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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug, sowie einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Getriebe. Ein Getriebe bezeichnet hier insbesondere ein mehrgängiges Getriebe, bei dem eine Vielzahl von Gängen, also feste Übersetzungsverhältnisse zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle des Getriebes, durch Schaltelemente vorzugsweise automatisch schaltbar sind. Bei den Schaltelementen handelt es sich hier beispielsweise um Kupplungen oder Bremsen. Derartige Getriebe finden vor allem in Kraftfahrzeugen Anwendung, um die Drehzahl- und Drehmomentabgabecharakteristik der Antriebseinheit den Fahrwiderständen des Fahrzeugs in geeigneter Weise anzupassen.
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Das Patent
US 8,353,803 B2 beschreibt ein Automatikgetriebe mit einer Eingangswelle, einer parallel zur Eingangswelle angeordneten Ausgangswelle, zwei Planetenradsätze, sowie zwei Bremsen und drei Kupplungen. Das Automatikgetriebe ist dazu eingerichtet sechs Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang bereitzustellen. Ein Element von jedem der Planetenradsätze ist über einen Stirntrieb mit der Ausgangswelle verbunden.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2011 079 716 A1 der Anmelderin beschreibt ein Mehrstufengetriebe mit einem ähnlichen Aufbau, welches ebenso zur Ausbildung von sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang eingerichtet ist. Das Mehrstufengetriebe weist zwei Planetenradsätze mit einer festbremsbaren Steg-Hohlrad-Koppelung auf. Der freie Steg ist über eine Stirnradstufe mit der achsparallelen Abtriebswelle ständig verbunden, und weist keine schaltbare Verbindung zur Antriebswelle auf.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die im Stand der Technik bekannten Getriebe weiterzuentwickeln, sodass sieben Gangstufen zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle zur Verfügung stehen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren.
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Das Getriebe weist eine Antriebswelle, eine achsversetzt zur Antriebswelle angeordnete Abtriebswelle, zwei Planetenradsätze, zwei Stirnradsätze mit zueinander unterschiedlichem Übersetzungsverhältnis, sowie ein erstes, zweites und drittes Schaltelement auf.
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Ein Planetenradsatz umfasst ein Sonnenrad, einen Steg und ein Hohlrad. An dem Steg drehbar gelagert sind Planetenräder, welche mit der Verzahnung des Sonnenrades und/oder mit der Verzahnung des Hohlrads kämmen. Ein Minus-Radsatz bezeichnet einen Planetenradsatz mit einem Steg, an dem die Planetenräder drehbar gelagert sind, mit einem Sonnenrad und mit einem Hohlrad, wobei die Verzahnung zumindest eines der Planetenräder sowohl mit der Verzahnung des Sonnenrades, als auch mit der Verzahnung des Hohlrades kämmt, wodurch das Hohlrad und das Sonnenrad in entgegengesetzte Drehrichtungen rotieren, wenn das Sonnenrad bei feststehendem Steg rotiert. Ein Plus-Radsatz unterscheidet sich zu dem gerade beschriebenen Minus-Planetenradsatz dahingehend, dass der Plus-Radsatz innere und äußere Planetenräder aufweist, welche drehbar an dem Steg gelagert sind. Die Verzahnung der inneren Planetenräder kämmt dabei einerseits mit der Verzahnung des Sonnenrads und andererseits mit der Verzahnung der äußeren Planetenräder. Die Verzahnung der äußeren Planetenräder kämmt darüber hinaus mit der Verzahnung des Hohlrades. Dies hat zur Folge, dass bei feststehendem Steg das Hohlrad und das Sonnenrad in die gleiche Drehrichtung rotieren. Ein Stirnradsatz umfasst zwei Zahnräder, die unterschiedliche Drehachsen aufweisen und miteinander kämmen.
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Jeder der Planetenradsätze weist ein erstes, zweites und drittes Element auf.
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Das erste Element wird stets durch das Sonnenrad des jeweiligen Planetenradsatzes gebildet. Bei einer Ausbildung als Minus-Radsatz wird das zweite Element durch den Steg des jeweiligen Planetenradsatzes gebildet, und das dritte Element durch das Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes. Bei einer Ausbildung als Plus-Radsatz wird das zweite Element durch das Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes gebildet, und das dritte Element durch den Steg des jeweiligen Planetenradsatzes. Wird ein Minus-Radsatz durch einen Plus-Radsatz ersetzt, so ist neben der veränderten Anbindung der Elemente Steg und Hohlrad der Betrag der Standgetriebeübersetzung um den Wert Eins zu erhöhen, um dieselbe Übersetzungswirkung zu erzielen.
