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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 2013 013 947 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 zwei Gänge 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 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 Planetenradsätze sind bevorzugt axial auf die Anschlussstelle der Antriebswelle folgend in der Reihenfolge erster Planetenradsatz und zweiter Planetenradsatz angeordnet. Im Sinne der Erfindung kann jedoch auch eine anderweitige Anordnung vorgenommen sein.
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Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass die Antriebswelle drehfest mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist, wobei die Antriebswelle zudem einerseits über das erste Schaltelement drehfest mit der Abtriebswelle verbunden sowie andererseits mittels des zweiten Schaltelements drehfest mit dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes in Verbindung gebracht werden kann. Des Weiteren ist das erste Element des ersten Planetenradsatzes festgesetzt. Das zweite Element des ersten Planetenradsatzes kann einerseits über das dritte Schaltelement drehfest mit der Abtriebswelle in Verbindung gebracht sowie andererseits mittels des vierten Schaltelements drehfest mit dem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden werden. Darüber hinaus kann das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes über das fünfte Schaltelement drehfest mit dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes in Verbindung gebracht werden. Zudem ist das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes festgesetzt.
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Mit anderen Worten ist also die Antriebswelle permanent drehfest mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden, wohingegen sowohl das erste Element des ersten Planetenradsatzes als auch das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes jeweils ständig festgesetzt sind und damit jeweils permanent an einer Drehbewegung gehindert werden.
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Bei Betätigung des ersten Schaltelements wird die Antriebswelle drehfest mit der Abtriebswelle verbunden, wohingegen das zweite Schaltelement im geschlossenen Zustand die Antriebswelle und das dritte Element des ersten Planetenradsatzes drehfest miteinander in Verbindung bringt. Ein Schließen des dritten Schaltelements zieht eine drehfeste Verbindung der Abtriebswelle mit dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes nach sich, während das vierte Schaltelement im geschlossenen Zustand das zweite Element des ersten Planetenradsatzes drehfest mit dem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes verbindet. Schließlich werden durch Schlie-ßen des fünften Schaltelements das dritte Element des ersten Planetenradsatzes und das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes drehfest miteinander in Verbindung gebracht.
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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 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. Vorliegend sind dabei sowohl das erste Element des ersten Planetenradsatzes als auch das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes jeweils permanent festgesetzt und damit auch jeweils ständig drehfest mit der stillstehenden Komponente verbunden.
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Bei dem Getriebe liegen das erste, das zweite, das dritte, das vierte 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.
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Bevorzugt sind das erste, das zweite und auch das dritte Schaltelement axial zwischen dem ersten Planetenradsatz und dem zweiten Planetenradsatz angeordnet, wobei hierbei insbesondere das dritte Schaltelement axial benachbart zum ersten Planetenradsatz liegt und hierauf dann axial zunächst das erste Schaltelement und dann das zweite Schaltelement folgen. Dagegen ist das vierte Schaltelement axial bevorzugt auf einer der Anschlussstelle der Antriebswelle zugewandt liegenden Seite des ersten Planetenradsatzes vorgesehen, während das fünfte Schaltelement im Wesentlichen in einer Radebene des ersten Planetenradsatzes platziert ist und damit axial auf Höhe des sowie radial umliegend zu dem ersten Planetenradsatz liegt.
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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 dritten und des fünften Schaltelements, während ein zweiter Gang zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle in zumindest einer Variante durch Schließen des dritten und des vierten Schaltelements darstellbar ist. Ferner kann ein dritter Gang zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle durch Betätigen des zweiten und des dritten Schaltelements geschaltet werden. Schließlich ergibt sich ein vierter Gang zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle in einer ersten Variante durch Schließen des ersten und des dritten Schaltelements, in einer zweiten Variante durch Betätigen des ersten und des zweiten Schaltelements, in einer dritten Variante durch Schließen des ersten und des vierten Schaltelements sowie in einer vierten Variante durch Betätigen des ersten 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. Dabei können Schaltungen zwischen den Gängen verwirklicht werden, bei welchen stets nur der Zustand von je zwei Schaltelementen zu verändern ist, 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 zweiten Element des ersten Planetenradsatzes verbunden. Diese Anordnung der Elektromaschine in dem Getriebe ist vorteilhaft, da sich hierdurch unterschiedliche Betriebsmodi auf einfache Art und Weise verwirklichen lassen:
- So kann ein erster Gang zwischen dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes und damit dem Rotor und der Abtriebswelle für ein rein elektrisches Fahren genutzt werden. Dabei ergibt sich dieser erste Gang durch Schließen des dritten Schaltelements, so dass die Elektromaschine durch die drehfeste Verbindung des zweiten Elements des ersten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle mit einer konstanten Übersetzung mit der Abtriebswelle verbunden ist. Dabei entspricht eine Übersetzung dieses ersten Ganges einer Übersetzung des vierten zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle wirksamen Ganges.
