DE102016222399A1

DE102016222399A1 - Getriebesystem für Hybridantrieb

Info

Publication number: DE102016222399A1
Application number: DE102016222399.2A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kaltenbach; Christian Mittelberger; Stefan Blattner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2018-05-17

Abstract

Ein Getriebesystem (100) umfasst eine Antriebswelle (120) und eine Abtriebswelle (142); ein Hauptgetriebe (102) mit einer ersten (112) und einer zweiten Eingangswelle (114) sowie einer auf die Abtriebswelle (142) wirkenden Ausgangswelle (126, 128); und eine Eingangsstufe (116) zur drehmomentschlüssigen Kopplung der Antriebswelle (120) mit der ersten oder mit der zweiten Eingangswelle (114). Die Eingangsstufe (116) umfasst eine Reibkupplung (118) und zwei nachgeschaltete formschlüssige Schaltelemente (K1, K2); und mit der zweiten Eingangswelle (114) ist eine elektrische Antriebsmaschine (122) verbunden. Das Hauptgetriebe (102) weist mehrere schaltbare Gangstufen (130) auf, und eine erste und eine zweite vorbestimmte Gangstufe (130) sind der zweiten Eingangswelle (114) zugeordnet. Ferner ist eine Steuervorrichtung (144) vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, einen zugkraftunterbrechungsfreien Übergang von der ersten in die zweite Gangstufe (130) zu steuern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein schaltbares Getriebesystem für Hybridantrieb, vorzugsweise zum Einsatz in einem Nutzfahrzeug.
Ein Doppelgetriebe umfasst ein erstes Teilgetriebe mit einer ersten Eingangswelle und ein zweites Teilgetriebe mit einer zweiten Eingangswelle. Jedem Teilgetriebe ist eine Reibkupplung zugeordnet, um die jeweilige Eingangswelle drehmomentschlüssig mit einer gemeinsamen Antriebswelle koppeln zu können, die beispielsweise mittels eines Verbrennungsmotors angetrieben werden kann. Beide Teilgetriebe wirken üblicherweise über jeweils zugewiesene Untersetzungen auf dieselbe Ausgangswelle. Eine durch das Doppelgetriebe realisierte Gangstufe kann ohne Unterbrechung der Zugkraft gewechselt werden, indem in den Teilgetrieben unterschiedliche Gangstufen bzw. Untersetzungen eingelegt werden, wobei aber nur eine der Reibkupplungen geschlossen ist. Dann wird die geschlossene Reibkupplung geöffnet und die geöffnete Reibkupplung geschlossen.
Soll am Doppelgetriebe zwischen einer ersten und einer zweiten Gangstufe gewechselt werden, die beide dem ersten Teilgetriebes zugeordnet sind, so kann die oben beschriebene Vorgehensweise nicht verwendet werden. Stattdessen kann der Übergang mittels eines Stützgangs unterstützt werden. Dazu wird im zweiten Teilgetriebe eine dritte Gangstufe eingelegt und mit schlupfender zweiter Reibkupplung ein Drehmoment von der Antriebswelle zur Abtriebswelle eingekoppelt, während die erste Reibkupplung geöffnet, im ersten Teilgetriebe die erste Gangstufe aus- und die zweite eingelegt und die erste Reibkupplung wieder geschlossen wird.
DE 10 2013 222 510 A1 zeigt ein Doppelgetriebe mit einer Doppelkupplung und beschreibt einen Gangwechsel mit Stützgang. Das dort gezeigte Hauptgetriebe ist in besonderer Weise für die vorliegende Erfindung geeignet.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Getriebesystem anzugeben, das insbesondere für einen Hybridantrieb mit einer am Getriebe angebrachten elektrischen Antriebsmaschine geeignet ist. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines Steuerverfahrens für das Getriebesystem. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Ein Getriebesystem umfasst eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle; ein Hauptgetriebe mit einer ersten und einer zweiten Eingangswelle sowie einer auf die Abtriebswelle wirkenden Ausgangswelle; weiter umfasst das Getriebesystem eine Eingangsstufe zur drehmomentschlüssigen Kopplung der Antriebswelle mit der ersten oder mit der zweiten Eingangswelle. Die Eingangsstufe umfasst eine Reibkupplung und zwei nachgeschaltete formschlüssige Schaltelemente; und mit der zweiten Eingangswelle ist eine elektrische Antriebsmaschine verbunden. Das Hauptgetriebe weist mehrere schaltbare Gangstufen auf, und eine erste und eine zweite vorbestimmte Gangstufe sind beide der zweiten Eingangswelle zugeordnet. Ferner ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, einen zugkraftunterbrechungsfreien Übergang von der ersten in die zweite Gangstufe zu steuern.
Die erwähnten Gangstufen sind üblicherweise Gängen zugeordnet, die im Hauptgetriebe eingelegt werden können. Durch die Möglichkeit, einen zugkraftunterbrechungsfreien Übergang zwischen zwei Gangstufen zu steuern, die beide der gleichen Eingangswelle zugeordnet sind, können das Hauptgetriebe und gegebenenfalls ein nachgeschaltetes Gruppengetriebe modular aufgebaut sein und alternativ mit einer Doppelkupplung oder der beschriebenen Eingangsstufe verwendet werden. Dadurch kann ein modulares Getriebesystem angegeben werden, das nach Art eines Baukastens die Zusammenstellung unterschiedlicher Getriebe aus vorbereiteten Baugruppen erlaubt. Das Hauptgetriebe kann eine oder zwei Ausgangswellen umfassen, die mittels des Gruppengetriebes oder eines anderen Summier- oder Auswahlgetriebes drehmomentschlüssig mit der Abtriebswelle gekoppelt werden können.
