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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Elektromaschine, eine Antriebswelle, eine Abtriebswelle, sowie einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz, wobei die Planetenradsätze jeweils mehrere Elemente umfassen, wobei ein erstes, ein zweites, ein drittes, ein viertes und ein fünftes Schaltelement vorgesehen sind, und wobei ein Rotor der Elektromaschine an der Antriebswelle, an der Abtriebswelle oder zumindest einem der Elemente der Planetenradsätze angebunden ist.
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Bei Hybridfahrzeugen sind Getriebe bekannt, welche neben einem Radsatz auch eine oder mehrere Elektromaschinen aufweisen. Das Getriebe ist dabei üblicherweise mehrgängig gestaltet, d. h. es sind mehrere unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse als Gänge zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle durch Betätigung entsprechender Schaltelemente schaltbar, wobei dies vorzugsweise automatisch vollzogen wird. Je nach Anordnung der Schaltelemente handelt es sich bei diesen um Kupplungen oder auch um Bremsen. Das Getriebe wird dabei dazu genutzt, ein Zugkraftangebot einer Antriebsmaschine des Kraftfahrzeuges in Hinblick auf verschiedene Kriterien geeignet umzusetzen. Dabei werden die Gänge des Getriebes zumeist auch im Zusammenspiel mit der zumindest einen Elektromaschine zur Darstellung eines rein elektrischen Fahrens verwendet. Häufig kann die zumindest eine Elektromaschine außerdem im Getriebe zur Darstellung verschiedener Betriebsmodi auf unterschiedliche Weisen eingebunden werden.
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Aus der
DE 10 2014 204 009 A1 geht ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug hervor, das sich aus zwei Planetenradsätzen und einer Elektromaschine zusammensetzt. Die beiden Planetenradsätze sind jeweils durch die Elemente Sonnenrad, Planetensteg und Hohlrad gebildet, wobei zudem insgesamt fünf Schaltelemente vorgesehen sind, über welche unterschiedliche Kraftflussführungen über die Planetenradsätze dargestellt werden können. So können mehrere Gänge zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle des Getriebes bei Antrieb über eine vorgeschaltete Antriebsmaschine sowie ein Gang bei Antrieb über die Elektromaschine realisiert werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Ausgestaltung zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Getriebe für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mit welchem bei kompaktem Aufbau unterschiedliche Betriebsmodi auf geeignete Art und Weise dargestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Ein Kraftfahrzeugantriebsstrang für ein Hybridfahrzeug ist zudem Gegenstand von Anspruch 14. Des Weiteren hat der Anspruch 15 ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebes zum Gegenstand.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Getriebe eine Elektromaschine, eine Antriebswelle, eine Abtriebswelle sowie einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz. Die Planetenradsätze umfassen dabei mehrere Elemente, wobei ein erstes, ein zweites, ein drittes, ein viertes und ein fünftes Schaltelement vorgesehen sind, durch deren selektive Betätigung unterschiedliche Kraftflussführungen unter Schaltung unterschiedlicher Gänge dargestellt werden können. Des Weiteren ist ein Rotor der Elektromaschine an der Antriebswelle, an der Abtriebswelle oder zumindest einem der Elemente der Planetenradsätze angebunden.
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Unter einer „Welle“ ist im Sinne der Erfindung ein rotierbares Bauteil des Getriebes zu verstehen, über welches je zugehörige Komponenten des Getriebes drehfest miteinander verbunden sind oder über das eine derartige Verbindung bei Betätigung eines entsprechenden Schaltelements hergestellt wird. Die Welle kann die Komponenten dabei axial oder radial oder auch sowohl axial und radial miteinander verbinden. So kann die jeweilige Welle auch als Zwischenstück vorliegen, über welches eine jeweilige Komponente zum Beispiel radial angebunden wird.
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Mit „axial“ ist im Sinne der Erfindung eine Orientierung in Richtung einer Achse gemeint, entlang welcher die Planetenradsätze koaxial zueinander liegend angeordnet sind. Unter „radial“ ist dann eine Orientierung in Durchmesserrichtung einer Welle zu verstehen, die auf dieser Achse liegt.
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Bevorzugt weist die Abtriebswelle des Getriebes eine Verzahnung auf, über welche die Abtriebswelle dann im Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem achsparallel zur Abtriebswelle angeordneten Differentialgetriebe in Wirkverbindung steht. Hierbei ist die Verzahnung bevorzugt an einer Anschlussstelle der Abtriebswelle vorgesehen, wobei diese Anschlussstelle der Abtriebswelle bevorzugt axial an einem Ende des Getriebes liegt, an welchem auch eine Anschlussstelle der Antriebswelle vorgesehen ist. Diese Art der Anordnung eignet sich besonders zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug mit einem quer zur Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges ausgerichteten Antriebsstrang.
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Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass die Antriebswelle drehfest mit dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes verbunden ist, dessen erstes Element festgesetzt ist. Des Weiteren kann die Abtriebswelle über das erste Schaltelement drehfest mit dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes verbunden werden, welches zudem mittels des zweiten Schaltelements drehfest mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes in Verbindung bringbar ist. Das erste Element des zweiten Planetenradsatzes kann ferner über das dritte Element drehfest mit der Antriebswelle verbunden werden. Zudem besteht bei dem zweiten Planetenradsatz eine erste Koppelung des zweiten Elements des zweiten Planetenradsatzes mit der Abtriebswelle, sowie eine zweite Koppelung des dritten Elements des zweiten Planetenradsatzes mit einem drehfesten Bauelement. Von diesen beiden Koppelungen liegt eine Koppelung als permanent drehfeste Verbindung vor, während bei der noch verbleibenden Koppelung eine drehfeste Verbindung mittels des fünften Schaltelements hergestellt werden kann. Schließlich können zwei der Elemente des zweiten Planetenradsatzes über das fünfte Schaltelement drehfest miteinander verbunden werden, wenn die erste Koppelung des zweiten Planetenradsatzes als permanent drehfeste Verbindung vorliegt. Ist dagegen die zweite Koppelung des zweiten Planetenradsatzes als permanent drehfeste Verbindung gestaltet, so können das erste Element des zweiten Planetenradsatzes und die Abtriebswelle über das fünfte Schaltelement drehfest miteinander in Verbindung gebracht werden.
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Mit anderen Worten ist also die Antriebswelle permanent drehfest mit dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes verbunden, während das erste Element des ersten Planetenradsatzes ständig festgesetzt ist und damit auch permanent an einer Drehbewegung gehindert wird.
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Bei Betätigung des ersten Schaltelements wird die Abtriebswelle drehfest mit dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes verbunden, wohingegen das zweite Schaltelement im geschlossenen Zustand das zweite Element des ersten Planetenradsatzes drehfest mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes in Verbindung bringt. Das Schließen des dritten Schaltelements hat eine drehfeste Verbindung der Antriebswelle mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes zur Folge.
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Im Falle des zweiten Planetenradsatzes gibt es bei dem erfindungsgemäßen Getriebe zudem zwei Koppelungen der Elemente des zweiten Planetenradsatzes. So ist eine erste Koppelung in Form des zweiten Elements des zweiten Planetenradsatzes mit der Abtriebswelle vorhanden, während im Falle des dritten Elements des zweiten Planetenradsatzes eine zweite Koppelung zu einem drehfesten Bauelement besteht. Eine der beiden vorgenannten Koppelungen ist dabei als permanent drehfeste Verbindung realisiert, während die noch verbleibende Koppelung als Verbindung vorliegt, die erst durch Schließen des vierten Schaltelements drehfest hergestellt wird.
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Unter einer „Koppelung“ ist im Sinne der Erfindung dementsprechend eine Verbindung zu verstehen, die entweder als permanente Verbindung besteht oder aber erst durch Betätigen eines jeweiligen Schaltelements hergestellt wird.
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In Abhängigkeit davon, welche der beiden Koppelungen des zweiten Planetenradsatzes permanent drehfest gestaltet ist, nimmt auch das fünfte Schaltelement drehfeste Verbindungen im Getriebe vor. So wird entsprechend einer ersten Variante über das fünfte Schaltelement eine drehfeste Verbindung zwischen zwei Elementen des zweiten Planetenradsatzes vorgenommen, was dem entsprechend ein Verblocken des zweiten Planetenradsatzes zur Folge hat. Diese erste Variante liegt dann vor, wenn die erste Koppelung des zweiten Planetenradsatzes als permanent drehfeste Verbindung gestaltet ist. Dagegen wird im Rahmen einer zweiten Variante über das fünfte Schaltelement bei dessen Betätigung eine drehfeste Verbindung zwischen dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle hergestellt, wobei hierzu die zweite Koppelung des zweiten Planetenradsatzes als permanent drehfeste Verbindung vorzuliegen hat.