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Die Abtriebswelle ist über den ersten Stirnradsatz mit dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes ständig wirkverbunden. In anderen Worten ist ein Zahnrad des ersten Stirnradsatzes mit dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes ständig verbunden, und ein weiteres Zahnrad des ersten Stirnradsatzes ist mit der Abtriebswelle ständig verbunden. Der erste Stirnradsatz ist somit in einer ständigen Wirkverbindung zwischen dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle angeordnet. Das zweite Element des ersten Planetenradsatzes ist mit dem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes ständig verbunden.
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Durch Schließen des Schaltelements ist das zweite Element des ersten Planetenradsatzes, und das damit verbundene dritte Element des zweiten Planetenradsatzes, drehfest festsetzbar. Durch Schließen des zweiten Schaltelements ist das erste Element des ersten Planetenradsatzes drehfest festsetzbar. Das erste und zweite Schaltelement wirken somit als Bremsen. Durch Schließen des dritten Schaltelements ist die Antriebswelle mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes verbindbar. Das dritte Schaltelement wirkt somit als Kupplung.
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Erfindungsgemäß weist das Getriebe ein viertes, fünftes und sechstes Schaltelement auf. Durch Schließen des vierten Schaltelements ist die Antriebswelle mit dem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes verbindbar. Durch Schließen des fünften Schaltelements ist das erste Element des ersten Planetenradsatzes mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes verbindbar. Durch Schließen des sechsten Schaltelements ist eine drehmomentführende Verbindung zwischen der Abtriebswelle und dem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes herstellbar, wobei der zweite Stirnradsatz in dieser drehmomentführenden Verbindung angeordnet ist. In anderen Worten führt der Leistungsfluss zwischen Abtriebswelle und zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes bei geschlossenem sechsten Schaltelement über den zweiten Stirnradsatz.
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Ein Getriebe mit dieser erfindungsgemäßen Zuordnung der einzelnen Getriebeelemente ermöglicht die Bildung von sieben Gangstufen, was nachfolgend detailliert beschrieben wird. Zudem weist ein solches Getriebe einen axial kompakten Aufbau, geringe Bauteilbelastungen sowie einen guten Verzahnungswirkungsgrad auf.
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Durch selektives Schließen der sechs Schaltelemente sind sieben gleichgerichtete Gangstufen zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle ausbildbar. Die erste Gangstufe wird durch Schließen des ersten Schaltelements, des dritten Schaltelements und des sechsten Schaltelements gebildet. Die zweite Gangstufe wird durch Schließen des zweiten Schaltelements, des dritten Schaltelements und des sechsten Schaltelements gebildet. Die dritte Gangstufe wird durch Schließen des dritten Schaltelements, des fünften Schaltelements und des sechsten Schaltelements gebildet. Die vierte Gangstufe wird zumindest durch Schließen des vierten Schaltelements und des sechsten Schaltelemente gebildet. Die fünfte Gangstufe wird durch Schließen des dritten Schaltelements, des vierten Schaltelements und des fünften Schaltelements gebildet. Die sechste Gangstufe wird durch Schließen des zweiten Schaltelements, des dritten Schaltelements und des vierten Schaltelements gebildet. Die siebente Gangstufe wird durch Schließen des zweiten Schaltelements, des vierten Schaltelements und des fünften Schaltelements gebildet. Dadurch wird, bei geeigneter Wahl der Standgetriebeübersetzungen der Planetenradsätze, eine für die Anwendung im Kraftfahrzeug gut geeignete Übersetzungsreihe erzielt. Zudem weisen zwei benachbarte Gangstufen stets zwei Schaltelemente auf, die in beiden diesen Gängen geschlossen sind. Dies vereinfacht den Schaltvorgang und verkürzt die Schaltdauer zwischen benachbarten Gangstufen.
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Durch Schließen des vierten und des sechsten Schaltelements ist das Drehzahlverhältnis zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle bereits definiert, wodurch die vierte Gangstufe gebildet wird. Durch Schließen eines weiteren Schaltelements werden auch die Drehzahlverhältnisse der übrigen Elemente des Getriebes festgelegt, wodurch die Steuerung des Getriebes vereinfacht wird. Zudem können durch Schließen eines weiteren Schaltelements die Schleppverluste des Getriebes reduziert werden. Dazu wird in der vierten Gangstufe vorzugsweise zusätzlich das dritte oder das fünfte Schaltelement geschlossen, wodurch eine gute Anbindung an die benachbarten Gangstufen drei und fünf besteht.
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Vorzugsweise wird eine zu den Gangstufen eins bis sieben entgegengerichtete Gangstufe durch Schließen des ersten Schaltelemente, des dritten Schaltelements und des fünften Schaltelements gebildet. Da in der Gangstufe ebenso das erste und dritte Schaltelement geschlossen sind, ist ein Umschaltvorgang zur ersten Gangstufe besonders einfach darstellbar.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist durch Schließen des sechsten Schaltelements das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes mit einem Zahnrad des zweiten Stirnradsatzes verbindbar. Alternativ dazu kann das sechste Schaltelement auch koaxial zur Abtriebswelle angeordnet sein, wobei durch Schließen des sechsten Schaltelements die Abtriebswelle mit einem Zahnrad des zweiten Stirnradsatzes verbunden wird, welches koaxial zur Abtriebswelle ist. Durch die letztgenannte Variante kann die axiale Baulänge des Getriebes verkürzt werden.
