RS3, der Planetenradträger ST4 das zweite Element des vierten Planetenradsatzes RS4, das Hohlrad HO3 das dritte Element des dritten Planetenradsatzes RS3, das Hohlrad HO4 das dritte Element des vierten Planetenradsatzes RS4. Entsprechend der Ausbildung als Minus-Planetenradsatz sind am Planetenradträger ST3 (in der Figur nicht näher bezeichnete) Planetenräder des dritten Planetenradsatzes RS3 drehbar gelagert, wobei jedes dieser Planetenräder mit dem Sonnenrad SO3 und mit dem Hohlrad HO3 kämmt. In gleicher Weise sind am Planetenradträger ST4 (in der Figur ebenfalls nicht näher bezeichnete) Planetenräder des vierten Planetenradsatzes RS4 drehbar gelagert, wobei jedes dieser Planetenräder mit dem Sonnenrad SO4 und mit dem Hohlrad HO4 kämmt. Wie beim Simpson-Planetenradsatz ist das Sonnenrad SO3 des dritten Planetenradsatzes RS3 über eine mit K1 bezeichnete erste Koppelwelle ständig mit dem Sonnenrad SO4 des vierten Planetenradsatzes RS4 verbunden, während der Planetenradträger ST3 des dritten Planetenradsatzes RS3 über eine mit K2 bezeichnete zweite Koppelwelle ständig mit dem Hohlrad HO4 des vierten Planetenradsatzes RS4 verbunden ist.
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Somit bilden die via Koppelwelle K1 miteinander verbundenen Sonnenräder SO3, SO4 des dritten und vierten Planetenradsatzes RS3, RS4 die erste drehbare Welle wh1 des Hauptradsatzes HS, der Planetenradträger ST4 des vierten Planetenradsatzes RS4 die zweite drehbare Welle wh2 des Hauptradsatzes HS, der via Koppelwelle K2 mit dem Hohlrad HO4 des vierten Planetenradsatzes RS3 verbundenen Planetenradträger ST3 des dritten Planetenradsatzes RS3 die dritte drehbare Welle wh3 des Hauptradsatzes HS, und das Hohlrad HO3 des dritten Planetenradsatzes RS3 die vierte drehbare Welle wh4 des Hauptradsatzes HS. Die dritte drehbare Welle wh3 des Hauptradsatzes HS ist zudem ständig mit der Abtriebswelle AB des Getriebes GE verbunden.
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Schaltbar ist dieser Hauptradsatz HS über die beiden Schaltelemente M und H, die in 1 beide beispielshaft als Reibschaltelemente mit Lamellen als Reibelemente ausgebildet sind. Das sechste Schaltelement M ist als Bremse ausgebildet und im Kraftfluss zwischen der vierten Welle wh4 des Hauptradsatzes HS und dem Getriebegehäuse GG angeordnet, sodass diese Bremse M ständig mit dem Hohlrad HO3 des dritten Planetenradsatzes RS3 verbunden ist, sodass dieses Hohlrad HO3 durch Schließen der Bremse M am Getriebegehäuse GG festsetzbar ist. Das siebte Schaltelement H ist als Kupplung ausgebildet und im Kraftfluss zwischen der zweiten Welle wh2 des Hauptradsatzes HS und der Antriebswelle AN angeordnet, sodass diese Kupplung H sowohl mit der Antriebswelle AN als auch mit dem Planetenradträger ST4 des vierten Planetenradsatzes RS4 ständig verbunden ist, sodass dieser Planetenradträger ST4 durch Schließen der Kupplung H mit der Antriebswelle AN verbindbar ist.