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Eine jeweilige drehfeste Verbindung der rotierbaren Komponenten des Getriebes ist erfindungsgemäß bevorzugt über eine oder auch mehrere zwischenliegende Wellen realisiert, die dabei bei räumlich dichter Lage der Komponenten auch als kurze Zwischenstücke vorliegen können. Konkret können die Komponenten, die permanent drehfest miteinander verbunden sind, dabei jeweils entweder als drehfest miteinander verbundene Einzelkomponenten oder auch einstückig vorliegen. Im zweitgenannten Fall werden dann die jeweiligen Komponenten und die ggf. vorhandene Welle durch ein gemeinsames Bauteil gebildet, wobei dies insbesondere eben dann realisiert wird, wenn die jeweiligen Komponenten im Getriebe räumlich dicht beieinander liegen.
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Bei Komponenten des Getriebes, die erst durch Betätigung eines jeweiligen Schaltelements miteinander verbunden werden, wird eine Verbindung ebenfalls bevorzugt über eine oder auch mehrere zwischenliegende Wellen verwirklicht.
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Ein Festsetzen erfolgt insbesondere durch drehfestes Verbinden mit einem drehfesten Bauelement des Getriebes, bei welchem es sich vorzugsweise um eine permanent stillstehende Komponente handelt, bevorzugt um ein Gehäuse des Getriebes, einen Teil eines derartigen Gehäuses oder ein damit drehfest verbundenes Bauelement. Im Fall des ersten Elements des ersten Planetenradsatzes liegt dabei ein permanentes Festsetzen vor, das erste Element des ersten Planetenradsatzes ist also ständig mit einer permanent stillstehenden Komponente verbunden oder wird durch diese gebildet.
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Bei dem Getriebe liegen das erste, das zweite, das dritte und das fünfte Schaltelement als Kupplungen vor, welche bei Betätigung jeweils die je zugehörigen, rotierbaren Komponenten des Getriebes in ihren Drehbewegungen einander angleichen und im Folgenden drehfest miteinander verbinden. Das vierte Schaltelement kann, je nach herzustellender Verbindung, entweder als Kupplung oder auch als Bremse ausgeführt sein, welche die jeweilige Komponente bei Betätigung abbremst und stillsetzt.
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Antriebsseitig kann zudem eine Trennkupplung vorgesehen sein, die im betätigten Zustand die Antriebswelle drehfest mit einer Anschlusswelle verbindet, welche wiederum mit der dem Getriebe vorgeschaltete Antriebsmaschine gekoppelt ist. Diese Trennkupplung kann dabei prinzipiell als kraftschlüssiges oder auch als formschlüssiges Schaltelement ausgeführt sein, liegt aber besonders bevorzugt als Reibungskupplung vor.
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Insgesamt zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Getriebe durch eine kompakte Bauweise, geringe Bauteilbelastungen, einen guten Verzahnungswirkungsgrad und geringe Verluste aus.
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Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe können vier Gänge zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle durch selektives Schließen von je zwei Schaltelementen realisiert werden. Hierbei ergibt sich ein erster Gang zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle durch Betätigen des zweiten und des vierten Schaltelements, während ein zweiter Gang zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle durch Schließen des dritten und des vierten Schaltelements darstellbar ist. Ferner kann ein dritter Gang zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle in einer ersten Variante durch Betätigen des ersten und des vierten Schaltelements geschaltet werden. Darüber hinaus kann der dritte Gang auch in einer zweiten Variante durch Schließen des ersten und des dritten Schaltelements, in einer dritten Variante durch Betätigen des ersten und des fünften Schaltelements, in einer vierten Variante durch Schließen des ersten und des zweiten Schaltelements, in einer fünften Variante durch Betätigen des zweiten und des fünften Schaltelements sowie in einer sechsten Variante durch Betätigen des ersten Schaltelements dargestellt werden. Schließlich ergibt sich ein vierter Gang zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle in zumindest einer Variante durch Schließen des dritten und des fünften Schaltelements.
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Bei geeigneter Wahl von Standgetriebeübersetzungen der Planetenradsätze wird hierdurch eine für die Anwendung im Bereich eines Kraftfahrzeuges geeignete Übersetzungsreihe realisiert. Für eine aufeinanderfolgende Schaltung der Gänge entsprechend ihrer Reihenfolge ist dabei, mit Ausnahme von Varianten des dritten Ganges, stets der Zustand von je zwei Schaltelementen zu variieren, indem eines der am vorhergehenden Gang beteiligten Schaltelemente zu öffnen und ein anderes Schaltelement zur Darstellung des nachfolgenden Ganges zu schließen ist. Dies hat dann auch zur Folge, dass ein Schalten zwischen den Gängen sehr zügig ablaufen kann.
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Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist der Rotor der Elektromaschine ständig mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden. Diese Anordnung der Elektromaschine in dem Getriebe ist vorteilhaft, da sich hierdurch unterschiedliche Betriebsmodi auf einfache Art und Weise verwirklichen lassen:
- So können zwei Gänge zwischen dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle für ein rein elektrisches Fahren genutzt werden. Dabei ergibt sich ein erster Gang zwischen dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle durch Schließen des vierten Schaltelements, während ein zweiter Gang zwischen dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle durch Schließen des fünften Schaltelements dargestellt wird.
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Bei dem ersten Gang, welcher zwischen dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle durch Schließen des fünften Schaltelements wirksam ist, ist die Elektromaschine über den zweiten Planetenradsatz mit der Abtriebswelle mit einer konstanten Übersetzung verbunden, wobei die Übersetzung dabei einer Übersetzung des zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle wirksamen zweiten Ganges entspricht. Da für ein Fahren über eine dem Getriebe vorgeschaltete Antriebsmaschine unter Verwendung des vierten Schaltelements stets noch ein weiteres Schaltelement zu schließen ist, kann hierbei ein Fahren über die Elektromaschine dargestellt werden, ohne dass die Antriebsmaschine angekoppelt ist. Von diesem rein elektrischen Fahren kann dann die vorgeschaltete Antriebsmaschine in den ersten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang, in den zweiten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang und in die erste Variante des dritten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges zugestartet werden, da das vierte Schaltelement an jedem dieser Gänge beteiligt ist.
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Im Falle des zweiten Ganges, welcher zwischen dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle durch Schließen des fünften Schaltelements wirksam ist, ist die Elektromaschine über den verblockten zweiten Planetenradsatz mit der Abtriebswelle gekoppelt. Eine Übersetzung in diesem zweiten Gang entspricht dabei einer Übersetzung des vierten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges. Auch hier kann ein Fahren ohne Anbindung der vorgeschalteten Antriebsmaschine stattfinden. Ausgehend von diesem zweiten Gang kann die vorgeschaltete Antriebsmaschine dann in die dritte Variante des dritten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges, in die fünfte Variante des dritten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges sowie in zumindest eine Variante des vierten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges zugestartet werden.
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Als weiterer Betriebsmodus kann zudem ein Ladebetrieb eines elektrischen Energiespeichers verwirklicht werden, indem lediglich das dritte Schaltelement geschlossen und damit eine Verbindung der Antriebswelle mit der Elektromaschine und damit auch der vorgeschalteten Antriebsmaschine mit der Elektromaschine hergestellt wird. Gleichzeitig ist dabei kein Kraftschluss zur Abtriebswelle hergestellt, so dass sich das Getriebe in einer Neutralstellung befindet. Abgesehen von einem Ladebetrieb kann hierdurch auch ein Starten der vorgeschalteten Antriebsmaschine über die Elektromaschine verwirklicht werden. Der Ladebetrieb und der Startbetrieb können alternativ dazu aber auch durch Schließen des zweiten Schaltelements verwirklicht werden, wodurch die Elektromaschine und die Antriebswelle indirekt miteinander verbunden werden.