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Prinzipiell kann jedes der sechs Schaltelemente als formschlüssiges Schaltelement, also beispielsweise als Klauenkupplung, oder als kraftschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein, also beispielsweise als Lamellenkupplung. Vorzugsweise sind das erste Schaltelement und/oder das dritte Schaltelement als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet. Formschlüssige Schaltelemente stellen im geschlossenen Zustand die Verbindung durch Formschluss her, und zeichnen sich im geöffneten Zustand durch geringere Schleppverluste als kraftschlüssige Schaltelemente aus. Durch die im geöffneten Zustand geringen Schleppverluste wird der Wirkungsgrad des Getriebes verbessert, besonders da das erste Schaltelement lediglich im ersten der sechs Gangstufen geschlossen sein muss, sofern es nicht zur Bildung der vierten Gangstufe beiträgt. Bei Verwendung des Getriebes im Kraftfahrzeug-Antriebsstrang ist das erste Schaltelement daher überwiegend geöffnet. Der mechanische Wirkungsgrad des Kraftfahrzeug-Antriebsstranges kann mit einem derart ausgebildeten Getriebe entsprechend verbessert werden Gemäß einer alternativen Ausführung können das erste und/oder das dritte Schaltelement als ein kraftschlüssiges Reibschaltelement ausgebildet sein, dessen Lamellen ausschließlich belaglose Reibflächen aufweisen. In anderen Worten weist der scheibenförmige Grundkörper jeder Lamelle des Reibschaltelements keinen auf die Lamelle aufgebrachten Reibbelag auf. Die Reibflächen einzelner oder sämtlicher Lamellen eines solchen Reibschaltelements können jedoch wärmebehandelt sein, beispielsweise nitriert. Derartige Reibschaltelemente sind für hohe Flächenpressungen ausgelegt, und können daher mit kleiner Reibfläche und wenigen Lamellen ausgebildet werden. Dadurch können die Schleppverluste eines solchen Schaltelements im geöffneten Zustand reduziert werden. Das erste Schaltelement kann auch als Bandbremse ausgebildet sein.
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Vorzugsweise umfasst das Getriebe eine elektrische Maschine mit einem drehfesten Stator und einem drehbaren Rotor. Der Rotor steht dabei entweder mit der Antriebswelle oder mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes in ständiger Antriebswirkverbindung. Diese Antriebswirkverbindung kann dabei als direkte Verbindung oder über ein festes Übersetzungsverhältnis ausgebildet sein, beispielsweise über einen zusätzlichen Planetenradsatz, wobei ein Element dieses Planetenradsatzes drehfest festgesetzt ist. Beispielsweise könnte dessen Sonnenrad ständig drehfest festgesetzt, dessen Steg mit der Antriebswelle, bzw. dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden und dessen Hohlrad mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbunden sein, sodass die Drehzahl des Rotors im Vergleich zum Anbindungselement vergrößert wird. Durch die elektrische Maschine kann die Funktionalität des Getriebes erweitert werden, wodurch sich das Getriebe für den Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs eignet. Die Anbindung des Rotors an die Antriebswelle erlaubt die Nutzung sämtlicher Gangstufen bei Antrieb des Hybridfahrzeugs mittels der elektrischen Maschine. Die Anbindung des Rotors an das erste Element des zweiten Planetenradsatzes erlaubt unter Anderem einen stufenlosen Betrieb des Getriebes.
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Das Getriebe kann eine Anschlusswelle aufweisen, welche als Schnittstelle zu einer getriebeexternen Antriebseinheit dient, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine. Die Anschlusswelle ist über eine Trennkupplung mit der Antriebswelle verbindbar. Alternativ dazu kann die Trennkupplung samt der Anschlusswelle auch außerhalb des Getriebes angeordnet sein. Die Trennkupplung ist, als Bestandteil des Getriebes, vorzugsweise radial innerhalb der elektrischen Maschine angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Ausbildung des Getriebes begünstigt. Durch Öffnen der Trennkupplung kann das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine angetrieben werden, ohne die getriebeexterne Antriebseinheit mitzuschleppen. Die Trennkupplung kann als formschlüssiges oder als kraftschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein.