Das Kupplungssystem kann es erlauben, einen verbesserten Hybridantrieb mit zwei unterschiedlichen Antriebsmaschinen zu realisieren, von denen eine die elektrische Antriebsmaschine umfasst und die andere mit der Antriebswelle verbunden werden kann. Die andere Antriebsmaschine kann insbesondere einen Verbrennungsmotor umfassen und das Getriebesystem kann besonders für den Einsatz in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Nutzfahrzeugs, eingerichtet sein. Die Steuervorrichtung kann mit dem Hauptgetriebe integriert ausgeführt sein und auch noch weitere Funktionen steuern. Insbesondere kann eine Schnittstelle zur Verbindung mit dem anderen Antriebsmotor oder einer Steuervorrichtung für den anderen Antriebsmotor vorgesehen sein, um ein durch den anderen Antriebsmotor bereitgestelltes Drehmoment zu steuern.
Es ist besonders bevorzugt, dass der Übergang von der ersten in die zweite Gangstufe mittels Stützgangschaltung einer dritten Gangstufe gesteuert wird, die der ersten Eingangswelle zugeordnet ist. Dabei ist die erste Eingangswelle bevorzugt mit Schlupf mit der Antriebswelle gekoppelt. Der Schlupf kann durch teilweise Schließen der Reibkupplung gesteuert werden. Bei einer zu erwartenden Schaltzeit von unter 1 s, üblicherweise unter 0,5 s oder im Bereich von ca. 0,3 s kann die Reibkupplung durch die schlupfbehaftete Einkopplung von Drehmoment nur wenig belastet werden. Eine verstärkte Auslegung der Reibkupplung kann nicht erforderlich sein. Durch die Stützgangschaltung kann der Gangstufenwechsel verbessert zugkraftfrei erfolgen.
Es ist besonders bevorzugt, dass die dritte Gangstufe im Hauptgetriebe einen Übersetzungsfaktor von eins (1) realisiert. Diese Gangstufe wird auch Direktgang genannt. Die erste und zweite Gangstufe liegen bevorzugt unterhalb der dritten Gangstufe, sodass die drei Gangstufen aufsteigend sind und insbesondere unmittelbar aufeinanderfolgen. Beispielsweise kann die erste Gangstufe einem dritten Gang des Hauptgetriebes, die zweite Gangstufe einem vierten Gang und die dritte Gangstufe einem fünften Gang entsprechen. Soll nicht vom dritten in den vierten Gang sondern umgekehrt vom vierten in den dritten Gang geschaltet werden, so kann die erste Gangstufe dem vierten Gang, die zweite Gangstufe dem dritten Gang und die dritte Gangstufe dem fünften Gang entsprechen.
In einer Ausführungsform verläuft die Gangstufe mit der nächstkleineren Übersetzung als die dritte Gangstufe durch ein Schaltelement, das bevorzugt nicht durch eine Antriebskonstante verläuft, sondern die erste Eingangswelle mit einer Ausgangswelle des Hauptgetriebes verbindet. Anders ausgedrückt ist bevorzugt, dass beim Hochschalten die zweite Gangstufe (beim Herunterschalten die erste Gangstufe) den Direktgang nutzt.
Ein Verfahren zum Steuern des oben beschriebenen Getriebesystems zum zugkraftunterbrechungsfreien Übergang von der ersten in die zweite Gangstufe umfasst Schritte des Umlagerns des an der zweiten Eingangswelle bereitgestellten Drehmoments von der Antriebswelle zur elektrischen Antriebsmaschine; des Einkoppelns von Drehmoment von der Antriebswelle mittels schlupfender Reibkupplung über die erste Eingangswelle und die dritte Gangstufe; des Wechselns der ersten gegen die zweite Gangstufe an der zweiten Eingangswelle; und des Umlagerns des an der Antriebswelle bereitgestellten Drehmoments von der ersten Eingangswelle auf die zweite Eingangswelle.
Das Umlagern von Drehmoment von einer Quelle auf eine andere umfasst üblicherweise ein kontinuierliches Verringern eines aus der ersten Quelle eingekoppelten Drehmoments und ein gleichzeitiges kontinuierliches Erhöhen des aus der zweiten Quelle eingekoppelten Drehmoments. Im Fall der elektrischen Antriebsmaschine kann das Erhöhen oder Verringern des Drehmoments direkt an der Antriebsmaschine gesteuert werden. Im Fall einer nicht direkt beeinflussbaren Quelle kann die Kopplung des Drehmoments mittels der Reibkupplung kontinuierlich erhöht oder verringert werden. Das Wechseln einer Gangstufe umfasst gewöhnlich das Aktivieren oder Deaktivieren von Schaltelementen des Haupt- und/oder Gruppengetriebes, die jeweils einen Drehmomentschluss zwischen Elementen des jeweiligen Getriebes herstellen oder unterbrechen können.
Das Verfahren kann insbesondere mittels der oben erwähnten Steuervorrichtung gesteuert werden. Die Steuervorrichtung kann dazu einen programmierbaren Mikrocomputer, Mikrocontroller oder ASIC umfassen und das Verfahren kann als Computerprogrammprodukt vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem mittels der Steuervorrichtung lesbaren Datenträger abgespeichert sein. Durch die gegenseitige Verflechtung des Getriebesystems mit dem Steuerverfahren können Merkmale oder Vorteile beider Kategorien auch auf die jeweils andere Kategorie angewendet werden.
Sämtliche Aktuatoren, die zur Steuerung des Getriebesystems erforderlich sind, um das Verfahren durchzuführen, können erprobte und übliche Elemente umfassen, die an einem automatisierten oder teilautomatisierten Getriebe verbaut werden können.