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Da die Elektromaschine sowohl im geschlossenen Zustand des vierten Schaltelements als auch im geschlossenen Zustand des fünften Schaltelements mit der Abtriebswelle gekoppelt ist, können zudem Lastschaltungen verwirklicht werden, bei welchen im Zuge der Schaltungen jeweils ein Abstützen über die Elektromaschine stattfinden kann. Dabei kann die Synchronisation des bei einer Schaltung zu schließenden Schaltelements durch Drehzahlregelung der vorgeschalteten Antriebsmaschine oder durch synchronisierte Schaltelemente oder auch durch eine andere, separate Synchronisationseinrichtung erfolgen, wie zum Beispiel eine Getriebebremse oder auch eine weitere Elektromaschine. Wird antriebsseitig der Antriebswelle zudem eine Trennkupplung vorgesehen, kann die Trägheitsmasse der vorgeschalteten Antriebsmaschine während der Synchronisierung abgekoppelt werden.
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Konkret können dabei Schaltungen zwischen dem ersten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang und dem zweiten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang unter Last bei geschlossenem vierten Schaltelement verwirklicht werden. Gleiches ist bei Lastschaltungen zwischen dem zweiten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang und der ersten Variante des dritten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges möglich. Ferner können Lastschaltungen zwischen Varianten des dritten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges und der zumindest einen Variante des vierten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges im geschlossenen Zustand des vierten oder des fünften Schaltelements dargestellt werden.
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Unter einer „Verbindung“ des Rotors der Elektromaschine mit der jeweiligen Komponente des Getriebes ist im Sinne der Erfindung eine Koppelung zwischen diesen zu verstehen, so dass zwischen dem Rotor der Elektromaschine und der jeweiligen Komponente eine gleiche Drehzahlabhängigkeit vorherrscht. Diese Verbindung besteht dabei bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung permanent zwischen dem Rotor und dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes. Dabei kann die Elektromaschine entweder koaxial zu den Planetenradsätzen oder achsversetzt zu diesen liegend angeordnet sein. Im erstgenannten Fall kann der Rotor der Elektromaschine dabei entweder unmittelbar drehfest mit der Komponente verbunden oder aber über eine oder auch mehrere zwischenliegende Übersetzungsstufen mit dieser gekoppelt sein, wobei Letzteres eine günstigere Auslegung der Elektromaschine mit höheren Drehzahlen und geringeren Drehmoment ermöglicht. Die mindestens eine Übersetzungsstufe kann dabei als Stirnradstufe und/oder als Planetenradstufe ausgeführt sein.
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Ist die Elektromaschine hingegen achsversetzt zu den Planetenradsätzen vorgesehen, so erfolgt eine Koppelung über eine oder mehrere zwischenliegende Übersetzungsstufen und/oder einen Zugmitteltrieb. Die eine oder die mehreren Übersetzungsstufen können hierbei auch im Einzelnen entweder als Stirnradstufe oder als Planetenstufe realisiert sein. Bei einem Zugmitteltrieb kann es sich entweder um einen Riemen- oder einen Kettentrieb handeln.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung ist genau eine Elektromaschine vorgesehen, welche zum Antrieb der Abtriebswelle eingerichtet ist. In diesem Fall weist das erfindungsgemäße Getriebe also lediglich eine Elektromaschine auf, die auch als Antrieb der Abtriebswelle fungieren kann, wobei diese dann eben bevorzugt ständig mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass somit ein kompakter Aufbau und ein niedriger Herstellungsaufwand des Getriebes verwirklicht werden kann.
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Alternativ dazu kann eine zweite Elektromaschine vorgesehen sein, deren Rotor mit der Antriebswelle ständig verbunden ist. Durch eine solche Ausgestaltung kann die Funktionalität der Hybrideinheit weiter erhöht werden.
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Es ist eine Variante der Erfindung, dass bei dem Getriebe das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist, wohingegen das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes mittels des vierten Schaltelements festgesetzt werden kann. In diesem Fall ist also die erste Koppelung des zweiten Planetenradsatzes als permanent drehfeste Verbindung ausgebildet, während die zweite Koppelung erst durch Betätigen des vierten Schaltelements drehfest hergestellt wird. In Weiterbildung dieser Variante verbindet dann das fünfte Schaltelement bei Betätigung das erste und das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes oder das zweite und das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes oder das erste und das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes drehfest miteinander, wobei in allen vorgenannten Fällen ein Verblocken des zweiten Planetenradsatzes erreicht wird.
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Entsprechend einer hierzu alternativen Variante der Erfindung ist das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes festgesetzt, wohingegen das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes über das vierte Schaltelement drehfest mit der Abtriebswelle verbunden werden kann. In diesem Fall liegt also die zweite Koppelung des zweiten Planetenradsatzes als permanent drehfeste Verbindung vor, während die erste Koppelung des zweiten Planetenradsatzes erst mit Betätigung des vierten Schaltelements drehfest hergestellt wird. In Weiterbildung dieser Variante verbindet dann das fünfte Schaltelement bei Betätigung das erste Element des zweiten Planetenradsatzes und die Abtriebswelle drehfest miteinander.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung, die dabei mit einer der vorgenannten Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist zudem ein sechstes Schaltelement vorgesehen, über welches die Antriebswelle drehfest mit der Abtriebswelle verbunden werden kann. Besonders bevorzugt ist dieses sechste Schaltelement dabei zwischen dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle vorgesehen und verbindet dementsprechend bei Betätigung die Antriebswelle und die Abtriebswelle mittelbar drehfest miteinander, da das dritte Element des ersten Planetenradsatzes ständig drehfest mit der Antriebswelle in Verbindung steht.
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Durch Vorsehen des zusätzlichen, sechsten Schaltelements können bei dem erfindungsgemäßen Getriebe dann unterschiedliche Varianten des vierten Ganges realisiert werden, welcher zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle wirksam ist. So ergibt sich der vierte Gang in einer ersten Variante durch Betätigen des vierten und des sechsten Schaltelements, in einer zweiten Variante durch Schließen des dritten und des sechsten Schaltelements, in einer dritten Variante durch Betätigen des fünften und des sechsten Schaltelements, in einer vierten Variante durch Schließen des zweiten und des sechsten Schaltelements, in einer fünften Variante durch Betätigen des dritten und des fünften Schaltelements sowie in einer sechsten Variante durch Schließen des sechsten Schaltelements. Bei letzterer, sechster Variante wäre die am ersten Element des zweiten Planetenradsatzes angebunden Elektromaschine abgekoppelt, so dass Leerlaufverluste bei stillstehender Elektromaschine vermieden werden können.
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Darüber hinaus kann aus dem ersten Gang, welcher zwischen dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle wirksam ist, heraus ein Zustarten der vorgeschalteten Antriebsmaschine in die erste Variante des vierten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges vorgenommen werden, da dann neben dem vierten Schaltelement nur noch das sechste Schaltelement zu schließen ist.
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Ferner kann das erfindungsgemäße Getriebe des Weiteren dann so betrieben werden, dass beim Fahren eine Drehzahlabsenkung der Elektromaschine erreicht wird. So kann zunächst hybridisch in der ersten Variante des vierten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges gefahren werden, indem entweder nach einer über die Elektromaschine drehmomentgestützten Schaltung vom dritten in den vierten Gang oder nach einem Zustarten der Antriebsmaschine in den vierten Gang das vierte Schaltelement zunächst geschlossen bleibt. Um nun aber eine Drehzahl der Elektromaschine im vierten Gang bei höheren Fahrgeschwindigkeiten abzusenken, kann von der ersten Variante des vierten Ganges in die dritte Variante des vierten Ganges umgeschaltet werden, da hier der Rotor der Elektromaschine eine geringere Drehzahl aufweist, als in der dritten Variante des vierten Ganges. Diese Umschaltung erfolgt dabei mit Erhaltung der Zugkraft über die vorgeschaltete Antriebsmaschine. Zunächst wird dabei das lastfreie, vierte Schaltelement ausgelegt und im Folgenden das lastfreie, fünfte Schaltelement eingelegt, wobei die Drehzahlanpassung dabei durch Drehzahlregelung der Elektromaschine erfolgt. Ist zudem eine Trennkupplung vorgesehen, über welche die Antriebswelle antriebsseitig mit einer Anschlusswelle verbunden werden kann, kann die vorgeschaltete Antriebsmaschine zudem in der ersten Variante des vierten Ganges abgekoppelt werden. Letzteres ist sinnvoll, wenn auch aus höheren Fahrgeschwindigkeiten heraus ein Rekuperieren über die Elektromaschine erfolgen soll und dabei die Antriebsmaschine abzukoppeln und abzuschalten ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist ein oder sind mehrere Schaltelemente jeweils als formschlüssiges Schaltelement realisiert. Hierbei ist das jeweilige Schaltelement bevorzugt entweder als Klauenschaltelement oder als Sperrsynchronisation ausgeführt. Formschlüssige Schaltelemente haben gegenüber kraftschlüssigen Schaltelement den Vorteil, dass im geöffneten Zustand geringerer Schleppverluste auftreten, so dass sich ein besserer Wirkungsgrad des Getriebes erreichen lässt. Insbesondere sind bei der erfindungsgemäßen Hybrideinheit alle Schaltelemente als formschlüssige Schaltelemente verwirklicht, so dass sich möglichst geringe Schleppverluste erreichen lassen.