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Das Getriebe kann einen Torsionsschwingungsdämpfer aufweisen, welcher zur Dämpfung von Drehschwingungen eingerichtet ist, und vorzugsweise in der Wirkverbindung zwischen zwei Abschnitten der Anschlusswelle angeordnet ist. Der erste Abschnitt der Anschlusswelle ist der Schnittstelle zur getriebeexternen Antriebseinheit zugeordnet, und der zweite Abschnitt der Anschlusswelle ist der Trennkupplung zugeordnet. Derart können von der getriebe-externen Antriebseinheit erzeugte Drehschwingungen zur Antriebswelle hin gedämpft werden.
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Ist der Rotor an das erste Element des zweiten Planetenradsatzes angebunden, so ist die Bildung von drei elektrisch antreibbaren Gangstufen zwischen dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle möglich. Dabei sind in jedem der drei elektrisch antreibbaren Gangstufen zwei der sechs Schaltelemente geschlossen. Die erste elektrisch antreibbare Gangstufe wird durch Schließen des ersten Schaltelements und des sechsten Schaltelements gebildet. Die zweite elektrisch antreibbare Gangstufe wird durch Schließen des zweiten Schaltelements und des sechsten Schaltelements gebildet. Die dritte elektrisch antreibbare Gangstufe wird durch Schließen des fünften Schaltelements und des sechsten Schaltelements gebildet. Bei einem Schaltvorgang zwischen den drei elektrisch antreibbaren Gangstufen muss je nur ein Schaltelement geöffnet und ein Schaltelement geschlossen werden, da das sechste Schaltelement in allen drei elektrisch antreibbaren Gangstufen geschlossen ist. Dies erleichtert den Schaltvorgang zwischen den drei elektrisch antreibbaren Gangstufen. In allen drei elektrisch antreibbaren Gangstufen sind das dritte und vierte Schaltelement geöffnet, wodurch kein Drehmoment auf die Antriebswelle übertragen wird. Die Trennkupplung zwischen der Antriebswelle und der getriebeexternen Antriebseinheit kann somit gegebenenfalls entfallen.
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Ist der Rotor an das erste Element des zweiten Planetenradsatzes angebunden, so ist die Bildung eines elektrisch antreibbaren Rückwärtsganges möglich. Da elektrische Maschinen in beide Drehrichtungen betrieben werden können, ist ein solcher Rückwärtsgang nicht zwingend erforderlich. Weist das Getriebe eine mechanisch angetriebene Pumpe zur Druckversorgung von hydraulischen Verbrauchern auf, so ist bei einer Rückwärtsdrehung der elektrischen Maschine darauf zu achten, dass die Pumpe bei Rückwärtsantrieb nicht Hydraulikfluid aus dem System zurück in den Sumpf fördert. Durch eine Drehrichtungsumkehr, also einen elektrisch antreibbaren Rückwärtsgang, kann diese Problemstellung auf einfache Weise gelöst werden. Der elektrisch antreibbare Rückwärtsgang wird durch Schließen des ersten Schaltelements und des fünften Schaltelements gebildet. Das dritte und vierte Schaltelement sind dabei geöffnet, wodurch kein Drehmoment von der elektrischen Maschine auf die Antriebswelle übertragen wird. Die Trennkupplung zwischen der Antriebswelle und der getriebeexternen Antriebseinheit kann somit gegebenenfalls entfallen.
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Soll das Kraftfahrzeug ausgehend von einem elektrischen Fahrbetrieb in einen verbrennungsmotorischen Betrieb oder einen hybridischen Betrieb wechseln, so kann von jedem der elektrisch antreibbaren Gänge in eine passende Gangstufe gewechselt werden, indem das dritte Schaltelement geschlossen wird. Durch Schließen des dritten Schaltelements erfolgt ein Wechsel vom elektrisch antreibbaren Rückwärtsgang in den eigentlichen Rückwärtsgang. Durch Schließen des dritten Schaltelements erfolgt ein Wechsel von der ersten elektrisch antreibbaren Gangstufe in die erste Gangstufe. Durch Schließen des dritten Schaltelements erfolgt ein Wechsel von der zweiten elektrisch antreibbaren Gangstufe in die zweite Gangstufe. Durch Schließen des dritten Schaltelements erfolgt ein Wechsel von der dritten elektrisch antreibbaren Gangstufe in die dritte Gangstufe. Durch Schließen des vierten Schaltelements kann ausgehend von der ersten, zweiten oder dritten elektrisch antreibbaren Gangstufe auch in die vierte Gangstufe geschalten werden. Somit kann bei einem Wechsel ausgehend vom elektrischen Fahrbetrieb in den verbrennungsmotorischen oder hybridischen Betrieb eine hohe Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden, wodurch der Fahrkomfort und das Akustikverhalten während dieser Übergangsphase verbessert wird.