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Wesentlich bei dem in 1 dargestellen Ausführungsbeispiel ist, dass der Vorschaltradsatz VS über eine Verbindungswelle W ständig mit dem Hauptradsatz HS verbunden ist, ohne mit einem der sieben Schaltelemente C, B, D, E, A, M, H des Getriebes GE ständig verbunden zu sein. Hierbei verbindet diese Verbindungswelle W die dritte Welle wv3 des Vorschaltradsatzes VS ständig mit der ersten Welle wh1 des Hauptradsatzes, sodass das für den ersten und zweiten Planetenradsatz RS1, RS2 gemeinsame Hohlrad HO12 ständig mit den Sonnenrädern SO3, SO4 des dritten und vierten Planetenradsatzes RS3, RS4 verbunden ist.
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Hinsichtlich der räumlichen Anordnung der Schaltelemente ist in 1 beispielhaft vorgesehen, dass die vier Kupplungen H, E, A und B eine in fertigungstechnisch günstiger Weise leicht vormontierbare Baugruppe bilden, die am Getriebeeingang angeordnet ist, also auf derjenigen Seite des Vorschaltradsatzes VS, die dem Hauptradsatz HS abgewandt ist. Dabei ist für diese vier Kupplungen H, E, A, B ein gemeinsamer Außenlamellenträger vorgesehen, der ständig mit der Antriebswelle AN verbunden ist und neben den Lamellenpaketen der vier Kupplungen H, E, A, B auch die zum Betätigen dieser vier Lamellenpakete notwendigen Servoeinrichtungen aufnimmt. Um die vier Lamellenpakete auf möglichst großem Durchmesser anordnen zu können, sind die vier Lamellenpakete axial hintereinander in Reihenfolge „H-E-A-B“ angeordnet, wobei das Lamellenpaket der Kupplung B dem Vorschaltradsatz VS zugewandt ist. Neben den fertigungstechnischen Vorteilen bietet die hier vorgeschlagene Anordnung auch den funktionalen Vorteil einer für rotierende Kupplungen konstruktiv einfache und leckagesparende Versorgung mit Druck- und Schmiermittel für hydraulische Ansteuerung und Kühlung aller vier Kupplungen H, E, A, B von der Antriebswelle AN her.
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Die beiden Bremsen C und D sind beispielhaft auf großem Durchmesser axial nebeneinander im Bereich der Außenwand des Getriebegehäuses GG nahe dem Vorschaltradsatz VS angeordnet, beispielhaft nahe dem ersten Planetenradsatz RS1, wobei die Bremse D näher am ersten Planetenradsatz RS1 angeordnet ist als die Bremse C und die Bremse D. In bekannter Weise können die Außenlamellenträger der beiden Bremsen C, D dabei im Getriebegehäuse GG integriert sein. Vorteilhaft ist auch die konstruktive sehr einfache Zugänglichkeit für die Ansteuerung dieser beiden Bremsen C, D. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Lamellenpakete der Bremsen C, D räumlich gesehen in einem Bereich axial zwischen der Kupplungsbaugruppe H/E/A/B und dem Vorschaltradsatz VS angeordnet, was einen besonders großen Lamellendurchmesser für die vier Kupplungen H, E, A, B ermöglicht. Zur Einsparung von Getriebebaulänge können die beiden Bremsen C, D beispielsweise aber auch in axialer Richtung gesehen in einem Bereich radial über der Kupplungsbaugruppe H/E/A/B angeordnet sein, oder auch in axialer Richtung gesehen zumindest teilweise radial über dem Vorschaltradsatz VS.
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Weiterhin ist bei dem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass zumindest das Lamellenpaket der Bremse M in axialer Richtung gesehen überwiegend radial über dem dritten Planetenradsatz RS3 angeordnet ist, was in fertigungstechnisch und kostengünstiger Weise ermöglicht, den Innenlamellenträger der Bremse M und das Hohlrad HO3 des dritten Planetenradsatzes RS3 als gemeinsames Bauteil – beispielsweise einstückig – auszuführen. Auch der Außenlamellenträger der Bremse M kann in bekannter Weise im Getriebegehäuse GG integriert sein. Wie bei den anderen beiden Bremsen C, D ist auch für die Bremse M eine konstruktive sehr einfache Zugänglichkeit für deren Ansteuerung gegeben.