Bevorzugt erfolgt das Wechseln der ersten gegen die zweite Gangstufe derart, dass eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine maximal der Drehzahl entspricht, die der zweiten Eingangswelle bei eingelegter erster Gangstufe zugeordnet ist. Dadurch kann eine zu hohe Drehzahl an der elektrischen Antriebsmaschine verhindert werden. Die elektrische Antriebsmaschine kann dadurch in einem effizienteren Drehzahlbereich betrieben werden, eine Drehbeschleunigung der elektrischen Antriebsmaschine kann verringert sein oder ein Schaden an der elektrischen Antriebsmaschine aufgrund von Überdrehzahl kann verhindert werden. Die Überdrehzahl kann insbesondere vermieden werden, indem die am Wechsel der Gangstufe beteiligten Schaltelemente in einer passenden Reihenfolge aktiviert oder deaktiviert werden.
Weiter bevorzugt wird eine Drehzahl eines mit der Antriebswelle verbundenen Antriebsmotors angepasst, bevor die Reibkupplung schlupfend geschlossen wird. Eine Drehzahldifferenz über die Reibkupplung kann dadurch verringert sein, sodass eine Verlustleistung an der Reibkupplung verringert sein kann. Die Reibkupplung kann dadurch eine erhöhte Zuverlässigkeit oder Standzeit erreichen.
Während des Wechselns der ersten gegen die zweite Gangstufe ist bevorzugt die elektrische Antriebsmaschine deaktiviert. Das an der Abtriebswelle des Getriebesystems bereitgestellte Drehmoment wird in diesem Zustand möglichst vollständig von der Antriebswelle übernommen und die zweite Eingangswelle, die der ersten und der zweiten Gangstufe zugeordnet ist, ist möglichst vollständig drehmomentfrei. Der Wechsel der Gangstufe kann dadurch leicht oder schnell erfolgen. In einer anderen Ausführungsform kann die Antriebsmaschine in dieser Phase auch dazu angesteuert werden, ein geringes Drehmoment bereitzustellen, sodass eine Synchronisierung von Teilgetrieben erleichtert sein kann.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:

1 eine schematische Darstellung eines Getriebesystems in einer ersten Ausführungsform;
2 eine Schaltmatrix für das Getriebesystem von 1;
3 eine schematische Darstellung eines Getriebesystems in einer zweiten Ausführungsform;
4 eine Schaltmatrix für das Getriebesystem von 3; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Wechseln der Gangstufe in einem Getriebesystem

1 zeigt ein Getriebesystem 100 in einer ersten Ausführungsform. Das Getriebesystem 100 ist bevorzugt zum Einsatz in einem Antriebsstrang, beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, vorgesehen. Das dargestellte Getriebesystem 100 umfasst ein Hauptgetriebe 102 mit einem ersten Teilgetriebe 104 und einem zweiten Teilgetriebe 106. Vorliegend sind auch noch ein drittes Teilgetriebe 108 und ein viertes Teilgetriebe 110 vorgesehen, von denen wenigstens eines als Abtriebskonstante ausgeführt sein kann. Beispielhaft ist das dritte Teilgetriebe 108 mit drei Zahnrädern reversierend ausgeführt, um einen Rückwärtsgang darstellen zu können.
Dem ersten Teilgetriebe 104 ist eine erste Eingangswelle 112 und dem zweiten Teilgetriebe 106 eine zweite Eingangswelle 114 des Hauptgetriebes 102 zugeordnet. Die Eingangswellen 114, 116 sind bevorzugt konzentrisch zueinander ausgeführt, wobei vorliegend die zweite Eingangswelle 116 als Hohlwelle ausgeführt ist, in deren zentraler Bohrung die erste Eingangswelle 114 aufgenommen ist. Die Eingangswellen 114, 116 können mittels einer Eingangsstufe 116 drehmomentschlüssig mit einer Antriebswelle 120 verbunden werden.
Die Eingangsstufe 116 umfasst eine Reibkupplung 118 und zwei Schaltelemente K1 und K2. Die Reibkupplung 116 liegt zwischen einer Antriebswelle 120 und den Schaltelementen K1 und K2. Das erste Schaltelement K1 liegt zwischen der Reibkupplung 118 und der ersten Eingangswelle 112, und das zweite Schaltelement K2 zwischen der Reibkupplung 118 und der zweiten Eingangswelle 114. Die Reibkupplung 116 kann ganz oder teilweise geschlossen werden, um ein Drehmoment von der Antriebswelle 116 an die Schaltelemente K1 und K2 einzukoppeln und die Schaltelemente K1 und K2 können jeweils so geschaltet werden, dass sie einen Drehmomentfluss zur zugeordneten Eingangswelle 112, 114 herstellen oder unterbrechen.
Dabei sind die Schaltelemente K1 und K2 formschlüssig, beispielsweise nach Art einer Klauenschaltung. Dazu kann ein Schaltelement K1, K2 beispielsweise eine Schiebemuffe umfassen, die axial verschiebbar an einer Welle angebracht ist und in einer ersten axialen Position formschlüssig in ein korrespondierendes Element an einer anderen Welle eingreift und in einer zweiten axialen Position nicht. Ein Schlupfbetrieb, bei dem nur ein Teil des zur Verfügung stehenden Drehmoments übertragen wird, ist mit den Schaltelementen K1, K2 nicht möglich. Die Schaltelemente K1 und K2 können unabhängig voneinander schaltbar sein. Bevorzugterweise ist jedoch sicherzustellen, dass im Betrieb des Getriebesystems 100 immer nur eines der Schaltelemente K1, K2 geschlossen ist.