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Ist der Rotor an das erste Element des zweiten Planetenradsatzes angebunden, so ist die Ausbildung zumindest eines Überlagerungs-Betriebsmodus möglich. Der Überlagerungs-Betriebsmodus ergibt sich dabei durch Schließen des vierten Schaltelements und durch Schließen des fünften oder des zweiten Schaltelements. Die übrigen Schaltelemente sind dabei geöffnet. Durch Schließen des vierten Schaltelements ist die Antriebswelle mit dem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden, wodurch eine an der Antriebswelle vorgegebene Drehzahl an diesem Element anliegt. Durch Vorgabe der Rotordrehzahl ist die Drehzahl des ersten Elements des zweiten Planetenradsatzes festlegbar. Dadurch ist die Drehzahl des dritten Elements des zweiten Planetenradsatzes festgelegt, und stufenlos variierbar. Durch Schließen des fünften oder des zweiten Schaltelements wird die am dritten Element des zweiten Planetenradsatzes anliegende Leistung an die Abtriebswelle übertragen. Dadurch kann beispielsweise die Abtriebsdrehzahl bei vorgegebener Drehzahl der Antriebswelle und Vorgabe der Rotordrehzahl stufenlos verändert werden. Somit kann bei Verwendung des Getriebes im Kraftfahrzeugantriebsstrang auch ein Anfahrvorgang dargestellt werden, ohne ein Schaltelement des Getriebes als Anfahrelement im Schlupfbetrieb zu halten.
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Vorzugsweise weist das Getriebe eine Pumpe zur Druckversorgung von hydraulischen Verbrauchern auf, wobei die Pumpe in ständiger Antriebswirkverbindung mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes steht. Denn das Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes kann in jedem Gang mit der gleichen Drehrichtung betrieben werden, wodurch bei Betrieb der Pumpe die Drehrichtung unberücksichtigt bleiben kann. Dies erlaubt den Einsatz eines einfachen und kostengünstigen Pumpensystems.
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Prinzipiell kann dem Getriebe in bekannter Weise ein Anfahrelement vorangeschaltet werden, beispielsweise ein hydrodynamischer Drehmomentwandler oder eine Reibkupplung. Ein solches Anfahrelement kann auch integraler Bestandteil des Getriebes sein. Das Anfahrelement ermöglicht bei Verwendung des Getriebes im Kraftfahrzeug-Antriebsstrang einen Anfahrvorgang, indem es einen Schlupfzustand zwischen Verbrennungsmotor und Abtriebswelle ermöglicht. Bevorzugt ist ein solches Anfahrelement jedoch innerhalb des Getriebes ausgebildet, indem das dritte Schaltelement als Reibschaltelement ausgebildet wird. Durch Schlupfbetrieb des dritten Schaltelements ist ein Anfahrvorgang in allen niedrigen Gangstufen und im Rückwärtsgang möglich. Somit kann ein separates Anfahrelement entfallen. Ist das dritte Schaltelement als ein formschlüssiges Schaltelement ausgebildet oder erlaubt es keine genaue Regelung eines Schlupfzustandes, so kann ein Schlupfzustand beim Anfahren durch das sechste Schaltelement für einen Anfahrvorgang in Vorwärtsrichtung und durch das fünfte Schaltelement für einen Anfahrvorgang in Rückwärtsrichtung erreicht werden, Das sechste, bzw. fünfte Schaltelement sind dazu als geeignete kraftschlüssige Schaltelemente auszubilden.
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Das Getriebe kann Bestandteil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs sein. Der Antriebsstrang weist neben dem Getriebe auch eine Verbrennungskraftmaschine auf, welche über einen Torsionsschwingungsdämpfer mit der Antriebswelle des Getriebes drehelastisch verbunden ist. Zwischen Antriebswelle und Verbrennungskraftmaschine kann sich die Trennkupplung befinden, welche Bestandteil des Getriebes sein kann. Die Abtriebswelle des Getriebes ist mit einem Achsgetriebe antriebswirkverbunden, welche mit Rädern des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Weist das Getriebe die elektrische Maschine auf, so ermöglicht der Antriebsstrang mehrere Antriebsmodi des Kraftfahrzeugs. In einem elektrischen Fahrbetrieb wird das Kraftfahrzeug von der elektrischen Maschine des Getriebes angetrieben. In einem verbrennungsmotorischen Betrieb wird das Kraftfahrzeug von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben. In einem hybridischen Betrieb wird das Kraftfahrzeug sowohl von der Verbrennungskraftmaschine als auch von der elektrischen Maschine des Getriebes angetrieben.
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Eine ständige Verbindung wird als Verbindung zwischen zwei Elementen bezeichnet, die stets besteht. Derart ständig verbundene Elemente drehen stets mit der gleichen Abhängigkeit zwischen deren Drehzahlen. In einer ständigen Verbindung zwischen zwei Elementen kann sich kein Schaltelement befinden. Eine ständige Verbindung ist daher von einer schaltbaren Verbindung zu unterscheiden. Eine ständig drehfeste Verbindung wird als Verbindung zwischen zwei Elementen bezeichnet, die stets besteht und deren verbundene Elemente somit stets die gleiche Drehzahl aufweisen.