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Die beiden Planetenradsätze können im Rahmen der Erfindung jeweils als Minus-Planetensätze vorliegen, wobei es sich bei einem ersten Element des jeweiligen Planetenradsatzes das fünfte Schaltelement bei Betätigung um ein Sonnenrad, bei einem zweiten Element des jeweiligen Planetenradsatzes um einen Planetensteg und bei einem dritten Element des jeweiligen Planetenradsatzes um ein Hohlrad handelt. Ein Minus-Planetensatz setzt sich auf dem Fachmann prinzipiell bekannte Art und Weise aus den Elementen Sonnenrad, Planetensteg und Hohlrad zusammen, wobei der Planetensteg mindestens ein, bevorzugt aber mehrere Planetenräder drehbar gelagert führt, die im Einzelnen jeweils sowohl mit dem Sonnenrad, als auch dem umliegenden Hohlrad kämmen.
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Alternativ dazu könnten aber einer oder auch beide Planetenradsätze, sofern es die Anbindung der jeweiligen Elemente zulässt, als Plus-Planetensatz vorliegen, wobei es sich bei dem ersten Element des jeweiligen Planetenradsatzes dann um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des jeweiligen Planetenradsatzes um ein Hohlrad und bei dem dritten Element des jeweiligen Planetenradsatzes um einen Planetensteg handelt. Bei einem Plus-Planetensatz sind ebenfalls die Elemente Sonnenrad, Hohlrad und Planetensteg vorhanden, wobei Letzterer mindestens ein Planetenradpaar führt, bei welchem das eine Planetenrad mit dem innenliegenden Sonnenrad und das andere Planetenrad mit dem umliegenden Hohlrad im Zahneingriff steht, sowie die Planetenräder untereinander kämmen.
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Wo es eine Anbindung der einzelnen Elemente zulässt, kann ein Minus-Planetensatz in einen Plus-Planetensatz überführt werden, wobei dann gegenüber der Ausführung als Minus-Planetensatz die Hohlrad- und die Planetensteganbindung miteinander zu tauschen, sowie eine Getriebestandübersetzung um eins zu erhöhen ist. Umgekehrt könnte auch ein Plus-Planetensatz durch einen Minus-Planetensatz ersetzt werden, sofern die Anbindung der Elemente des Getriebes dies ermöglicht. Dabei wären dann im Vergleich zu dem Plus-Planetensatz ebenfalls die Hohlrad- und die Planetensteganbindung miteinander zu tauschen, sowie eine Getriebestandübersetzung um eins zu reduzieren. Besonders bevorzugt ist aber der erste Planetenradsatz als Plus-Planetenradsatz ausgeführt, während der zweite Planetenradsatz als Minus-Planetenradsatz vorliegt.
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In Weiterbildung der Erfindung sind zumindest zwei Schaltelemente zu je einem Schaltelementpaar zusammengefasst, welchem je ein Betätigungselement zugeordnet ist, wobei über das je eine Betätigungselement aus einer jeweiligen Neutralstellung heraus entweder das eine Schaltelement oder das andere Schaltelement des jeweiligen Schaltelementpaares betätigt werden kann. Dies ist dabei bei Schaltelementen des Getriebes realisiert, die eine gemeinsame Welle aufweisen und nicht gleichzeitig in einem Gang betätigt sind, und hat den Vorteil, dass dadurch die Anzahl an Betätigungselementen reduziert und damit der Herstellungsaufwand vermindert werden kann.
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Je nach konkreter Ausgestaltung des Getriebes können dabei das erste Schaltelement und das sechste Schaltelement und/oder das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement und/oder das vierte Schaltelement und das fünfte Schaltelement und/oder das dritte Schaltelement und das sechste Schaltelement und/oder das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement paarweise zusammengefasst sein und über je ein gemeinsames Betätigungselement verfügen.
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Im Rahmen der Erfindung kann dem Getriebe ein Anfahrelement vorgeschaltet sein, beispielsweise ein hydrodynamischer Drehmomentwandler oder eine Reibkupplung. Dieses Anfahrelement kann dann auch Bestandteil des Getriebes sein und dient der Gestaltung eines Anfahrvorgangs, indem es eine Schlupfdrehzahl zwischen der Brennkraftmaschine und der Antriebswelle des Getriebes ermöglicht. Hierbei kann auch eines der Schaltelemente des Getriebes oder die evtl. vorhandene Trennkupplung als ein solches Anfahrelement ausgebildet sein, indem es bzw. sie als Reibschaltelement vorliegt. Zudem kann auf jeder Welle des Getriebes prinzipiell ein Freilauf zum Getriebegehäuse oder zu einer anderen Welle angeordnet werden.
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Das erfindungsgemäße Getriebe ist insbesondere Teil eines Kraftfahrzeugantriebsstranges für ein Hybridfahrzeug und ist dann zwischen einer insbesondere als Verbrennungskraftmaschine gestalteten Antriebsmaschine des Kraftfahrzeuges und weiteren, in Kraftflussrichtung zu Antriebsrädern des Kraftfahrzeuges folgenden Komponenten des Antriebsstranges angeordnet. Hierbei ist die Antriebswelle des Getriebes entweder permanent drehfest mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt oder über eine zwischenliegende Trennkupplung bzw. ein Anfahrelement mit dieser verbindbar, wobei zwischen Verbrennungskraftmaschine und Getriebe zudem ein Torsionsschwingungsdämpfer vorgesehen sein kann. Abtriebsseitig ist das Getriebe innerhalb des Kraftfahrzeugantriebsstranges dann bevorzugt mit einem Differentialgetriebe einer Antriebsachse des Kraftfahrzeuges gekoppelt, wobei hier allerdings auch eine Anbindung an ein Längsdifferential vorliegen kann, über welches eine Verteilung auf mehrere angetriebene Achsen des Kraftfahrzeuges stattfindet. Das Differentialgetriebe bzw. das Längsdifferential kann dabei mit dem Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Ebenso kann auch ein Torsionsschwingungsdämpfer mit in dieses Gehäuse integriert sein.
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Dass zwei Bauelemente des Getriebes drehfest „verbunden“ bzw. „gekoppelt“ sind bzw. „miteinander in Verbindung stehen“, meint im Sinne der Erfindung eine permanente Koppelung dieser Bauelemente, so dass diese nicht unabhängig voneinander rotieren können. Insofern ist zwischen diesen Bauelementen, bei welchen es sich um Elemente der Planetenradsätze und/oder auch Wellen und/oder ein drehfestes Bauelement des Getriebes handeln kann, kein Schaltelement vorgesehen, sondern die entsprechenden Bauelemente sind starr miteinander gekoppelt.