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Im Prinzip ist die räumliche Anordnung der Schaltelemente C, B, D, E, A, M, H innerhalb des Getriebegehäuses GG in weiten Grenzen variabel und wird nur durch die Abmessungen und die äußere Formgebung des Getriebegehäuses GG begrenzt. Entsprechend ist die in 1 dargestellte Bauteilanordnung ausdrücklich als nur eine von zahlreichen möglichen Bauteilanordnungs-Varianten zu verstehen. In gleicher Weise ist auch die in 1 dargestellte Ausbildung der Schaltelemente als Lamellenkupplungen bzw. Lamellenbremsen ausdrücklich als nur beispielhaft zu verstehen. In alternativen Ausgestaltungen können beispielsweise auch formschlüssig schaltbare Klauen- oder Konuskupplung, reibschlüssig schaltbare Bandbremsen oder auch formschlüssig schaltbare Klauen- oder Konusbremsen Verwendung finden. Mit diesen insgesamt sieben Schaltelementen ist C, B, D, E, A, M, H ist ein selektives Schalten von elf Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang realisierbar, was nachfolgend anhand von 2 noch näher erläutert wird.
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In 2 ist ein beispielhaftes Schaltschema des erfindungsgemäßen Automatgetriebes gemäß 1 dargestellt. In jedem Gang sind drei Schaltelemente geschlossen, was in den Spalten der 2, die den einzelnen Schaltelementen C, B, D, E, A, M, H zugeordnet sind, mit X gekennzeichnet ist. So sind im ersten Vorwärtsgang die Schaltelemente D, A und M drehmomentführend beziehungsweise geschlossen, im zweiten Vorwärtsgang die Schaltelemente C, A und M, im dritten Vorwärtsgang die Schaltelemente E, A und M, im vierten Vorwärtsgang die Schaltelemente C, E und M, im fünften Vorwärtsgang die Schaltelemente C, M und H, im sechsten Vorwärtsgang die Schaltelemente C, E und H, im siebten Vorwärtsgang die Schaltelemente E, A und H, im achten Vorwärtsgang die Schaltelemente C, A und H, im neunten Vorwärtsgang die Schaltelemente D, A und H, im zehnten Vorwärtsgang die Schaltelemente C, D und H, im elften Vorwärtsgang die Schaltelemente B, D und H, und im Rückwärtsgang die Schaltelemente B, D und M.
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Gemäß dieser Schaltlogik werden bei sequentieller Schaltweise – also bei Hoch- oder Zurückschalten um jeweils einen Gang – so genannte Gruppenschaltungen vermieden, da zwei in der Schaltlogik benachbarte Gangstufen stets zwei Schaltelemente gemeinsam benutzen. Insgesamt können zumindest elf Vorwärtsgänge und zumindest ein Rückwärtsgang mit für die Praxis sinnvollen Übersetzungen geschaltet werden. Dass in jedem Gang drei Schaltelemente geschlossen sind, wirkt sich – infolge der Minimierung der an geöffneten Reibschaltelementen obligatorisch auftretenden Schleppverluste – auf den Wirkungsgrad des Getriebes positiv aus.
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Weiterhin können 2 auch Werte für die Übersetzungen der einzelnen Gänge und Werte für die Gangsprünge entnommen werden, die sich für folgende beispielhafte Standgetriebeübersetzungen ergeben: Minus 2,08 für RS1; Plus 3,60 für RS2; Minus 1,75 für RS3; Minus 2,20 für RS4. Hervorzuheben ist hier die geländewagentaugliche Stufung mit extrem „kurzem“ ersten Vorwärtsgang (Übersetzung Plus 9,90) und ähnlich „kurzem“ Rückwärtsgang (Übersetzung Minus 7,70) und die extrem große Gesamtspreizung von knapp 16. Wird der angegebene erste Vorwärtsgang für eine andere Getriebeanwendung nicht genutzt, verbleibt für die verbleibenden Vorwärtsgänge immer noch eine sehr gute Gesamtspreizung von 7,5.