Am Hauptgetriebe 102 ist eine elektrische Antriebsmaschine 122 angebracht, die in der dargestellten Ausführungsform ohne weitere Trennkupplung auf die zweite Eingangswelle 114 wirkt. Die elektrische Antriebsmaschine 122 kann beispielsweise als Asynchronmaschine (ASM) oder permanenterregte Synchronmaschine (PSM) ausgeführt sein. Bevorzugt ist zwischen der Antriebsmaschine 122 und der Eingangswelle 114 ein Untersetzungsgetriebe 124 vorgesehen, um das bereitstellbare Drehmoment zu vergrößern und die Drehzahl herabzusetzen. Das Untersetzungsgetriebe 124 umfasst bevorzugt ein Umlaufgetriebe, insbesondere ein Planetengetriebe, und kann mit der Antriebsmaschine 122 oder dem Hauptgetriebe 102 integriert ausgeführt sein.
Das Hauptgetriebe 102 umfasst in der dargestellten Ausführungsform eine erste Ausgangswelle 126 und eine zweite Ausgangswelle 128. Bevorzugt sind die Ausgangswellen koaxial ausgeführt, wobei insbesondere die zweite Ausgangswelle 128 als Hohlwelle ausgeführt sein und die erste Ausgangswelle 126 in ihrer zentralen Bohrung aufnehmen kann.
Um eine Gangstufe 130 zu realisieren, kann im Hauptgetriebe 102 eine der Eingangswellen 112, 114 mit einer der Ausgangswellen 126, 128 gekoppelt werden. Dazu sind mehrere Radsätze 132 von miteinander kämmenden Zahnrädern vorgesehen, die mittels Schaltelementen A, B, F, G und J mit den Wellen 112, 114, 126, 128 verbunden werden können. Die Radsätze 132 sind in Radebenen 134 angeordnet und umfassen jeweils zwei, in einem Fall zur Drehrichtungsumkehr drei Zahnräder. Alle Schaltelemente können einen Drehmomentschluss unterbrechen oder formschlüssig herstellen und insbesondere so aufgebaut sein, wie oben mit Bezug auf die Schaltelemente K1 und K2 erläutert ist.
Üblicherweise wird für eine Gangstufe 130 eines der Teilgetriebe 104 und 106 aktiviert, indem eines der Schaltelemente A, B und D geschlossen wird, um Drehmoment von einer der Eingangswellen 112, 114 über einen Radsatz 132 auf eine Vorgelegewelle 136 zu übertragen. Außerdem wird eines der Teilgetriebe 108, 110 aktiviert, indem eines der Schaltelemente F, G und J geschlossen wird, um das Drehmoment von der Vorgelegewelle 136 über einen weiteren Radsatz 132 auf eine der Ausgangswellen 126, 128 zu übertragen. Bevorzugt ist auch ein weiteres Schaltelement E vorgesehen, um die erste Eingangswelle 112 ohne zwischengeschalteten Radsatz 132 direkt mit der ersten Ausgangswelle 126 zu koppeln.
In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist dem Hauptgetriebe 102 ein Gruppengetriebe 140 nachgeschaltet, das bevorzugt als Umlaufgetriebe, insbesondere als Planetengetriebe ausgeführt ist. Das Umlaufgetriebe 140 umfasst drei Wellen, von denen eine mittels weiterer Schaltelemente H und L alternativ festgelegt oder mit einer Abtriebswelle 142 gekoppelt werden kann. Die anderen beiden Wellen sind mit den Ausgangswellen 126, 128 des Hauptgetriebes 102 verbunden. So kann beispielsweise mittels des Gruppengetriebes 140 eine Untersetzung der durch das Hauptgetriebe 102 bereitgestellten Drehbewegung realisiert werden, wenn das Schaltelement L geschlossen ist. Ist hingegen das Schaltelement H geschlossen, so kann sich das Gruppengetriebe 140 neutral verhalten und die Drehbewegung des Hauptgetriebes 102 ohne Über- oder Untersetzung an die Abtriebswelle 142 weiterleiten.
Bevorzugt umfasst das Getriebesystem 100 ferner eine Steuervorrichtung 144, die dazu eingerichtet ist, die Schaltelemente K1, K2, A-J, L und H anzusteuern, um eine gewünschte Gangstufe 130 einzulegen. Bevorzugt wird auch die Reibkupplung 118 angesteuert, um einen Wechsel zwischen Gangstufen 130 zu steuern. Weiter bevorzugt kann auch die elektrische Antriebsmaschine 122 angesteuert werden, um ein vorbestimmtes Drehmoment bereitzustellen. In einer Ausführungsform umfasst die Steuervorrichtung 144 eine Schnittstelle zur Steuerung eines Drehmoments eines weiteren Antriebsmotors an der Antriebswelle 120. Dieser Antriebsmotor kann insbesondere einen Verbrennungsmotor umfassen.
Das dargestellte Hauptgetriebe 102 mit dem Gruppengetriebe 140 entspricht einer Ausführungsform eines Getriebesystems, das in der DE 10 2013 222 510 A1 mit Bezug auf 13 vorgeschlagen ist. Im dort gezeigten Getriebesystem werden jedoch zwei Reibkupplungen zur Verteilung von Drehmoment von einer Antriebswelle an eine von zwei Eingangswellen verwendet und es ist keine elektrische Antriebsmaschine vorgesehen.
Es wird vorgeschlagen, die Steuervorrichtung 144 derart auszubilden, dass das Wechseln von einer ersten in eine zweite Gangstufe 130, die beide dem zweiten Teilgetriebe 106 bzw. der zweiten Eingangswelle 114 zugeordnet sind, zugkraftunterbrechungsfrei erfolgen kann. Der genaue Ablauf für einen solchen Wechsel wird unten mit Bezug auf 4 genauer beschrieben.