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Da für ein Fahren über eine dem Getriebe vorgeschaltete Antriebsmaschine unter Verwendung des dritten 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, in den dritten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges und in die erste Variante des vierten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges jeweils zugestartet werden, da das dritte Schaltelement an jedem dieser Gänge beteiligt ist.
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Als weiterer Betriebsmodus kann zudem ein Ladebetrieb eines elektrischen Energiespeichers verwirklicht werden, indem lediglich das zweite Schaltelement geschlossen und damit eine Koppelung der Antriebswelle und damit auch der vorgeschalteten Antriebsmaschine mit der Elektromaschine über den ersten Planetenradsatz 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. Alternativ dazu kann ein Ladebetrieb oder ein Starten der vorgeschalteten Antriebsmaschine aber auch durch Schließen des vierten Schaltelements oder des fünften Schaltelements realisiert werden. Denn im geschlossenen Zustand des vierten Schaltelements ist die Antriebswelle über den zweiten Planetenradsatz mit der Elektromaschine gekoppelt, wohingegen bei Betätigung des fünften Schaltelements beide Planetenradsätze zur Koppelung der Antriebswelle mit der Elektromaschine genutzt werden.
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Da die Elektromaschine im geschlossenen Zustand des dritten 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 dritten Schaltelement verwirklicht werden. Gleiches ist bei Lastschaltungen zwischen dem zweiten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang und dem dritten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang möglich. Ferner können Lastschaltungen zwischen dem dritten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang und der ersten Variante des vierten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges im geschlossenen Zustand des dritten Schaltelements dargestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Getriebe kann zudem so betrieben werden, dass beim Fahren eine Drehzahlabsenkung der Elektromaschine erreicht wird. So kann zunächst hybridisch in der ersten Variante des vierten 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 dritte 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 zweite Variante des vierten Ganges oder die dritte Variante des vierten Ganges umgeschaltet werden, da hier der Rotor der Elektromaschine eine geringere Drehzahl aufweist als in der ersten Variante des vierten Ganges. Diese Umschaltung erfolgt dabei mit Erhaltung der Zugkraft über die vorgeschaltete Antriebsmaschine. Zunächst wird dabei das lastfreie, dritte Schaltelement ausgelegt und im Folgenden das lastfreie, zweite bzw. vierte Schaltelement eingelegt, wobei die Drehzahlanpassung dabei durch Drehzahlregelung der Elektromaschine erfolgt.
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Ist zudem eine Trennkupplung vorgesehen, über welche die Antriebswelle antriebsseitig mit einer Anschlusswelle verbunden werden kann, kann die vorgeschaltete Antriebsmaschine zudem in der zweiten Variante bzw. der dritten 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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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 gleichbleibende Drehzahlabhängigkeit vorherrscht. Diese Verbindung besteht dabei bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung permanent zwischen dem Rotor und dem zweiten Element des ersten 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 zweiten Element des ersten 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 des Getriebes weiter erhöht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung kann die Abtriebswelle mittels eines sechsten Schaltelements zudem drehfest mit dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes verbunden werden. Es ist in diesem Fall also ein weiteres, sechstes Schaltelement vorgesehen, welches im geschlossenen Zustand die Abtriebswelle und das dritte Element des ersten Planetenradsatzes drehfest miteinander verbindet. Besonders bevorzugt ist dieses sechste Schaltelement dabei axial zwischen dem ersten Planetenradsatz und dem zweiten Planetenradsatz vorgesehen und liegt hierbei insbesondere axial zwischen dem dritten Schaltelement und dem ersten Schaltelement.
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Durch Vorsehen des zusätzlichen, sechsten Schaltelements können bei dem erfindungsgemäßen Getriebe dann unterschiedliche Varianten des zweiten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges realisiert werden. So ergibt sich eine erste Variante des zweiten Ganges durch Schließen des dritten und des vierten Schaltelements, während eine zweite Variante des zweiten Ganges durch Betätigen des fünften und des sechsten Schaltelements geschaltet werden kann. Darüber hinaus können auch bei dem vierten Gang, welcher zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle wirksam ist, weitere zusätzliche Varianten dargestellt werden. So ergibt sich der vierte, zwischen An-und Abtriebswelle wirksame Gang in einer fünften Variante durch Schließen des ersten und des sechsten Schaltelements sowie in einer sechsten Variante durch Schließen des zweiten und des sechsten Schaltelements. Schließlich kann noch ein Zusatzgang durch Betätigen des vierten und des sechsten Schaltelements dargestellt werden.