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Ist hingegen ein Schaltelement zwischen zwei Bauelementen vorgesehen, so sind diese Bauelemente nicht permanent drehfest miteinander gekoppelt, sondern eine drehfeste Koppelung wird erst durch Betätigen des zwischenliegenden Schaltelements vorgenommen. Dabei bedeutet eine Betätigung des Schaltelements im Sinne der Erfindung, dass das betreffende Schaltelement in einen geschlossenen Zustand überführt wird und in der Folge die hieran unmittelbar angekoppelten Bauelemente in ihren Drehbewegungen aneinander angleicht. Im Falle einer Ausgestaltung des betreffenden Schaltelements als formschlüssiges Schaltelement werden die hierüber unmittelbar drehfest miteinander verbundenen Bauelemente unter gleicher Drehzahl laufen, während im Falle eines kraftschlüssigen Schaltelements auch nach einem Betätigen desselbigen Drehzahlunterschiede zwischen den Bauelementen bestehen können. Dieser gewollte oder auch ungewollte Zustand wird im Rahmen der Erfindung dennoch als drehfeste Verbindung der jeweiligen Bauelemente über das Schaltelement bezeichnet.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Hauptanspruchs oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugantriebsstranges, in welchem ein erfindungsgemäßes Getriebe zur Anwendung kommt;
- 2 - 5 je eine schematische Ansicht eines Getriebes entsprechend einer ersten bis vierten Ausführungsform der Erfindung;
- 6 ein beispielhaftes Schaltschema der Getriebe aus den 2 bis 5;
- 7 - 10 je eine schematische Ansicht eines Getriebes entsprechend einer fünften bis achten Ausführungsform der Erfindung;
- 11 ein beispielhaftes Schaltschema der Getriebe aus den 7 bis 10;
- 12 eine schematische Darstellung einer Abwandlungsmöglichkeit der Getriebe aus den 2 bis 5 und 7 bis 10;
- 13 eine schematische Ansicht einer weiteren Abwandlungsmöglichkeit der Getriebe aus den 2 bis 5 und 7 bis 10; und
- 14 eine schematische Darstellung einer weiteren Abwandlungsmöglichkeit der Getriebe aus den 2 bis 5 und 7 bis 10.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugantriebsstranges eines Hybridfahrzeuges, wobei in dem Kraftfahrzeugantriebsstrang eine Verbrennungskraftmaschine VKM über einen zwischenliegenden Torsionsschwingungsdämpfer TS mit einem Getriebe G verbunden ist. Dem Getriebe G ist abtriebsseitig ein Differentialgetriebe AG nachgeschaltet, über welches eine Antriebsleistung auf Antriebsräder DW einer Antriebsachse des Kraftfahrzeuges verteilt wird. Das Getriebe G und der Torsionsschwingungsdämpfer TS sind dabei in einem gemeinsamen Gehäuse des Getriebes G zusammengefasst, in welches dann auch das Differentialgetriebe AG integriert sein kann. Wie zudem in 1 zu erkennen ist, sind die Verbrennungskraftmaschine VKM, der Torsionsschwingungsdämpfer TS, das Getriebe G und auch das Differentialgetriebe AG quer zu einer Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges ausgerichtet.
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Aus 2 geht eine schematische Darstellung des Getriebes G gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung hervor. Wie zu erkennen ist, setzt sich das Getriebe G aus einem Radsatz RS und der Elektromaschine EM zusammen, die gemeinsam in dem Gehäuse des Getriebes G zusammengefasst sind. Der Radsatz RS umfasst zwei Planetenradsätze P1 und P2, wobei jeder der Planetenradsätze P1 und P2 je ein erstes Element E11 bzw. E12, je ein zweites Element E21 bzw. E22 und je ein drittes Element E31 bzw. E32 aufweist. Das jeweilige erste Element E11 bzw. E12 ist dabei jeweils durch je ein Sonnenrad des jeweiligen Planetenradsatzes P1 bzw. P2 gebildet, während das zweite Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 als Hohlrad und das dritte Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 als Planetensteg vorliegt. Hingegen ist bei dem zweiten Planetenradsatz P2 das zweite Element E22 als Planetensteg und das dritte Element E32 als Hohlrad realisiert.
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Im vorliegenden Fall ist also der erste Planetenradsatz P1 als Plus-Planetensatz realisiert, bei welchem der Planetensteg mindestens ein Planetenradpaar führt, von dessen Planetenrädern ein Planetenrad mit dem radial innenliegenden Sonnenrad und ein Planetenrad mit dem radial umliegenden Hohlrad im Zahneingriff steht, sowie die Planetenräder untereinander kämmen. Der zweite Planetenradsatz P2 liegt hingegen als Minus-Planetensatz vor, dessen Planetensteg zumindest ein Planetenrad drehbar gelagert führt, welches sowohl mit dem radial innenliegenden Sonnenrad, als auch dem radial umliegenden Hohlrad im Zahneingriff steht. Besonders bevorzugt sind aber bei dem ersten Planetenradsatz P1 mehrere Planetenradpaare und auch bei dem zweiten Planetenradsatz P2 mehrere Planetenräder vorgesehen.
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Sofern es die Anbindung zulässt, könnte der erste Planetenradsatz P1 aber auch als Minus-Planetensatz ausgeführt werden, wobei für die Überführung in einen Minus-Planetensatz im Vergleich zu der Ausführung als Plus-Planetensatz das zweite Element E21 durch den Planetensteg und das dritte Element E31 durch das Hohlrad zu bilden ist. Zudem ist eine Standübersetzung um eins zu reduzieren. Ebenso könnte der zweite Planetenradsatz P2 auch als Plus-Planetensatz ausgeführt werden, sofern es die Anbindung zulässt, wobei im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetensatz dann das zweite Element E22 durch das Hohlrad und das dritte Element E32 durch den Planetensteg gebildet und zudem eine Getriebestandübersetzung um eins erhöht werden muss.
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Wie in 2 zu erkennen ist, umfasst das Getriebe G insgesamt fünf Schaltelemente in Form eines ersten Schaltelements K1, eines zweiten Schaltelements K2, eines dritten Schaltelements K3, eines vierten Schaltelements B1 und eines fünften Schaltelements K4. Dabei sind die Schaltelemente K1, K2, K3, B1 und K4 jeweils als formschlüssige Schaltelemente ausgeführt und liegen bevorzugt als Klauenschaltelemente vor. Zudem sind das erste Schaltelement K1, das zweite Schaltelement K2, das dritte Schaltelement K3 und das fünfte Schaltelement K4 als Kupplungen gestaltet, während das vierte Schaltelement B1 als Bremse vorliegt.
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Das erste Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 ist permanent drehfest mit einem drehfesten Bauelement GG des Getriebes G verbunden und wird damit auch ständig an einer Drehbewegung gehindert. Bei dem drehfesten Bauelement GG kann es sich dabei um das Gehäuse oder einen Teil des Gehäuses des Getriebes G handeln. Ferner kann das zweite Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 über das erste Schaltelement K1 drehfest mit einer Abtriebswelle GW2 des Getriebes G verbunden werden, die zudem drehfest mit dem zweiten Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 in Verbindung steht. Zudem kann das zweite Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 noch durch Schließen des zweiten Schaltelements K2 drehfest mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden werden, wobei das erste Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 ständig drehfest mit einem Rotor R der Elektromaschine EM in Verbindung steht. Die Elektromaschine EM ist dabei koaxial zu dem Radsatz RS und damit auch zu den beiden Planetenradsätzen P1 und P 2 platziert, wobei ein Stator S dabei an dem drehfesten Bauelement GG des Getriebes G festgesetzt ist.
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Eine Antriebswelle GW1 des Getriebes G ist ständig drehfest mit dem dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden und kann durch Schließen des dritten Schaltelements K3 drehfest mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 und damit auch dem Rotor R in Verbindung gebracht werden. Das dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 wird durch Betätigen des vierten Schaltelements B1 drehfest mit dem drehfesten Bauelement GG verbunden und damit festgesetzt. Darüber hinaus kann das dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 noch durch Schließen des fünften Schaltelements K4 drehfest mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden werden, was ein Verblocken des zweiten Planetenradsatzes P2 zur Folge hat.
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Sowohl die Antriebswelle GW1, als auch die Abtriebswelle GW2 bilden jeweils je eine Anschlussstelle GW1-A bzw. GW2-A aus, wobei die Anschlussstelle GW1-A im Kraftfahrzeugantriebsstrang aus 1 einer Anbindung an die Verbrennungskraftmaschine VKM dient, während das Getriebe G an der Anschlussstelle GW2-A mit dem nachfolgenden Differentialgetriebe AG verbunden ist. Die Anschlussstellen GW1-A und GW2-A der Antriebswelle GW1 und der Abtriebswelle GW2 sind dabei an einem axialen Ende des Getriebes G ausgestaltet, wobei die Anschlussstelle GW2-A hierbei quer zur Anschlussstelle GW1-A der Antriebswelle GW1 ausgerichtet ist. Die beiden Planetenradsätze P1 und P2 sind auf die Anschlussstelle GW1-A der Antriebswelle GW1 axial folgend in der Reihenfolge erster Planetenradsatz P1 und zweiter Planetenradsatz P2 angeordnet.