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Weiterhin können 2 auch Werte für die rechnerischen Verzahnungs-Wirkungsgrade in den einzelnen Gängen entnommen werden, die den sehr guten Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Automatgetriebes belegen.
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Zur weiteren technischen Erklärung ist in 3 ist ein beispielhafter Drehzahlplan des erfindungsgemäßen Automatgetriebes gemäß 1 schematisch dargestellt. Da ein solcher Drehzahlplan für den Fachmann selbsterklärend ist, kann an dieser Stelle auf eine detailliertere Beschreibung der 3 verzichtet werden.
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Selbstverständlich sind die in den 1 zuvor dargestellten Getriebeschemata auch mit einer anderen räumlichen Anordnung der vier Planetenradsätze RS1, RS2, RS3, RS4 darstellbar, ohne die jeweilige Kinematik des Getriebes zu verändern. Solches kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn bei dem Getriebe Antriebswelle AN und Abtriebswelle AB nicht koaxial zueinander angeordnet sein sollen, wie dies beispielsweise bei einem so genannten Front-Quer-Einbau im Fahrzeug der Fall ist.
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Auch hat die in 1 zuvor vorgeschlagene räumliche Anordnung der sieben Schaltelemente innerhalb des Getriebegehäuses nur beispielhaften Charakter. Bei Bedarf und je nach den gegebenen baulichen Möglichkeiten wird der Fachmann auch sinnvolle Alternativen für die Anordnung der Schaltelemente realisieren.
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Ausgehend von der Erkenntnis, dass es prinzipiell möglich ist, einen so genannten Minus-Planetenradsatz durch einen kinematisch gleichwertigen Plus-Planetenradsatz zu ersetzen, sofern es die Ankopplung von Sonnenrad, Planetenradträger und Hohlrad dieses Planetenradsatzes an die andern Planetenradsätze und die Schaltelemente und gegebenenfalls an das Gehäuse räumlich zulässt, wird der Fachmann bei Bedarf einzelne oder mehrere der in den Figuren dargestellten Minus-Planetenradsätze vier Planetenradsätze durch einen Plus-Planetenradsatz bzw. mehrere Plus-Planetenradsätze ersetzen. Bekanntlich ist bei einem Minus-Planetenradsatz jedes seiner Planetenräder sowohl mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad in Zahneingriff, während bei einem Plus-Planetenradsatz jedes seiner inneren Planetenräder mit einem seiner äußeren Planetenräder und dem Sonnenrad in Zahneingriff ist und jedes seiner äußeren Planetenräder mit einem seiner inneren Planetenräder und dem Hohlrad in Zahneingriff ist.
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Zur Beibehaltung des Kinematik des Radsatzsystems muss hierbei lediglich das erste Element jedes Minus-Planetenradsatzes als Sonnenrad, das zweite Element jedes Minus-Planetenradsatzes als Planetenradträger und das dritte Element jedes Minus-Planetenradsatzes als Hohlrad ausgebildet sein, während das erste Element jedes Plus-Planetenradsatzes als Sonnenrad, das zweite Element jedes Plus-Planetenradsatzes als Hohlrad und das dritte Element jedes Plus-Planetenradsatzes als Planetenradträger ausgebildet sein muss. Alle derartig generierten Varianten können mit der in 2 dargestellten Schaltlogik elf Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang schalten.
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Das erfindungsgemäße Getriebekonzept eignet sich auch vorzüglich für den Einbau in einen Hybridantriebstrang, was nachfolgend anhand der 4, 5 und 6 erläutert wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Anwendungsbeispiels eines Hybrid-Antriebstrangs mit dem Automatgetriebes gemäß 1. Wiederum umfasst das als Automatgetriebe ausgebildete Getriebe GE neben Antriebswelle AN und Abtriebswelle AB vier Planetenradsätze RS1, RS2, RS3, RS4 und sieben Schaltelemente C, B, D, E, A, M, H, alle im Getriebegehäuse GG angeordnet. Leicht ersichtlich ist, dass das in 4 dargestellte Getriebe GE kinematisch identisch mit dem in 1 dargestellten Getriebe GE ist.