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Darüber hinaus kann, bei Anbindung des Rotors der Elektromaschine an das zweite Element des ersten Planetenradsatzes, zudem ein zweiter Gang realisiert werden, welcher zwischen dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes - und damit auch dem Rotor der Elektromaschine - und der Abtriebswelle wirksam ist. Dieser zweite Gang wird dabei durch Schließen des sechsten Schaltelements geschaltet, so dass die Elektromaschine dann über den ersten Planetenradsatz mit der Abtriebswelle gekoppelt ist. Ausgehend von diesem zweiten Gang kann dann ein Zustarten der vorgeschalteten Antriebsmaschine in die zweite Variante des zweiten zwischen An-Abtriebswelle wirksamen Ganges sowie in die fünfte oder sechste Variante des vierten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges realisiert werden, da das sechste Schaltelement auch an jedem dieser Gänge beteiligt ist.
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Ferner kann das erfindungsgemäße Getriebe bei Vorsehen des sechsten Schaltelements 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 dritte 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 fünfte Variante des vierten Ganges umgeschaltet werden, da hier der Rotor der Elektromaschine eine geringere Drehzahl aufweist, als in der ersten Variante des vierten Ganges. Diese Umschaltung erfolgt dabei mit Erhaltung der Zugkraft über die vorgeschaltete Antriebsmaschine. Zunächst wird dabei das lastfreie, dritte Schaltelement ausgelegt und im Folgenden das lastfreie, sechste Schaltelement eingelegt, wobei die Drehzahlanpassung dabei durch Drehzahlregelung der Elektromaschine erfolgt.
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Dabei ist zur Abkoppelung der vorgeschalteten Antriebsmaschine keine Trennkupplung erforderlich, da die vorgeschaltete Antriebsmaschine in der fünften Variante des vierten, zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges durch Öffnen des ersten Schaltelements abgekoppelt werden kann. Hierdurch wird dann der zweite Gang realisiert, welcher zwischen dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes und der Abtriebswelle wirksam ist.
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Darüber hinaus kann bei langsamer werdendem Fahrzeug eine Rückschaltung vom vierten, zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang in den dritten, zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang vorbereitet werden. Dazu muss zunächst von der fünften Variante des vierten Ganges in die erste Variante des vierten Ganges gewechselt werden, wobei hierbei über die vorgeschaltete Antriebsmaschine die Zugkraft durch das geschlossene, erste Schaltelement aufrechterhalten wird. Da das dritte Schaltelement bei der ersten Variante des vierten Ganges und auch beim dritten, zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Gang jeweils geschlossen ist, kann in der Folge eine Rückschaltung durchgeführt werden.
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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 Schaltelementen den Vorteil, dass im geöffneten Zustand geringerer Schleppverluste auftreten, so dass sich ein besserer Wirkungsgrad des Getriebes erreichen lässt. Insbesondere sind bei dem erfindungsgemäßen Getriebe 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-Planetensatz vorliegen, wobei es sich bei dem ersten Element des jeweiligen Planetenradsatzes um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des jeweiligen Planetenradsatzes um einen Planetensteg und bei dem dritten Element des jeweiligen Planetenradsatzes um ein Hohlrad handelt. Ein Minus-Planetensatz setzt sich also 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. Entsprechend einer ersten Variante der Erfindung sind beide Planetenradsätze als Minus-Planetensätze ausgeführt. Gemäß einer hierzu alternativen, zweiten Variante liegt dann hingegen der erste Planetenradsatz als Minus-Planetensatz vor, während der zweite Planetenradsatz als Plus-Planetensatz ausgeführt ist.
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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 und das zweite Schaltelement und/oder das vierte und das fünfte Schaltelement und/oder das dritte und das sechste 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 eine schematische Ansicht eines Getriebes entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Getriebes gemäß einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung;
- 4 ein beispielhaftes Schaltschema der Getriebe aus den 2 und 3;
- 5 eine schematische Ansicht eines Getriebes entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- 6 eine schematische Darstellung eines Getriebes gemäß einer vierten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung;
- 7 ein beispielhaftes Schaltschema der Getriebe aus den 5 und 6;
- 8 eine schematische Darstellung einer Abwandlungsmöglichkeit der Getriebe aus den 2, 3, 5 und 6;
- 9 eine schematische Ansicht einer weiteren Abwandlungsmöglichkeit der Getriebe aus den 2, 3, 5 und 6;
- 10 eine schematische Darstellung einer weiteren Abwandlungsmöglichkeit der Getriebe aus den 2, 3, 5 und 6; und
- 11 eine schematische Ansicht einer weiteren Abwandlungsmöglichkeit der Getriebe aus den 2, 3, 5 und 6.