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Unter dem Begriff „Schließen eines Schaltelements“ wird im Zusammenhang mit der Gangbildung ein Vorgang verstanden, bei dem das Schaltelement so angesteuert wird, dass es am Ende des Schließvorgangs ein hohes Maß an Drehmoment überträgt. Während formschlüssige Schaltelemente im „geschlossenen“ Zustand keine Differenzdrehzahl zulassen, ist bei kraftschlüssigen Schaltelementen im „geschlossenen“ Zustand die Ausbildung einer geringen Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften gewollt oder ungewollt möglich.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben. Gleiche und vergleichbare Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 bis 5 je eine schematische Darstellung eines Getriebes gemäß ersten bis fünften Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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6 ein Schaltschema;
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7 ein zusätzliches Schaltschema für das Getriebe gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel; und
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8 eine schematische Darstellung einen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt ein Getriebe G gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Getriebe G umfasst einen ersten Planetenradsatz P1, einen zweiten Planetenradsatz P2, einen ersten Stirnradsatz ST1, einen zweiten Stirnradsatz ST2, eine Antriebswelle GW1, eine achsparallel zur Antriebswelle GW1 angeordnete Abtriebswelle GW2, sowie ein erstes Schaltelement B1, ein zweites Schaltelement B2, ein drittes Schaltelement K2, ein viertes Schaltelement K1, ein fünftes Schaltelement K3 und ein sechstes Schaltelement K4.
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Jeder der Planetenradsätze P1, P2 weist ein erstes Element E11, E12, ein zweites Element E21, E22 und ein drittes Element E31, E32 auf. Das erste Element E11, E12 ist stets durch ein Sonnenrad des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2 gebildet. Ist der Planetenradsatz als ein Minus-Radsatz ausgebildet, so ist das zweite Element E21, E22 durch einen Steg des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2 gebildet und das dritte Element E31, E32 durch das Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2. In der in 1 dargestellten Ausführungsform des Getriebes G sind die Planetenradsätze P1, P2, P3 als Minus-Radsätze ausgebildet. Ist der Planetenradsatz als ein Plus-Radsatz ausgebildet, so ist das zweite Element E21, E22 durch das Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2 gebildet und das dritte Element E31, E32 durch den Steg des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Plus-Radsatz-Varianten nicht in den Figuren dargestellt.
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Das zweite Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 ist mit dem dritten Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 ständig verbunden. Das dritte Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 ist über den ersten Stirnradsatz ST1 mit der Abtriebswelle GW2 ständig wirkverbunden. Der erste Stirnradsatz ST1 befindet sich somit in der Wirkverbindung zwischen des Abtriebswelle GW2 und dem dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1. Dementsprechend ist das dritte Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 mit einem ersten Zahnrad des ersten Stirnradsatzes ST1 verbunden und ein weiteres Zahnrad des ersten Stirnradsatzes ST1 ist mit der Abtriebswelle GW2 ständig verbunden. Zwischen der Drehzahl der Abtriebswelle GW2 und der Drehzahl des dritten Elements E31 des ersten Planetenradsatzes P1 besteht somit ein konstantes Übersetzungsverhältnis.
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Durch Schließen des ersten Schaltelementes B1 ist das zweite Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 drehfest festsetzbar, indem es mit einem drehfesten Bauelement GG des Getriebes G verbunden wird. Das drehfeste Bauelement GG kann beispielsweise durch das Getriebegehäuse des Getriebes G gebildet sein. Durch Schließen des zweiten Schaltelementes B2 ist das erste Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 in gleicher Weise drehfest festsetzbar. Das erste Schaltelement B1 und das zweite Schaltelement B2 wirken somit als Bremsen. Durch Schließen des dritten Schaltelementes K2 ist die Antriebswelle GW1 mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbindbar. Durch Schließen des vierten Schaltelementes K1 ist die Antriebswelle GW1 mit dem zweiten Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbindbar. Durch Schließen des fünften Schaltelementes K3 ist das erste Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbindbar. Durch Schließen des sechsten Schaltelementes K4 ist das zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 mit einem Zahnrad des zweiten Stirnradsatzes ST2 verbindbar. Das dritte bis sechste Schaltelement wirken somit als Kupplungen. Das koaxial zur Abtriebswelle GW2 angeordnete Zahnrad des zweiten Stirnradsatzes ST2 ist mit der Abtriebswelle GW2 ständig verbunden. Durch Schließen des sechsten Schaltelements K4 ist somit eine drehmomentführende Wirkverbindung zwischen der Abtriebswelle GW2 und dem zweiten Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 herstellbar.