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Antreibbar ist das Getriebe GE zum einen von einem Verbrennungsmotor VM, dessen Kurbelwelle VN über eine Anfahrkupplung AK mit der Antriebswelle AN des Getriebes GE verbindbar ist. Zur Schwingungsentkoppelung ist im Kraftfluss zwischen der Kurbelwelle VN und der Anfahrkupplung AK ein mechanischer Torsionsdämpfer TD vorgesehen. Zum anderen ist das Getriebe GE von einer zusätzlichen Elektromaschine EM antreibbar, die ihrerseits von einem Steuergerät EMC angesteuert und geregelt wird und beim Antreiben des Getriebes GE Energie aus einem Akkumulator EB bezieht. Im so genannten Rekuperationsbetrieb kann das Getriebe GE Energie über die dann vom Getriebe GE angetriebene Elektromaschine EM in diesen Akkumulator EB einspeisten. Hierzu ist ein Rotor EMR der Elektromaschine EM ständig mit der Antriebswelle AN des Getriebes GE direkt verbunden. Ein Stator EMS der Elektromaschine EM ist getriebegehäusefest.
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Der besondere Vorteil der in 4 vorgeschlagenen Konfiguration des zusätzlichen elektrischen Antriebs liegt darin, dass die gegenüber dem gattungsgemäßen Automatgetriebe zusätzliche Elektromaschine EM in äußerst einfacher Weise mit einem bereits vorhandenen Rumpfgetriebe kombinierbar ist, dass also an dem vorhandenem Rumpfgetriebe für die Hybridisierung keine tiefgreifenden getriebeinternen Änderungen vorzunehmen sind. So kann die Elektromaschine je nach Dimensionierung ihrer Antriebsleistung problemlos in den Einbauraum eines Drehmomentwandlers untergebracht werden, der in den meisten bekannten Automatgetrieben als getriebeexternes Anfahrelement im Bereich einer so genannten Wandlerglocke, die einen dem Verbrennungsmotor zugewandten Teil des Getriebegehäuses bildet, angeordnet ist. Bei Bedarf – also bei höherer elektrischer Antriebsleistung – ist eine Verlängerung dieser Wandlerglocke konstruktiv einfach realisierbar. Dem Hersteller des Hydridgetriebes ermöglicht die hier vorgeschlagene Konfiguration also, dass er neben dem Hybridgetriebe auch das gattungsgemäße Automatgetriebe ohne Elektromaschine als in Art eines modularen Baukastens einzeln anbieten kann.
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Räumlich gesehen ist die Elektromaschine EM in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel auf der dem Verbrennungsmotor VM zugewandten Seite der Getriebes GE angeordnet, baulängensparend in einem Bereich radial über dem Torsionsdämpfer TD und insbesondere radial über dem als Anfahrkupplung AK ausgebildeten und mit der Antriebswelle AN verbundenen getriebeexternen Anfahrelement des Getriebes GE.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Anwendungsbeispiels eines Hybrid-Antriebstrangs mit dem Automatgetriebes gemäß 1. Wiederum weist das als Automatgetriebe ausgebildete Getriebe GE neben Antriebswelle AN und Abtriebswelle AB vier Planetenradsätze RS1, RS2, RS3, RS4 und sieben Schaltelemente C, B, D, E, A, M, H auf, alle im Getriebegehäuse GG angeordnet. Leicht ersichtlich ist, dass das in 5 dargestellte Getriebe GE kinematisch identisch mit dem in 1 dargestellten Getriebe GE ist, jedoch ergänzt um einen zusätzlichen elektrischen Antrieb, der auf eine getriebeinterne Welle wirkt.