Vorteilhaft können durch die Steuervorrichtung 144 das Hauptgetriebe und gegebenenfalls das Gruppengetriebe 140 modular entweder mit einer Doppel-Reibkupplung oder wie oben beschrieben mit der Eingangsstufe 116 mit nur einer Reibkupplung 118 und zusätzlich der elektrischen Antriebsmaschine 122 als Hybridantrieb eingesetzt werden.
2 zeigt eine Schaltmatrix 200 mit einer beispielhaften Zuordnung von Gangstufen 130 zu Stellungen der Schaltelemente K1, K2, A-J, L und H. In Spalten von links nach rechts sind eine Gangstufe 130 und Schaltzustände der Schaltelemente A - J, L und H dargestellt. Rechts daneben sind in weiteren Spalten eine Gesamtübersetzung i und ein Gangsprung φ eingetragen. Dabei sind exemplarisch erzielbare Gesamtübersetzungen i für passend dimensionierte Radsätze 132 angegeben. Die Gesamtübersetzung i gibt das Verhältnis der Drehzahl der Antriebswelle 120 bezüglich der Drehzahl der Abtriebswelle 142 des Getriebesystems 100 an. Der Gangsprung φ bezeichnet das Verhältnis von Gesamtübersetzungen i zueinander benachbarter Gangstufen 130.
In der Schaltmatrix 200 bezeichnet in den Spalten, die den Schaltelementen A - J, L, H zugeordnet sind, ein Punkt jeweils eine geschlossene Verbindung des jeweiligen Schaltelements, ansonsten ist die Verbindung offen und der Drehmomentfluss unterbrochen. Die Gangstufen 130 sind von 1 bis 11 für Vorwärtsgänge und von R1 bis R3 für Rückwärtsgänge durchnummeriert.
3 zeigt ein Getriebesystem100 in einer zweiten Ausführungsform. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist ein zusätzliches Schaltelement C vorgesehen, das die erste Eingangswelle 112 mit dem Radsatz 132 der zweiten Radebene 134 koppeln kann. Das Schaltelement C kann wie eines der anderen, oben erwähnten Schaltelemente A, B, D, E, F, G, J, H und L aufgebaut sein. Die zweite Radebene 134 ist sowohl vom ersten Teilgetriebe 104 wie auch vom zweiten Teilgetriebe 106 umfasst.
Auch diese Ausführungsform des Hauptgetriebes 102 und gegebenenfalls des Gruppengetriebes 140 kann in einer anderen Ausführungsform auch statt mit der dargestellten Eingangsstufe 116 mit einer Doppel-Reibkupplung und ohne die elektrische Antriebsmaschine 122 eingesetzt werden.
4 zeigt eine Schaltmatrix 200, die zum Getriebesystem 100 aus 3 korrespondiert. Die Darstellung erfolgt im Wesentlichen nach Art der Schaltmatrix 200 von 2.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Gangstufen 3, 9 und R3 jeweils doppelt angelegt. Gesamtübersetzungen i der doppelt angelegten Gangstufen 130 sind paarweise gleich. Die einander zugeordneten Gangstufen 130 unterscheiden sich einerseits darin, welches der Schaltelemente K1, K2 der Eingangsstufe 116 geschlossen ist, und andererseits darin, welches der Schaltelemente B und C geschlossen ist. Ist das Schaltelement B geschlossen, so ist die Gangstufe 130 mit angehängtem b bezeichnet, ist hingegen das Schaltelement C geschlossen, so ist die Gangstufe 130 mit angehängtem c bezeichnet. Ein Übergang zwischen den doppelt angelegten Gangstufen 3, 9 und R3 von der jeweils einen auf die jeweils andere Variante (b auf c oder c auf b) ist jederzeit ohne Zugkraftunterbrechung möglich, da sie unterschiedliche Eingangswellen 112, 114 verwenden. Die Varianten können in unterschiedlichen Teilgetrieben eingelegt und mittels der Schaltelemente K1 und K2 umgeschaltet werden. In einer Ausführungsform kann dabei die Reibkupplung 118 geschlossen bleiben und die Schaltelemente K1, K2 können vorübergehend gleichzeitig geschlossen sein.
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens 500 zum zugkraftfreien Wechsel von einer ersten in eine zweite Gangstufe 130 in einem Getriebesystem 100. Zur Erläuterung des Verfahrens 500 wird im Folgenden beispielhaft Bezug genommen auf das Getriebesystem 100 der oben beschriebenen Ausführungsform von 1. Die erste und die zweite Gangstufe 130 sind der gleichen Eingangswelle, hier beispielhaft der zweiten Eingangswelle 114, zugeordnet. Der Wechsel der Gangstufen 130 erfolgt mittels eines Stützgangs, der mittels einer dritten Gangstufe 130 realisiert wird, die einer anderen Eingangswelle 112, 114 als die ersten beiden Gangstufen zugeordnet ist, hier der ersten Eingangswelle 112.