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Wie zudem aus 2 hervorgeht ist das erste Schaltelement K1 axial auf einer der Anschlussstelle GW1-A zugewandt liegenden Seite des ersten Planetenradsatzes P1 vorgesehen. Hingegen liegen das zweite Schaltelement K2 und das dritte Schaltelement K3 axial an einem hierzu entgegengesetzt liegenden Ende des Getriebes G, wobei die Schaltelement K2 und K3 dabei axial unmittelbar nebeneinanderliegend angeordnet sind. Zudem ist dem zweiten Schaltelement K2 und dem dritten Schaltelement K3 ein gemeinsames - vorliegend nicht weiter dargestelltes - Betätigungselement zugeordnet, über welches aus einer Neutralstellung heraus entweder das zweite Schaltelement K2 oder das dritte Schaltelement K3 betätigt werden kann. Dabei sind das zweite Schaltelement K2 und das dritte Schaltelement K3 zu einem Schaltelementpaar SP1 zusammengefasst.
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Das vierte Schaltelement B1 und das fünfte Schaltelement K4 sind axial im Wesentlichen in einer Radebene des zweiten Planetenradsatzes P 2 angeordnet und liegen ebenfalls axial unmittelbar nebeneinander. Dabei ist auch dem vierten Schaltelement B1 und dem fünften Schaltelement K4 ein gemeinsames - ebenfalls nicht gezeigtes - Betätigungselement zugeordnet, über das aus einer Neutralstellung heraus entweder eine Betätigung des vierten Schaltelements B1 oder des fünften Schaltelements K4 vorgenommen werden kann. Dementsprechend bilden auch das vierte Schaltelement B1 und das fünfte Schaltelement K4 ein Schaltelementpaar SP2.
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Die Elektromaschine EM ist axial auf einer der Anschlussstelle GW1 -A abgewandt liegenden Seite des zweiten Planetenradsatzes P2 vorgesehen und liegt dabei zwischen dem zweiten Planetenradsatz P2 und dem zweiten Schaltelement K2.
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Zudem geht aus 3 eine schematische Darstellung eines Getriebes G entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung hervor, welche dabei im Wesentlichen der vorhergehenden Variante nach 2 entspricht. Unterschiedlich ist dabei aber, dass ein fünftes Schaltelement K4 nun im betätigten Zustand das zweite Element E22 und das dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 drehfest miteinander verbindet, was wiederum ein Verblocken des zweiten Planetenradsatzes P2 zur Folge hat. Dabei ist das fünfte Schaltelement K4 in demselben Bereich wie in 2 angeordnet und auch mit dem vierten Schaltelement B1 zu dem Schaltelementpaar SP2 zusammengefasst. Auch im Übrigen entspricht die Ausführungsform aus 3 der vorhergehenden Variante nach 2, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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4 zeigt eine schematische Ansicht eines Getriebes G gemäß einer dritten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung, die wiederum weitestgehend der Variante nach 2 entspricht. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach 2 verbindet in diesem Fall jedoch ein fünftes Schaltelement K4 im betätigten Zustand das erste Element E12 und das zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 drehfest miteinander. Dies hat dabei ebenfalls wieder ein Verblocken des zweiten Planetenradsatzes P2 zur Folge. Das fünfte Schaltelement K4 ist dabei axial auf einer der Anschlussstelle GW1-A abgewandt liegenden Seite des zweiten Planetenradsatzes P2 angeordnet und liegt radial im Wesentlichen auf Höhe des zweiten Elements E22 des zweiten Planetenradsatzes P2. Aufgrund dieser geänderten Anordnung ist das fünfte Schaltelement K4 dann auch nicht mehr mit dem vierten Schaltelement B1 zusammengefasst. Ansonsten entspricht die Ausgestaltungsmöglichkeit nach 4 der Variante nach 2, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Ferner geht aus 5 eine schematische Darstellung eines Getriebes G entsprechend einer vierten Ausführungsform der Erfindung hervor. Auch diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Variante nach 2, wobei allerdings unterschiedlich ist, dass das dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 permanent drehfest mit dem drehfesten Bauelement GG verbunden und damit auch ständig an einer Drehbewegung gehindert ist. Zudem steht das zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 nun nicht mehr ständig drehfest mit der Abtriebswelle GW2 in Verbindung, sondern eine drehfeste Verbindung zwischen dem zweiten Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 und der Abtriebswelle GW2 wird erst durch Schließen eines vierten Schaltelements K5 hergestellt. Darüber hinaus kann die Abtriebswelle GW2 noch durch Schließen eines fünften Schaltelements K4 drehfest mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 in Verbindung gebracht werden. Das vierte Schaltelement K5 und das fünfte Schaltelement K4 sind axial unmittelbar nebeneinanderliegend zwischen dem ersten Planetenradsatz P1 und dem zweiten Planetenradsatz P2 vorgesehen und dabei zu einem Schaltelementpaar SP2 zusammengefasst. Ansonsten entspricht die Ausführungsform nach 5 der Variante nach 2, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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In 6 ist ein beispielhaftes Schaltschema für die Getriebe G aus den 2 bis 5 tabellarisch dargestellt. Wie zu erkennen ist, können hierbei zwischen der Antriebswelle GW1 und der Abtriebswelle GW2 jeweils insgesamt vier Gänge 1 bis 4 realisiert werden, wobei in den Spalten des Schaltschemas mit einem X jeweils gekennzeichnet ist, welches der Schaltelemente K1, K2, K3, B1 und K4 bzw. K1, K2, K3, K5 und K4 in welchem der Gänge 1 bis 4 jeweils geschlossen ist. In jedem der Gänge 1 bis 4, mit Ausnahme einer sechsten Variante 3.6 eines dritten Ganges, sind dabei jeweils zwei der Schaltelemente K1, K2, K3, B1 und K4 bzw. K1, K2, K3, K5 und K4 geschlossen.
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Wie in 6 zu erkennen ist, wird ein erster Gang 1 zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 durch Betätigen des zweiten Schaltelements K2 und des vierten Schaltelements B1 bzw. K5 geschaltet, wobei hiervon ausgehend ein zweiter zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 wirksamer Gang 2 gebildet wird, indem das zweite Schaltelement K2 geöffnet und das dritte Schaltelement K3 geschlossen wird. Des Weiteren kann dann in eine erste Variante 3.1 eines dritten zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 wirksamen Ganges geschaltet werden, indem das dritte Schaltelement K3 geöffnet und im Folgenden das erste Schaltelement K1 geschlossen wird. Der dritte Gang kann zudem in einer zweiten Variante 3.2 durch Betätigen des ersten Schaltelements K1 und des dritten Schaltelements K3, in einer dritten Variante 3.3 durch Schließen des ersten Schaltelements K1 und des fünften Schaltelements K4, in einer vierten Variante 3.4 durch Betätigen des ersten Schaltelements K1 und des zweiten Schaltelements K2, in einer fünften Variante 3.5 durch Schließen des zweiten Schaltelements K2 und des fünften Schaltelements K4 sowie in der sechsten Variante 3.6 durch Betätigen des ersten Schaltelements K1 dargestellt werden. Im Fall der sechsten Variante 3.6 des dritten Ganges ist dabei die Elektromaschine EM abgekoppelt, so dass diese stillstehen kann und nicht mitgeschleppt wird.
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Des Weiteren ergibt sich ein vierter zwischen der Antriebswelle GW1 und der Abtriebswelle GW2 wirksamer Gang 4 durch Schließen des dritten Schaltelements K3 und des vierten Schaltelements K4.