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Entsprechend ist das Getriebe GE zum einen von einem Verbrennungsmotor VM antreibbar, dessen Kurbelwelle VN unter Zwischenschaltung eines zur Schwingungsentkoppelung vorgesehenen mechanischen Torsionsdämpfers TD ohne separate Anfahrkupplung mit der Antriebswelle AN des Getriebes GE verbunden ist. Zum anderen ist das Getriebe GE von einer zusätzlichen Elektromaschine EM antreibbar, die ihrerseits von einem Steuergerät EMC angesteuert und geregelt wird und beim Antreiben des Getriebes GE Energie aus einem Akkumulator EB bezieht. Im so genannten Rekuperationsbetrieb kann das Getriebe GE Energie über die dann vom Getriebe GE angetriebene Elektromaschine EM in diesen Akkumulator EB einspeisten. Hierzu ist ein Rotor EMR der Elektromaschine EM ständig mit der ersten Welle wv1 des Vorschaltradsatzes VS – also mit dem Sonnenrad SO1 des ersten Planetenradsatzes RS1 – verbunden. Ein Stator EMS der Elektromaschine EM ist getriebegehäusefest.
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Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass im Kraftfluss zwischen der Kurbelwelle VN des Verbrennungsmotors VM und der Antriebswelle AN des Getriebes GE ein separates Anfahrelement angeordnet ist, beispielsweise eine Anfahrkupplung im Kraftfluss zwischen Torsionsdämpfer TD und Antriebswelle AN.
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Die in 5 vorgeschlagene kinematische Ankopplung der gegenüber 1 zusätzlichen Elektromaschine EM ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise ein so genanntes elektrodynamisches Gangschalten, bei dem die Elektromaschine EM die Lastschaltung übernimmt, also das im Schaltungsverlauf auftretende Stützmoment übernimmt. Zudem ergibt sich zumindest ein rein elektrischer Fahrgang, nämlich wenn die direkt auf den Vorschaltradsatz VS wirkende Bremse D und zeitgleich die direkt auf den Hauptradsatz HS wirkende Bremse M geschlossen sind.
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Zum Starten des Verbrennungsmotors VM durch die Elektromaschine EM ist es erforderlich, dass zusätzlich zur Anfahrkupplung AK die getriebeinternen Schaltelemente E und A zeitgleich geschlossen sind. Alternative hierzu kann der Verbrennungsmotor VM auch dann von der Elektromaschine EM gestartet werden, wenn die Anfahrkupplung AK und die getriebeinternen Schaltelemente D und A zeitgleich geschlossen sind. Der Verbrennungsmotor VM kann aber auch dann von der Elektromaschine EM gestartet werde, wenn die Anfahrkupplung AK und das getriebeinterne Schaltelement B zeitgleich geschlossen sind.
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In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektromaschine EM räumlich gesehen auf der dem Verbrennungsmotor VW zugewandten Seite der Getriebes GE angeordnet, baulängensparend in einem Bereich zumindest teilweise radial über dem Torsionsdämpfer TD und insbesondere zumindest teilweise radial über der mit der Antriebswelle AN verbundenen Kupplungsbaugruppe mit den Kupplungen H, E, A und B. Diese Anordnung in demjenigen Bereich, in dem bei einem herkömmlichen Wandler-Automatgetriebe der Drehmomentwandler angeordnet ist, ermöglicht die Bildung einer Baugruppe, umfassend die Elektromaschine EM, die Kupplungen H, E, A und B und den Torsionsdämpfer TD, als Substitution für den „klassischen“ Drehmomentwandler, wobei der Rotor EMK der Elektromaschine EM eine eigene und gegenüber dem herkömmlichen Wandler-Automatgetriebe zusätzliche Wellenverbindung zu der hier als Sonnenrad SO1 ausgebildeten ersten Welle wv1 des Vorschaltradsatzes VS benötigt. Diese Wellenverbindung kann beispielsweise über den Innenlamellenträger der Bremse C führen, beispielsweise derart, dass der Rotor EMK formschlüssig mit dem Innenlamellenträger der Bremse C verbunden ist und der Innenlamellenträger der Bremse C form- oder stoffschlüssig mit dem Sonnenrad SO1 verbunden ist.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Anwendungsbeispiels eines Hybrid-Antriebstrangs mit dem Automatgetriebes gemäß 1. Wiederum weist das als Automatgetriebe ausgebildete Getriebe GE neben Antriebswelle AN und Abtriebswelle AB vier Planetenradsätze RS1, RS2, RS3, RS4 und sieben Schaltelemente C, B, D, E, A, M, H auf, alle im Getriebegehäuse GG angeordnet. Leicht ersichtlich ist, dass das in 6 dargestellte Getriebe GE kinematisch identisch mit dem in 1 dargestellten Getriebe GE ist, jedoch ergänzt um einen zusätzlichen elektrischen Antrieb, der auf eine getriebeinterne Welle wirkt.