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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 angeordnet 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 jeweilige zweite Element E21 bzw. E22 des jeweiligen Planetenradsatzes P1 bzw. P2 als Planetensteg und das jeweilige dritte Element E31 bzw. E32 des jeweiligen Planetenradsatzes P1 bzw. P2 als Hohlrad vorliegt.
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Im vorliegenden Fall liegen also die beiden Planetenradsätze P1 und P2 als Minus-Planetensätze vor, deren jeweiliger Planetensteg zumindest ein Planetenrad drehbar gelagert führt, welches sowohl mit dem jeweiligen radial innenliegenden Sonnenrad, als auch dem jeweiligen radial umliegenden Hohlrad im Zahneingriff steht. Besonders bevorzugt sind aber bei beiden Planetenradsätzen P1 und P2 mehrere Planetenräder vorgesehen.
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Sofern es die Anbindung zulässt, könnte aber auch einer oder beide Planetenradsätze P1 und P 2 jeweils als Plus-Planetensatz ausgeführt werden, wobei im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetensatz dann das jeweilige zweite Element E21 bzw. E22 durch das jeweilige Hohlrad und das jeweilige dritte Element E31 bzw. E32 durch den jeweiligen Planetensteg gebildet und zudem eine Getriebestandübersetzung um eins erhöht werden muss. Bei einem Plus-Planetensatz führt dann der jeweilige Planetensteg mindestens ein Planetenradpaar, von dessen Planetenrädern ein Planetenrad mit dem jeweiligen radial innenliegenden Sonnenrad und ein Planetenrad mit dem jeweiligen radial umliegenden Hohlrad im Zahneingriff steht, sowie die Planetenräder untereinander kämmen.
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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 K4 und eines fünften Schaltelements K5. Dabei sind die Schaltelemente K1, K2, K3, K4 und K5 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, das vierte Schaltelement K4 und das fünfte Schaltelement K5 vorliegend als Kupplungen gestaltet.
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Eine Antriebswelle GW1 des Getriebes G ist drehfest mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden und kann über das erste Schaltelement K1 drehfest mit einer Abtriebswelle GW2 des Getriebes G drehfest in Verbindung gebracht werden. Des Weiteren kann die Antriebswelle GW1 noch mittels des zweiten Schaltelements K2 drehfest mit dem dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden werden, wohingegen das erste Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 ständig an einem drehfesten Bauelement GG des Getriebes G festgesetzt ist und damit permanent an einer Drehbewegung gehindert wird. Bei dem drehfesten Bauelement GG handelt es sich insbesondere um das Gehäuse oder einen Teil des Gehäuses des Getriebes G.
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Wie zudem in 2 zu erkennen ist, kann die Abtriebswelle GW2 durch Schließen des dritten Schaltelements K3 drehfest mit dem zweiten Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden werden, mit welchem ein Rotor R der Elektromaschine EM permanent drehfest in Verbindung steht. Die Elektromaschine EM ist dabei koaxial zu den beiden Planetenradsätzen P1 und P2 liegend vorgesehen, wobei ein Stator S der Elektromaschine EM permanent am drehfesten Bauelement GG festgesetzt ist. Das zweite Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 und damit auch der Rotor R können zudem durch Betätigen des vierten Schaltelements K4 drehfest mit dem zweiten Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden werden, wobei das zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 zudem noch durch Schließen des fünften Schaltelements K5 drehfest mit dem dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 in Verbindung gebracht werden kann. Schließlich ist noch das dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 permanent am drehfesten Bauelement GG festgesetzt.
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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 der Antriebswelle GW1 ist dabei an einem axialen Ende des Getriebes G ausgestaltet, wobei die Anschlussstelle GW2-A der Abtriebswelle GW2 an demselben axialen Ende des Getriebes G liegt und 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, sind das erste Schaltelement K1, das zweite Schaltelement K2 und das dritte Schaltelement K3 axial zwischen dem ersten Planetenradsatz P1 und dem zweiten Planetenradsatz P2 platziert, wobei das dritte Schaltelement K3 dabei axial benachbart zum ersten Planetenradsatz P1 vorgesehen ist und hierauf dann axial zunächst das erste Schaltelement K1 und dann das zweite Schaltelement K2 folgen. Zudem weisen das erste Schaltelement K1 und das zweite Schaltelement K2 ein gemeinsames - vorliegend nicht weiter dargestelltes - Betätigungselement auf, über welches aus einer Neutralstellung heraus entweder das erste Schaltelement K1 oder das zweite Schaltelement K2 betätigt werden kann. Insofern sind das erste Schaltelement K1 und das zweite Schaltelement K2 zu einem Schaltelementpaar SP1 zusammengefasst.