In bekannter Weise kann die elektrische Antriebsmaschine 122 dazu verwendet werden, ein Anfahren im ersten Gang zu unterstützen. Auch ein Lastschaltwechsel vom ersten in den zweiten Gang kann unterstützt werden, indem die elektrische Antriebsmaschine 122 Drehmoment an der zweiten Eingangswelle 114 bereitstellt, während die Reibkupplung 118 und/oder das Schaltelement K1 geöffnet ist, sodass die erste Eingangswelle 114 lastfrei ist. Die betreffenden Schaltelemente können als synchronisierte Schaltelemente oder als Klauenschaltelemente mit Zentralsynchronisierung, beispielsweise in Form einer Getriebebremse, ausgeführt sein. Nach dem Wechsel kann der Verbrennungsmotor im zweiten Gang die Last übernehmen. Die elektrische Antriebsmaschine 122 kann danach im Hintergrund lastfrei vom ersten in den dritten Gang wechseln. Beim Gangwechsel vom zweiten in den dritten Gang kann die elektrische Antriebsmaschine ebenfalls im dritten Gang unterstützen, während der Verbrennungsmotor in den dritten Gang wechselt. Für diesen Wechsel kann der Verbrennungsmotor wieder lastfrei gemacht werden. Für einen Wechsel von der dritten in den vierten Gang kann diese Vorgehensweise jedoch nicht verwendet werden, da beide Gänge die gleiche Eingangswelle 114 erfordern. Im Folgenden wird ein Verfahren 500 beschrieben, das eine Unterstützung eines solchen Gangwechsels mittels der elektrischen Antriebsmaschine 122 trotzdem erlaubt.
Für das Verfahren 500 ist allgemein bevorzugt, dass die drei erwähnten Gangstufen 130 aufeinander folgen (vgl. Schaltmatrix 200 in 2). Dabei liegen die erste und die zweite Gangstufe 130, zwischen denen umgeschaltet werden soll, bevorzugt unmittelbar unterhalb eines Direktgangs, also einer Gangstufe 130, bei dem der Übersetzungsfaktor des Hauptgetriebes 102 1 (Eins) ist. Im Hauptgetriebe 102 nach der Ausführungsform von 1 sind die Gänge 5 und 10 Direktgänge. Weiter ist bevorzugt, dass die Gangstufe 130, die unmittelbar unterhalb des Direktgangs liegt (also eine um eins kleinere Zahl als Bezeichnung des Gang trägt), keine Abtriebskonstante, sondern eine andere Radebene 134 nutzt, um Drehmoment von der Vorgelegewelle 136 zur Abtriebswelle zu übermitteln. In der Ausführungsform von 1 ist die fünfte Radebene 134, also das vierte Teilgetriebe 110, als Abtriebskonstante ausgebildet.
In der Ausführungsform von 1 kann insbesondere die erste Gangstufe 130 dem dritten Gang, die zweite Gangstufe 130 dem vierten Gang und die dritte Gangstufe dem fünften Gang gemäß der Schaltmatrix von 2 entsprechen. In entsprechender Weise kann ein Übergang mit den Gängen neun, zehn und elf gemäß Schaltmatrix 200 von 2 erfolgen, wenn statt des Schaltelements L das Schaltelement H aktiviert bzw. geschlossen ist.
Für das Verfahren 500 kann es unerheblich sein, ob ein Gruppengetriebe 140 vorgesehen ist, ob das Gruppengetriebe 140 lastschaltbar ist oder nicht, ob ein Radsatz 132 einen Rückwärtsgang realisiert, ob das verwendete Hauptgetriebe 102 auch an einer Doppel-Reibkupplung statt der Eingangsstufe 116 betrieben werden könnte, ob eine oder mehrere Vorgelegewellen 136 vorgesehen sind, wievielte Radebenen 134 insgesamt vorgesehen sind oder wie viele Gangstufen 130 vorgesehen sind.
In der Tabelle von 5 bezeichnen die Spalten RK den Zustand der Reibkupplung 118, K1 und K2 den Zustand der gleichnamigen Schaltelemente, die Spalte EW1 den Zustand der ersten Eingangswelle 112 und die Spalte EW2 den Zustand der zweiten Eingangswelle 114. Dabei sind folgende Einträge definiert:

+ := aktiviert bzw. geschlossen oder eingeschaltet
- := deaktiviert bzw. geöffnet oder abgeschaltet
/ := teilweise aktiviert bzw. mit Schlupf geschlossen
1, 2, 3 := eingelegte Gangstufe

Ist kein Eintrag vorgesehen, so ist der Zustand des betreffenden Elements beliebig.
Die Steuerung des Getriebesystems 100 umfasst das Steuern von Drehmoment, das über die Antriebswelle 120 eingeleitet wird. Im Folgenden wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die Antriebswelle 120 mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist, dessen Drehmomentabgabe gesteuert werden kann. Die Steuerung der Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors ist jedoch ein lediglich optionaler Teil des Verfahrens 500. Wo im Folgenden von Drehmoment des Verbrennungsmotors gesprochen wird, ist in einer Ausführungsform ohne Verbrennungsmotor das an der Antriebswelle 120 liegende Drehmoment gemeint.
In einem Schritt 505 ist die erste Gangstufe (Gang 3) eingelegt und Drehmoment kann vom Verbrennungsmotor über die Antriebswelle 120, durch die geschlossene Reibkupplung 118, das geschlossene Schaltelement K2, das Hauptgetriebe 102 mit eingelegter erster Gangstufe 130 (Gang 3) in Form des zweiten Teilgetriebes 106 und des vierten Teilgetriebes 110, sowie optional durch das Gruppengetriebe 140 mit geschlossenem Schaltelement L an die Abtriebswelle 142 geleitet werden.
Aus dieser Situation heraus soll zunächst das an der zweiten Eingangswelle 114 bereitgestellte Drehmoment vom Verbrennungsmotor auf die elektrischen Antriebsmaschine 122 umgelagert werden, um den Verbrennungsmotor zu entlasten. Dazu wird in einem Schritt 510 der elektrische Antriebsmotor 122 aktiviert. Das durch den Verbrennungsmotor bereitgestellte Drehmoment kann gleichzeitig in möglichst dem gleichen Maß reduziert werden, sodass sich das an der Abtriebswelle 142 bereitgestellte Drehmoment nicht ändert. In einem Schritt 515 kann die Reibkupplung 118 geöffnet werden. Bevorzugt werden anschließend in einem Schritt 520 das Schaltelement K2 geöffnet und das Schaltelement K1 geschlossen.