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Entsprechend ist das Getriebe GE zum einen von einem Verbrennungsmotor VM antreibbar, dessen Kurbelwelle VN unter Zwischenschaltung eines zur Schwingungsentkoppelung vorgesehenen mechanischen Torsionsdämpfers TD und einer separaten Anfahrkupplung AK mit der Antriebswelle AN des Getriebes GE verbunden ist. Zum anderen ist das Getriebe GE von einer zusätzlichen Elektromaschine EM antreibbar, die ihrerseits von einem Steuergerät EMC angesteuert und geregelt wird und beim Antreiben des Getriebes GE Energie aus einem Akkumulator EB bezieht. Im so genannten Rekuperationsbetrieb kann das Getriebe GE Energie über die dann vom Getriebe GE angetriebene Elektromaschine EM in diesen Akkumulator EB einspeisen. Hierzu ist ein Rotor EMR der Elektromaschine EM ständig mit der Verbindungswelle W, die den Vorschaltradsatz VS ständig mit dem Hauptradsatz HS verbindet, verbunden. Ein Stator EMS der Elektromaschine EM ist getriebegehäusefest.
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Sodann ist in 6 ein zusätzlicher Elektrostarter/-Generator SG vorgesehen, dessen Rotor über den Torsionsdämpfer TD mit der Kurbelwelle VN des Verbrennungsmotors VM wirkverbunden und dessen Stator getriebegehäusefest ist. Angesteuert wird der Elektrostarter/-Generator SG von dem Steuergerät EMC, vorrangig zum Starten des Verbrennungsmotors VM. Bei laufendem Verbrennungsmotor VM arbeitet der Elektrostarter/-Generator SG in Art einer klassischen Lichtmaschine, wobei die durch ihn erzeugte Energie, die nicht direkt vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbraucht wird, in dem Akkumulator EB gespeichert wird.
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Auch die in 6 vorgeschlagene kinematische Ankopplung der gegenüber 1 zusätzlichen Elektromaschine EM ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise ein so genanntes elektrodynamisches Gangschalten, bei dem die Elektromaschine EM die Lastschaltung übernimmt, also das im Schaltungsverlauf auftretende Stützmoment übernimmt. Zudem ergibt sich zumindest ein rein elektrischer Fahrgang mit mittelgroßer Übersetzung, nämlich die direkt auf den Hauptradsatz HS wirkende Bremse M geschlossen ist. Zudem ist ein Starten des Verbrennungsmotors VM durch die Elektromaschine EM möglich, beispielsweise dann, wenn die Anfahrkupplung AK und die direkt auf den Vorschaltradsatz VS wirkenden Schaltelemente C und E gleichzeitig geschlossen sind. Der Verbrennungsmotor VM auch dann von der Elektromaschine EM gestartet werden, wenn die Anfahrkupplung AK und die getriebeinternen Schaltelemente C und A zeitgleich geschlossen sind.