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Obwohl die Schaltelemente K1, K2, K3, B1 und K4 bzw. K1, K2, K3, K5 und K4 jeweils als formschlüssige Schaltelemente ausgeführt sind, kann ein Schalten zwischen dem ersten Gang 1 und dem zweiten Gang 2, dem zweiten Gang 2 und der ersten Variante 3.1 des dritten Ganges sowie der dritten Variante 3.3 des dritten Ganges und dem vierten Gang 4 unter Last realisiert werden. Grund dafür ist, dass das vierte Schaltelement B1 bzw. K5 jeweils an den Gängen 1, 2 und 3.1 beteiligt ist. Für eine Lastschaltungen von der dritten Variante 3.3 des dritten Ganges in den vierten Gang muss zunächst von der ersten Variante 3.1 des dritten Ganges in die dritte Variante 3.3 umgeschaltet werden, wobei sich hierbei die Übersetzung für die vorgeschaltete Verbrennungskraftmaschine VKM nicht ändert. Da dann das fünfte Schaltelement K4 sowohl an der Darstellung der dritten Variante 3.3 des dritten Ganges als auch am vierten Gang 4 beteiligt ist, kann dann wiederum ein Umschalten unter Last erfolgen. Eine Synchronisation bei den Schaltungen kann dabei durch eine entsprechende Regelung der vorgeschalteten Verbrennungskraftmaschine VKM erfolgen, so dass das jeweils auszulegende Schaltelements lastfrei geöffnet und das im Folgenden zu schließende Schaltelement lastfrei geschlossen werden kann.
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Die Getriebe G der 2 bis 5 können zudem noch in anderweitigen Betriebsmodi unter Zuhilfenahme der Elektromaschine EM betrieben werden: so kann ein rein elektrisches Fahren in einem ersten Gang E1 stattfinden, welcher zwischen dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 und damit dem Rotor R einerseits sowie der Abtriebswelle GW2 andererseits wirksam ist. Dieser erste Gang E1 wird dabei durch Betätigen des vierten Schaltelements B1 bzw. K5 geschaltet, so dass der Rotor R mit einer konstanten Übersetzung mit der Abtriebswelle GW2 verbunden ist. Diese Übersetzung des ersten Ganges E1 entspricht dabei einer Übersetzung des zweiten zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 wirksamen Ganges 2.
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In vorteilhafter Weise kann die Verbrennungskraftmaschine VKM ausgehend vom ersten Gang E1 in einen der Gänge 1, 2 und 3.1 zugestartet werden, da ja auch in jedem dieser Gänge jeweils das vierte Schaltelement B1 bzw. K 5 geschlossen ist. Insofern kann zügig vom rein elektrischen Fahren in ein Fahren über die Verbrennungskraftmaschine bzw. ein hybridisches Fahren übergegangen werden.
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Wie zudem in 6 zu erkennen ist, kann außerdem noch ein zweiter Gang E2 geschaltet werden, welcher zwischen Rotor R und Abtriebswelle GW2 wirksam und somit für ein rein elektrisches Fahren geeignet ist. Dazu ist das fünfte Schaltelement K4 zu schließen, so dass der Rotor R aufgrund des Verblockens des zweiten Planetenradsatzes P2 bei den Varianten nach den 2 bis 4 bzw. aufgrund der direkten drehfesten Verbindung bei der Ausführungsform nach 5 drehfest mit der Abtriebswelle GW2 in Verbindung steht. Eine Übersetzung dieses zweiten Ganges E2 entspricht dabei der Übersetzung des vierten Ganges 4. Ein Zustarten der Verbrennungskraftmaschine VKM ist ausgehend vom zweiten Gang E2 dann in die Gänge 3.3, 3.5 und 4 möglich, da auch hier jeweils das fünfte Schaltelement K4 geschlossen ist.
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Des Weiteren kann durch Schließen des dritten Schaltelements K3 eine Lade- oder Startfunktion realisiert werden. Denn im geschlossenen Zustand des dritten Schaltelements K3 ist der Rotor R der Elektromaschine EM mit der Antriebswelle GW1 gekoppelt und damit auch mit der Verbrennungskraftmaschine VKM. Gleichzeitig besteht dabei aber kein Kraftschluss zur Abtriebswelle GW2, wobei die Antriebswelle GW1 und der Rotor R dabei unter gleicher Drehzahl laufen. Im generatorischen Betrieb der Elektromaschine EM kann dabei ein elektrischer Energiespeicher über die Verbrennungskraftmaschine VKM geladen werden, während im elektromotorischen Betrieb der Elektromaschine EM ein Starten der Verbrennungskraftmaschine VKM über die Elektromaschine EM realisierbar ist. Dies lässt sich auch in analoger Weise durch Schließen des zweiten Schaltelements K2 verwirklichen, wobei der Rotor R in diesem Fall über den Planetenradsatz P1 mit der Antriebswelle GW1 gekoppelt ist und dabei langsamer läuft als die Antriebswelle GW1.
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Ferner zeigt 7 eine schematische Darstellung eines Getriebes G entsprechend einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Auch diese Ausführungsform entspricht wieder weitestgehend der Variante aus 2, wobei aber im Unterschied dazu nun zusätzlich ein sechstes Schaltelement K6 vorgesehen ist, welches im betätigten Zustand das dritte Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 drehfest mit der Abtriebswelle GW2 verbindet. Dies hat dann auch eine direkte drehfeste Verbindung der Antriebswelle GW1 mit der Abtriebswelle GW2 zur Folge. Das sechste Schaltelement K6 ist dabei axial unmittelbar benachbart zum ersten Schaltelement K1 vorgesehen und mit diesem zu einem Schaltelementpaar SP3 zusammengefasst. Dabei ist dem ersten Schaltelement K1 und dem sechsten Schaltelement K6 ein gemeinsames Betätigungselement zugeordnet, welches aus einer Neutralstellung heraus entweder eine Betätigung des ersten Schaltelements K1 oder des sechsten Schaltelements K6 vornimmt. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform nach 7 der Variante nach 2, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Aus 8 geht eine schematische Ansicht eines Getriebes G gemäß einer sechsten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung hervor, die dabei im Wesentlichen der vorhergehenden Variante nach 7 entspricht. Unterschiedlich ist dabei aber, dass ein fünftes Schaltelement K4 in diesem Fall, wie schon bei der Variante nach 3, das zweite Element E22 und das dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 bei Betätigung drehfest miteinander verbindet und somit für ein Verblocken des zweiten Planetenradsatzes P2 sorgt. Ansonsten entspricht die Ausgestaltungsmöglichkeit nach 8 der Variante nach 7, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Zudem zeigt 9 eine schematische Darstellung eines Getriebes G entsprechend einer siebten Ausführungsform der Erfindung. Diese entspricht dabei weitestgehend der Variante aus 7, wobei im Unterschied dazu aber ein fünftes Schaltelement K4, wie schon bei der Variante nach 4, nun das erste Element E12 und das zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 bei Betätigung drehfest miteinander verbindet. Dabei ist das fünfte Schaltelement K4 axial zwischen dem zweiten Planetenradsatz P2 und der Elektromaschine EM angeordnet und liegt radial im Wesentlichen auf Höhe des zweiten Elements E22 des zweiten Planetenradsatzes P2. Aufgrund dieser Platzierung ist das fünfte Schaltelement K4 dann auch nicht mehr mit dem vierten Schaltelement B1 zu einem Schaltelementpaar zusammengefasst. Im Übrigen entspricht die Ausgestaltungsmöglichkeit nach 9 sonst der Variante nach 7, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Aus 10 geht eine schematische Ansicht eines Getriebes G gemäß einer achten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung hervor, welche ebenfalls im Wesentlichen der Variante nach 7 entspricht. Im Unterschied zu der Variante nach 7 ist, wie schon bei der Ausführungsform nach 5, das dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 ständig festgesetzt und damit auch permanent an einer Drehbewegung gehindert ist. Des Weiteren ist das zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 nun nicht mehr ständig drehfest mit der Abtriebswelle GW2 verbunden, sondern eine drehfeste Verbindung zwischen dem zweiten Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 und der Abtriebswelle GW2 wird erst durch Schließen eines vierten Schaltelements K5 hergestellt. Ferner kann die Abtriebswelle GW2 noch durch Schließen eines fünften Schaltelements K4 drehfest mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 in Verbindung gebracht werden. Das vierte Schaltelement K5 und das fünfte Schaltelement K4 sind axial unmittelbar nebeneinanderliegend zwischen dem ersten Planetenradsatz P1 und dem zweiten Planetenradsatz P2 vorgesehen und dabei zu einem Schaltelementpaar SP2 zusammengefasst. Ansonsten entspricht die Ausführungsform nach 10 der Variante nach 7, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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In 11 ist nun noch ein beispielhaftes Schaltschema der Getriebe G aus den 7 bis 10 dargestellt, wobei dieses Schaltschema dabei im Wesentlichen dem Schaltschema aus 6 entspricht. Aufgrund der zusätzlichen Anordnung des sechsten Schaltelements K 6 können nun bei dem zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 wirksamen vierten Gang unterschiedliche Varianten 4.1 bis 4.6 realisiert werden. So ergibt sich die erste Variante 4.1 durch Betätigen des vierten Schaltelements B1 bzw. K5 und des sechsten Schaltelements K6, die zweite Variante 4.2 durch Schließen des dritten Schaltelements K3 und des sechsten Schaltelements K6, die dritte Variante 4.3 durch Betätigen des fünften Schaltelements K4 und des sechsten Schaltelements K6, die vierte Variante 4.4 durch Schließen des zweiten Schaltelements K2 und des sechsten Schaltelements K6, die fünfte Variante 4.5 durch Betätigen des dritten Schaltelements K3 und des fünften Schaltelements K4 sowie die sechste Variante 4.6 durch Schließen des sechsten Schaltelements K6. Hierbei entspricht die fünfte Variante 4.5 dem vierten Gang 4 aus 6. Bei der sechsten Variante 4.6 des vierten Ganges wird ein direkter Durchtrieb von der Antriebswelle GW1 auf die Abtriebswelle GW2 bei abgekoppelter Elektromaschine EM realisiert, so dass diese nicht mitgeschleppt wird und in der Folge auch stillstehen kann.