Dann soll Drehmoment vom Verbrennungsmotor mittels schlupfender Reibkupplung 118 über die erste Eingangswelle 112 und die dritte Gangstufe 130 ins Hauptgetriebe 102 eingekoppelt werden. Dazu wird in einem Schritt 525 die dritte Gangstufe (Gang 5) vorgewählt, indem alle Schaltelemente bis auf E und gegebenenfalls L geöffnet werden. Spätestens zu diesem Zeitpunkt kann in einem Schritt 530 eine Drehzahl des Verbrennungsmotors angepasst (verringert) werden, um die Belastung der Reibkupplung 118 möglichst gering zu halten. Die Differenzdrehzahl an der Reibkupplung 118 entspricht dann bevorzugt nur noch ungefähr dem Gangsprung zwischen der zweiten Gangstufe (Gang 4) und der dritten Gangstufe (Gang 5) und nicht dem doppelten Gangsprung zwischen der ersten Gangstufe (Gang 3) und der dritten Gangstufe (Gang 5). In einem Schritt 535 wird die Reibkupplung 118 teilweise geschlossen, sodass sie sich im Schlupfbetrieb befindet und ihre Eingangsseite, die mit der Antriebswelle verbunden ist, und ihre Ausgangsseite, die mit den Schaltelementen K1 und K2 verbunden ist, eine Drehzahldifferenz aufweisen. Das unterstützende Einleiten von Drehmoment der dritten Gangstufe während einer Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Gangstufe wird auch Stützgang-Schaltung genannt.
Nachfolgend soll beispielhaft an der ersten Eingangswelle 112 die erste Gangstufe (Gang 3) gegen die zweite Gangstufe (Gang 4) gewechselt werden. Dazu kann in einem Schritt 540 optional die elektrische Antriebsmaschine 122 abgeschaltet werden, bevor in einem Schritt 545 die erste Gangstufe (Gang 3) ausgelegt und in einem Schritt 550 die zweite Gangstufe (Gang 4) eingelegt wird. Es ist besonders bevorzugt, dass zum Wechseln von der ersten Gangstufe in die zweite Gangstufe die Schaltelemente A bis J, L und H in einer Reihenfolge geöffnet bzw. geschlossen werden, die sicherstellt, dass die Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine 122 ununterbrochen maximal auf einem Niveau liegt, das der zweiten Eingangswelle bei eingelegter und aktiver erster Gangstufe (Gang 3) entspricht. Dies kann erreicht werden, indem zuerst das zwischen der Vorgelegewelle 136 und der Abtriebswelle 142 liegende Teilgetriebe 110 deaktiviert wird und erst dann die Vorgelegewelle 136 mittels des ersten Teilgetriebes 104 angekoppelt wird. In der vorliegenden Ausführungsform werden also zuerst die Schaltelemente G geöffnet und D geschlossen, bevor die Schaltelemente B geöffnet und A geschlossen werden. Nach dem Wechseln von der ersten in die zweite Gangstufe kann die elektrische Antriebsmaschine 122 in einem Schritt 555 wieder eingeschaltet werden.
In einer letzten Phase soll das Drehmoment des Verbrennungsmotors von der ersten Eingangswelle 112 auf die zweite Eingangswelle 114 umgelagert werden. Dazu wird in einem Schritt die Reibkupplung 118 geöffnet und in einem Schritt 560 werden die Schaltelemente K1 geöffnet und K2 geschlossen. Anschließend wird in einem Schritt 570 die Reibkupplung 118 geschlossen. In einem Schritt 575 kann der elektrische Antriebsmotor 122 deaktiviert werden. Es ist bevorzugt, dass die Schritte 570 und 575 miteinander integriert in Form eines sanften Übergangs durchgeführt werden, sodass während des Umlagerns das Drehmoment an der Abtriebswelle 142 ruckfrei zur Verfügung steht.
Danach ist in einem Schritt 580 die zweite Gangstufe (Gang 4) eingelegt und Drehmoment kann vom Verbrennungsmotor über die Antriebswelle 120, durch die geschlossene Reibkupplung 118, das geschlossene Schaltelement K2, das Hauptgetriebe 102 mit eingelegter zweiter Gangstufe 130 (Gang 4) in Form des zweiten Teilgetriebes 106, des ersten Teilgetriebes 104 und der Direktverbindung des Schaltelements E, sowie optional durch das Gruppengetriebe 140 mit geschlossenem Schaltelement L an die Abtriebswelle 142 geleitet werden.
In entsprechender Weise kann das Verfahren 500 auch am Getriebesystem 100 nach der Ausführungsform von 3 eingesetzt werden. Allerdings werden dabei bevorzugt andere Gänge als zu wechselnde Gangstufen 130 verwendet. Wie aus der Schaltmatrix 200 von 4 hervorgeht, ist der sechste Gang ein Direktgang, sodass hier die erste, zweite und dritte Gangstufe 130 durch den vierten, fünften und sechsten Gang gebildet sein können. Die Drehzahlverringerung im Schritt 530 auf das Niveau der zweiten Gangstufe 130 kann bewirken, dass die Differenzdrehzahl an der Reibkupplung 118 nur noch ungefähr dem Gangsprung zwischen der zweiten Gangstufe (Gang 4) und der dritten Gangstufe (Gang 6) und nicht dem dreifachen Gangsprung zwischen der ersten Gangstufe (Gang 3) und der dritten Gangstufe (Gang 6) entspricht. Eine entsprechende Vorgehensweise kann an den Gängen zehn, elf und zwölf angewandt werden.