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Jedes der sechs Schaltelemente B1, B2, K1, K2, K3, K4 kann als formschlüssiges Schaltelement oder als kraftschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein. Dies gilt für sämtliche Ausführungsbeispiele. Im in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind sämtliche dieser Schaltelemente schematisch als kraftschlüssige Schaltelemente dargestellt. Die in 1 gewählte Anordnung der Schaltelemente ist lediglich beispielhaft anzusehen und kann bei Bedarf verändert werden. Beispielsweise kann das fünfte Schaltelement K3 zumindest abschnittsweise radial innerhalb des zweiten Schaltelementes B2 angeordnet sein. In gleicher Weise könnte das sechste Schaltelement K4 radial innerhalb des vierten Schaltelementes K1 angeordnet sein. Der Fachmann wird abhängig von äußeren Randbedingungen eine entsprechende Auswahl der möglichen Anordnungen der sechs Schaltelemente treffen.
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2 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches im Wesentlichen dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Lediglich die Anordnung des sechsten Schaltelementes K4 wurde verändert, so dass das zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 nun ständig mit dem koaxial zur Antriebswelle GW1 angeordneten Zahnrad des zweiten Stirnradsatzes ST2 verbunden ist. Das sechste Schaltelement K4 ist nun koaxial zur Abtriebswelle GW2 angeordnet. Durch Schließen des sechsten Schaltelementes K4 wird die Abtriebswelle GW2 mit dem der Abtriebswelle GW2 zugeordneten Zahnrad des zweiten Stirnradsatzes ST2 verbunden.
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3 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches im Wesentlichen dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Das Getriebe G weist nun eine elektrische Maschine EM auf, welche einen drehfesten Stator S und einen drehbaren Rotor R umfasst. Der Rotor R ist dabei ständig mit der Antriebswelle GW1 verbunden. Darüber hinaus weist das Getriebe G eine Anschlusswelle AN auf, welche über eine Trennkupplung K0 mit der Antriebswelle GW1 verbindbar ist. Die elektrische Maschine EM ist dazu eingerichtet, Leistung auf die Antriebswelle GW1 aufzubringen, oder von dieser Leistung aufzunehmen. Bei Verwendung des Getriebes G im Kraftfahrzeugantriebsstrang ist das Getriebe G mittels der elektrischen Maschine EM dazu eingerichtet, das Fahrzeug anzutreiben oder generatorisch abzubremsen.
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4 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches im Wesentlichen dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel entspricht. Das Getriebe G wurde wie im dritten Ausführungsbeispiel um die elektrische Maschine ergänzt.
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5 zeigt schematisch ein Getriebe G entsprechend eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches im Wesentlichen dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Der Rotor R der elektrischen Maschine EM ist nun an dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 angebunden. Die Anschlusswelle AN sowie die Trennkupplung K0 entfallen. Durch eine solche Anbindung der elektrischen Maschine EM ist neben verschiedenen elektrisch antreibbaren Fahrgängen auch ein stufenloser Betrieb des Getriebes G möglich. Eine solche Anbindung ist auch bei einer Ausführung des Getriebes G mit einer Anordnung des sechsten Schaltelements K4 koaxial zur Abtriebswelle GW2 denkbar.
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6 zeigt ein Schaltschema, welches für sämtliche Ausführungsbeispiele des Getriebes G anwendbar ist. In den Zeilen des Schaltschemas sind ein Rückwärtsgang R1 sowie eine erste bis siebente Gangstufe 1 bis 7 angegeben. Dabei sind insgesamt vier Varianten 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 zur Bildung der vierten Gangstufe 4 angegeben. In den Spalten des Schaltschemas ist durch ein X gekennzeichnet, welche der Schaltelemente B1, B2, K1, K2, K3, K4 in welchem Gang 1 bis 7, bzw. R1 geschlossen sind. Die Gänge beziehen sich dabei auf feste Übersetzungsverhältnisse zwischen der Antriebswelle GW1 und der Abtriebswelle GW2 des Getriebes G.