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Auch bei den Getrieben G der 7 bis 10 können die unterschiedlichen, in 6 beschriebenen Betriebsmodi verwirklicht werden. Darüber hinaus kann aus dem zweiten zwischen Rotor R und Abtriebswelle GW2 wirksamen Gang E1 ein Zustarten der Verbrennungskraftmaschine VKM in den Gang 4.1 vorgenommen werden. Im Falle des Ganges E2 ist dies zusätzlich noch in die Gänge 4.3 und 4.5 möglich.
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Ferner können Lastschaltungen im Falle der Getriebe G nach den 7 bis 10 zwischen den Gängen 3.1 und 4.1, zwischen den Gängen 3.3 und 4.3 sowie zwischen den Gängen 3.3 und 4.5 vorgenommen werden. Dabei muss in den beiden letztgenannten Fällen zunächst vom Gang 3.1 in den Gang 3.3 umgeschaltet werden, wobei hierbei ein Stützen der Zugkraft über die Verbrennungskraftmaschine VKM mittels des geschlossenen, ersten Schaltelements K1 vorgenommen und das vierte Schaltelement B1 bzw. K5 ausgelegt wird, wenn die Elektromaschine EM lastfreie geworden ist. Im Folgenden wird dann das fünfte Schaltelement K4 mittels Drehzahlregelung über die Elektromaschine EM synchronisiert und dann eingelegt.
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Schließlich kann noch eine Drehzahlabsenkung der Elektromaschine EM im mechanischen bzw. hybriden Betrieb gestaltet werden: nach einer über die Elektromaschine EM drehmomentgestützten Schaltung vom dritten Gang in den vierten Gang oder nach einem Zustarten der Verbrennungskraftmaschine VKM in den vierten Gang ergibt sich ein hybridisches Fahren im vierten Gang 4.1. Um die Drehzahl der Elektromaschine EM im vierten Gang bei höheren Fahrgeschwindigkeiten abzusenken, kann von der ersten Variante 4.1 des vierten Ganges in die dritte Variante 4.3 des vierten Ganges umgeschaltet werden, in welcher der Rotor R eine geringere Drehzahl aufweist. Diese Umschaltung erfolgt dabei mit Erhaltung der Zugkraft über die Verbrennungskraftmaschine VKM. Dazu wird das dann lastfreie, vierte Schaltelement B1 bzw. K5 ausgelegt und das ebenfalls lastfreie, fünfte Schaltelement K4 eingelegt, wobei die Drehzahlanpassung jeweils durch Drehzahlregelung der Elektromaschine EM erfolgt.
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Schließlich zeigen noch die 12 bis 14 Abwandlungsmöglichkeiten der Getriebe G aus den 2 bis 5 und 7 bis 10. Diese Abwandlungsmöglichkeiten betreffen dabei anderweitige Einbindungsmöglichkeiten einer Elektromaschine EM. So ist in 12 die Elektromaschine EM nicht koaxial zu dem jeweiligen - vorliegend nicht weiter dargestellten - Radsatz RS des Getriebes G platziert, sondern achsversetzt angeordnet. Eine Anbindung erfolgt dabei über eine Stirnradstufe SRS, die sich aus einem ersten Stirnrad SR1 und einem zweiten Stirnrad SR2 zusammensetzt. Das erste Stirnrad SR1 ist dabei seitens des Radsatzes RS der Getriebe G aus den 2 bis 5 und 7 bis 10 drehfest angebunden, an welchen bei den Varianten der 2 bis 5 und 7 bis 10 der Rotor R drehfest angebunden war. Das Stirnrad SR1 steht dann mit dem Stirnrad SR2 im Zahneingriff, welches drehfest auf einer Eingangswelle EW der Elektromaschine EM platziert ist, die innerhalb der Elektromaschine EM die Anbindung an den - vorliegend nicht weiter dargestellten - Rotor der Elektromaschine EM herstellt.
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Auch bei der Abwandlungsmöglichkeit nach 13 ist die Elektromaschine EM achsversetzt zu dem jeweiligen Radsatz des jeweiligen Getriebes G platziert. Im Unterschied zu der vorhergehenden Variante nach 12 ist eine Anbindung dabei aber nicht über eine Stirnradstufe SRS, sondern über einen Zugmitteltrieb ZT vorgenommen. Dieser Zugmitteltrieb ZT kann dabei als Riemen-oder auch Kettentrieb ausgestaltet sein. Seitens des Radsatzes RS ist der Zugmitteltrieb ZT dann an der Stelle angebunden, an welcher bei den Getrieben G aus den 2 bis 5 und 7 bis 10 jeweils eine drehfeste Anbindung des Rotors R vollzogen war. Über den Zugmitteltrieb ZT wird dabei dann eine Koppelung zu einer Eingangswelle EW der Elektromaschine EM hergestellt, die wiederum innerhalb der Elektromaschine EM eine Anbindung an den Rotor der Elektromaschine vornimmt.
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Schließlich ist bei der Abwandlungsmöglichkeit nach 14 die Elektromaschine EM zwar koaxial zum Radsatz RS angeordnet, sie ist aber radial umliegend zum Radsatz RS vorgesehen und erstreckt sich axial über einen wesentlichen Teil desselbigen. Eine Anbindung des Rotors R der Elektromaschine EM ist dabei analog zu dem in den 2 bis 5 und 7 bis 10 Dargestellten vorgenommen.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann ein Getriebe mit kompaktem Aufbau und mit gutem Wirkungsgrad realisiert werden.
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Bezugszeichen
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- G
- Getriebe
- RS
- Radsatz
- 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
- K1
- Erstes Schaltelement
- K2
- Zweites Schaltelement
- K3
- Drittes Schaltelement
- B1
- Viertes Schaltelement
- K5
- Viertes Schaltelement
- K4
- Fünftes Schaltelement
- K6
- Sechstes Schaltelement
- SP1
- Schaltelementpaar
- SP2
- Schaltelementpaar
- SP3
- Schaltelementpaar
- 1
- Erster Gang
- 2
- Zweiter Gang
- 3.1
- Dritter Gang
- 3.2
- Dritter Gang
- 3.3
- Dritter Gang
- 3.4
- Dritter Gang
- 3.5
- dritter Gang
- 3.6
- dritter Gang
- 4
- Vierter Gang
- 4.1
- Vierter Gang
- 4.2
- Vierter Gang
- 4.3
- Vierter Gang
- 4.4
- Vierter Gang
- 4.5
- Vierter Gang
- 4.6
- Vierter Gang
- E1
- erster Gang
- E2
- zweiter Gang
- GW1
- Antriebswelle
- GW1-A
- Anschlussstelle
- GW2
- Abtriebswelle
- GW2-A
- Anschlussstelle
- AN
- Anschlusswelle
- EM
- Elektromaschine
- S
- Stator
- R
- Rotor
- SRS
- Stirnradstufe
- SR1
- Stirnrad
- SR2
- Stirnrad
- ZT
- Zugmitteltrieb
- VKM
- Verbrennungskraftmaschine
- TS
- Torsionsschwingungsdämpfer
- AG
- Differentialgetriebe
- DW
- Antriebsräder