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Da über die Elektromaschine EM auch zumindest ein rein elektrischer Vorwärtsgang möglich ist, kann in einer zu 6 alternativen Ausgestaltung der kinematischen Ankopplung des Verbrennungsmotors VM an das Getriebe GE vorgesehen sein, dass die Antriebswelle AN des Getriebes GE ohne Zwischenschaltung eines separaten Anfahrelementes (wie beispielsweise einer Kupplung) mit der Kurbelwelle VN des Verbrennungsmotors VM (zweckmäßigerweise unter Zwischenschaltung eines drehschwingungsdämpfenden Torsionsdämpfers) wirkverbunden ist.
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In dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektromaschine EM räumlich gesehen baulängensparend in einem Bereich radial über dem Vorschaltradsatz VS angeordnet, wodurch der Rotor EMR der Elektromaschine EM über die dritte Welle wv3 des Vorschaltradsatzes VS mit der Verbindungswelle W verbunden ist.
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Bezugszeichen
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- EB
- Akkumulator
- EM
- Elektromaschine
- EMC
- Steuergerät der Elektromaschine
- EMR
- Rotor der Elektromaschine
- EMS
- Stator der Elektromaschine
- SG
- Elektrostarter/-Generator
- VM
- Verbrennungsmotor
- VN
- Kurbelwelle des Verbrennungsmotors
- AK
- Anfahrkupplung
- TD
- Torsionsdämpfer
- WD
- Drehmomentwandler
- WK
- Wandlerüberbrückungskupplung
- GE
- Getriebe
- GG
- Getriebegehäuse
- AB
- Abtriebswelle des Getriebes
- AN
- Antriebswelle des Getriebes
- n
- Drehzahl der Antriebswelle
- nab
- Drehzahl der Abtriebswelle
- HS
- Hauptradsatz des Getriebes
- K1
- erste Koppelwelle des Hauptradsatzes
- K2
- zweite Koppelwelle des Hauptradsatzes
- wh1
- erste Welle des Hauptradsatzes
- wh2
- zweite Welle des Hauptradsatzes
- wh3
- dritte Welle des Hauptradsatzes
- wh4
- vierte Welle des Hauptradsatzes
- VS
- Vorschaltradsatz des Getriebes
- W
- Verbindungswelle zwischen Vorschaltradsatz und Hauptradsatz
- wv1
- erste Welle des Vorschaltradsatzes
- wv2
- zweite Welle des Vorschaltradsatzes
- wv3
- dritte Welle des Vorschaltradsatzes
- wv4
- vierte Welle des Vorschaltradsatzes
- A
- fünftes Schaltelement, verbunden mit dem Vorschaltradsatz
- B
- zweites Schaltelement, verbunden mit dem Vorschaltradsatz
- C
- erstes Schaltelement, verbunden mit dem Vorschaltradsatz
- D
- drittes Schaltelement, verbunden mit dem Vorschaltradsatz
- E
- viertes Schaltelement, verbunden mit dem Vorschaltradsatz
- H
- siebtes Schaltelement, verbunden mit dem Hauptradsatz
- M
- sechstes Schaltelement, verbunden mit dem Hauptradsatz
- RS1
- erster Planetenradsatz
- SO1
- Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes
- ST1
- Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes
- HO1
- Hohlrad des ersten Planetenradsatzes
- RS2
- zweiter Planetenradsatz
- SO2
- Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes
- ST2
- Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes
- ST12
- gemeinsamer Planetenradträger des ersten und zweiten Planetenradsatzes
- HO2
- Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes
- HO12
- gemeinsames Hohlrad des ersten und zweiten Planetenradsatzes
- RS3
- dritter Planetenradsatz
- SO3
- Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes
- ST3
- Planetenradträger des dritten Planetenradsatzes
- HO3
- Hohlrad des dritten Planetenradsatzes
- RS4
- vierter Planetenradsatz
- SO4
- Sonnenrad des vierten Planetenradsatzes
- ST4
- Planetenradträger des vierten Planetenradsatzes
- HO4
- Hohlrad des vierten Planetenradsatzes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1373756 B1 [0003]
- US 2015/0099603 A1 [0004]