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7 zeigt ein zusätzliches Schaltschema für das Getriebe G gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel. In den Zeilen des Schaltschemas sind ein elektrisch antreibbarer Rückwärtsgang ER1, erste bis dritte elektrisch antreibbare Gangstufen E1 bis E3 sowie ein erster Überlagerungs-Betriebsmodus EDA1 und ein zweiter Überlagerungs-Betriebsmodus EDA2 angegeben. In den Spalten des Schaltschemas ist durch ein X gekennzeichnet, welche der Schaltelemente B1, B2, K1, K2, K3, K4 in welchem Gang, beziehungsweise Betriebsmodus geschlossen sind. Der elektrisch antreibbare Rückwärtsgange ER1 und die elektrisch antreibbaren Gangstufen E1 bis E3 beziehen sich auf feste Übersetzungsverhältnisse zwischen dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 und der Abtriebswelle GW2. In diesen elektrisch antreibbaren Gängen ER, E1, E2, E3 erfolgt keine Drehmomentübertragung zur Antriebswelle GW1, da das dritte und vierte Schaltelement K2, K1 geöffnet sind. Eine getriebeexterne Antriebseinheit, welche mit der Antriebswelle GW1 verbunden ist, wird somit in den elektrischen Gängen ER1, E1, E2, E3 nicht mitgeschleppt. Die Überlagerungs-Betriebsmodi EDA1, EDA2 beziehen sich auf stufenlose Betriebsmodi des Getriebes G. Bei vorgegebener Drehzahl der Antriebswelle GW1 und Vorgabe der Drehzahl des Rotors R ist in den Überlagerungs-Betriebsmodi EDA1, EDA2 ein stufenloser Betrieb des Getriebes G möglich. In den Überlagerungs-Betriebsmodi EDA1, EDA2 kann somit beispielsweise ein Anfahrvorgang eines Kraftfahrzeugs mit dem Getriebe G dargestellt werden.
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8 zeigt schematisch einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Eine Verbrennungskraftmaschine VKM ist über einen Torsionsschwingungsdämpfer TS mit der Anschlusswelle AN des Getriebes G verbunden. Das in 8 dargestellte Getriebe G entspricht dem in 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dies ist lediglich beispielhaft anzusehen. Die Verbrennungskraftmaschine VKM könnte über den Torsionsschwingungsdämpfer TS auch direkt mit der Antriebswelle GW1 der Getriebes G verbunden sein. Das Getriebe G könnte auch ohne elektrische Maschine EM ausgebildet sein. Der Antriebsstrang könnte mit jedem der gegenständlichen Ausführungsbeispiele, mit oder ohne elektrische Maschine EM, ausgeführt sein. Der Antriebsstrang könnte auch einen hydrodynamischen Drehmomentwandler enthalten, welcher beispielsweise zwischen der elektrischen Maschine EM und der Antriebswelle GW1 angeordnet ist. Ein solcher Drehmomentwandler kann auch eine Überbrückungskupplung umfassen. Der Fachmann wird Anordnung und räumliche Lage der einzelnen Komponenten des Antriebsstranges je nach den äußeren Randbedingungen frei konfigurieren. Die Abtriebswelle GW2 ist mit einem Achsgetriebe AG wirkverbunden, über welches die an der Abtriebswelle GW2 anliegende Leistung auf Antriebsräder DW des Kraftfahrzeugs verteilt wird.
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Bezugszeichen
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- G
- Getriebe
- GG
- Drehfestes Bauelement
- P1
- Erster Planetenradsatz
- E11
- Erstes Element des ersten Planetenradsatzes
- E21
- Zweites Element des ersten Planetenradsatzes
- E31
- Drittes Element des ersten Planetenradsatzes
- P2
- Zweiter Planetenradsatz
- E12
- Erstes Element des zweiten Planetenradsatzes
- E22
- Zweites Element des zweiten Planetenradsatzes
- E32
- Drittes Element des zweiten Planetenradsatzes
- ST1
- Erster Stirnradsatz
- ST2
- Zweiter Stirnradsatz
- B1
- Erstes Schaltelement
- B2
- Zweites Schaltelement
- K1
- Viertes Schaltelement
- K2
- Drittes Schaltelement
- K3
- Fünftes Schaltelement
- K4
- Sechstes Schaltelement
- R1
- Rückwärtsgang
- 1
- Erste Gangstufe
- 2
- Zweite Gangstufe
- 3
- Dritte Gangstufe
- 4
- Vierte Gangstufe
- 5
- Fünfte Gangstufe
- 6
- Sechste Gangstufe
- 7
- Siebte Gangstufe
- 4.1
- Vierte Gangstufe
- 4.2
- Vierte Gangstufe
- 4.3
- Vierte Gangstufe
- 4.4
- Vierte Gangstufe
- ER1
- Elektrisch antreibbarer Rückwärtsgang
- E1
- Erste elektrisch antreibbare Gangstufe
- E2
- Zweite elektrisch antreibbare Gangstufe
- E3
- Dritte elektrisch antreibbare Gangstufe
- EDA1
- Erster Überlagerungs-Betriebsmodus
- EDA2
- Zweiter Überlagerungs-Betriebsmodus
- GW1
- Antriebswelle
- GW2
- Abtriebswelle
- EM
- Elektrische Maschine
- R
- Rotor
- S
- Stator
- AN
- Anschlusswelle
- K0
- Trennkupplung
- VKM
- Verbrennungskraftmaschine
- TS
- Torsionsschwingungsdämpfer
- AG
- Achsgetriebe
- DW
- Räder
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8353803 B2 [0002]
- DE 102011079716 A1 [0003]
- DE 102011079718 A1 [0004]
- DE 102011079717 A1 [0004]
- DE 102011079720 A1 [0004]