Bezugszeichenliste

100: Getriebesystem
102: Hauptgetriebe
104: erstes Teilgetriebe
106: zweites Teilgetriebe
108: drittes Teilgetriebe
110: viertes Teilgetriebe
112: erste Eingangswelle
114: zweite Eingangswelle
116: Eingangsstufe
118: Reibkupplung (Anfahrkupplung)
120: Antriebswelle
122: elektrische Antriebsmaschine
124: Untersetzungsgetriebe
126: erste Ausgangswelle
128: zweite Ausgangswelle
130: Gangstufe
132: Radsatz
134: Radebene
136: Vorgelegewelle
140: Gruppengetriebe
142: Abtriebswelle
144: Steuervorrichtung
K1, K2, A-G, J, H, L: Schaltelemente
i: Gesamtübersetzung
φ: Gangsprung
200: Schaltmatrix
500: Verfahren
505: erste Gangstufe aktiv
510: elektrische Antriebsmaschine aktivieren
515: Reibkupplung öffnen
520: K2 öffnen, K1 schließen
525: dritte Gangstufe vorwählen
530: ggf. Drehzahl Antriebsmotor an der Antriebswelle anpassen
535: Reibkupplung schleifen lassen
540: elektrische Antriebsmaschine deaktivieren
545: erste Gangstufe auslegen
550: zweite Gangstufe einlegen
555: elektrischen Antriebsmotor aktivieren
560: Reibkupplung öffnen
565: K1 öffnen, K2 schließen
570: Reibkupplung schließen
575: elektrischen Antriebsmotor deaktivieren
580: zweite Gangstufe aktiv

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013222510 A1 [0004, 0030]

Claims

Getriebesystem (100), umfassend: eine Antriebswelle (120) und eine Abtriebswelle (142); ein Hauptgetriebe (102) mit einer ersten (112) und einer zweiten Eingangswelle (114) sowie einer auf die Abtriebswelle (142) wirkenden Ausgangswelle (126, 128); eine Eingangsstufe (116) zur drehmomentschlüssigen Kopplung der Antriebswelle (120) mit der ersten (112) oder mit der zweiten Eingangswelle (114); wobei das Hauptgetriebe (102) mehrere schaltbare Gangstufen (130) aufweist; wobei der zweiten Eingangswelle (114) eine erste und eine zweite vorbestimmte Gangstufe (130) zugeordnet sind; und eine Steuervorrichtung (144), die dazu eingerichtet ist, einen zugkraftunterbrechungsfreien Übergang von der ersten in die zweite Gangstufe (130) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstufe (116) eine Reibkupplung (118) und zwei nachgeschaltete formschlüssige Schaltelemente (K1, K2) umfasst; und durch eine elektrischen Antriebsmaschine (122), die auf die zweite Eingangswelle (114) wirkt.
Getriebesystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Übergang mittels Stützgangschaltung einer dritten Gangstufe (130) gesteuert wird, die der ersten Eingangswelle (112) zugeordnet ist, wobei die erste Eingangswelle (112) mit Schlupf mit der Antriebswelle (120) gekoppelt ist.
Getriebesystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dritte Gangstufe (130) im Hauptgetriebe (102) einen Übersetzungsfaktor von 1 realisiert.
Getriebesystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Übersetzungen der ersten, zweiten und dritten Gangstufe (130) oder der zweiten, ersten und dritten Gangstufe (130) aufsteigend sind.
Getriebesystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gangstufe (130) mit der nächstkleineren Übersetzung als die dritte Gangstufe (130) durch ein Schaltelement (D, E) verläuft, das die erste Eingangswelle (112) mit einer Ausgangswelle (126, 128) des Hauptgetriebes (102) verbindet.
Verfahren (500) zum Steuern eines Getriebesystem (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5 zum zugkraftunterbrechungsfreien Übergang von der ersten in die zweite Gangstufe (130), wobei das Verfahren Schritte des Umlagerns (510 - 520) des an der zweiten Eingangswelle (114) bereitgestellten Drehmoments von der Antriebswelle (120) zur elektrischen Antriebsmaschine (122); des Einkoppelns (525 - 535) von Drehmoment von der Antriebswelle (120) mittels schlupfender Reibkupplung (118) über die erste Eingangswelle (112) und die dritte Gangstufe (130); des Wechselns (540 - 555) der ersten gegen die zweite Gangstufe (130) an der zweiten Eingangswelle (114); und des Umlagerns (560 - 575) des an der Antriebswelle (120) bereitgestellten Drehmoments von der ersten Eingangswelle (112) auf die zweite Eingangswelle (114) umfasst.
Verfahren (500) nach Anspruch 6, wobei das Wechseln (540 - 555) der ersten gegen die zweiten Gangstufe (130) derart erfolgt, dass eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine (122) maximal der Drehzahl entspricht, die der zweiten Eingangswelle (114) bei eingelegter erster Gangstufe (130) zugeordnet ist.
Verfahren (500) nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Drehzahl eines mit der Antriebswelle (120) verbundenen Antriebsmotors angepasst wird, bevor die Reibkupplung (118) schlupfend geschlossen wird.
Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die elektrische Antriebsmaschine (122) während des Wechselns der ersten gegen die zweite Gangstufe (130) deaktiviert ist.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung eines Verfahrens (500) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wenn das auf einer Verarbeitungseinrichtung (144) ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.