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Hingegen ist das fünfte Schaltelement K5 in einer Radebene des ersten Planetenradsatzes P1 vorgesehen und liegt damit axial im Wesentlichen auf Höhe von sowie radial umliegend zum ersten Planetenradsatz P1. Das vierte Schaltelement K4 ist axial auf einer der Anschlussstelle GW 1-A der Antriebswelle GW 1 zugewandt liegenden Seite des ersten Planetenradsatzes P1 angeordnet, wobei das vierte Schaltelement K4 und das fünfte Schaltelement K5 hierbei axial unmittelbar nebeneinanderliegen. Dabei sind das vierte Schaltelement K4 und das fünfte Schaltelement K5 zu einem Schaltelementpaar SP2 zusammengefasst, indem ein - ebenfalls nicht weiter dargestelltes - Betätigungselement vorgesehen ist, über welches aus einer Neutralstellung heraus entweder das vierte Schaltelement K4 oder das fünfte Schaltelement K5 betätigt werden kann. Die Elektromaschine EM ist axial auf einer der Anschlussstelle GW1-A zugewandt liegenden Seite des ersten Planetenradsatzes P1 platziert.
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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 das zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 nun durch das Hohlrad und das dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 durch den Planetensteg gebildet ist. Dementsprechend ist der zweite Planetenradsatz P2 vorliegend als Plus-Planetensatz ausgeführt. 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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In 4 ist ein beispielhaftes Schaltschema für die Getriebe G aus den 2 und 3 tabellarisch dargestellt. Wie zu erkennen ist, können hierbei zwischen der Antriebswelle GW1 und der Abtriebswelle GW2 jeweils insgesamt vier Gänge 1 bis 4.4 realisiert werden, wobei in den Spalten des Schaltschemas mit einem X jeweils gekennzeichnet ist, welches der Schaltelemente K1, K2, K3, K4 und K5 in welchem der Gänge 1 bis 4.4 jeweils geschlossen ist. In jedem der Gänge 1 bis 4.4 sind dabei jeweils zwei der Schaltelemente K1, K2, K3, K4 und K5 geschlossen.
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Wie in 4 zu erkennen ist, wird ein erster Gang 1 zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 durch Betätigen des dritten Schaltelements K3 und des fünften Schaltelements K5 geschaltet, wobei hiervon ausgehend ein zweiter zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 wirksamer Gang 2 gebildet wird, indem das fünfte Schaltelement K5 geöffnet und das vierte Schaltelement K4 geschlossen wird. Des Weiteren kann dann in einen dritten zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 wirksamen Gang 3 geschaltet werden, indem das vierte Schaltelement K4 geöffnet und im Folgenden das zweite Schaltelement K2 geschlossen wird.
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Ausgehend vom dritten Gang 3 kann dann in eine erste Variante 4.1 eines zwischen Antriebswelle GW 1 und Abtriebswelle GW2 wirksamen, vierten Ganges geschaltet werden, indem das zweite Schaltelement K2 geöffnet und im Folgenden das erste Schaltelement K1 geschlossen wird. Des Weiteren ergibt sich der vierte Gang noch in einer zweiten Variante 4.2 durch Schließen des ersten Schaltelements K1 und des zweiten Schaltelements K2, in einer dritten Variante 4.3 durch Betätigen des ersten Schaltelements K1 und des vierten Schaltelements K4 sowie in einer vierten Variante 4.4 durch Schließen des ersten Schaltelements K1 und des fünften Schaltelements K5.
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Obwohl die Schaltelemente K1, K2, K3, K4 und K5 jeweils als formschlüssige Schaltelemente ausgeführt sind, kann ein Schalten zwischen dem ersten Gang 1 und dem zweiten Gang 2, zwischen dem zweiten Gang 2 und dem dritten Gang 3 sowie zwischen dem dritten Gang 3 und der ersten Variante 4.1 des vierten Ganges unter Last realisiert werden. Grund dafür ist, dass das dritte Schaltelement K3 an allen diesen Gängen beteiligt ist, so dass im Zuge der Schaltungen der Abtrieb über die Elektromaschine EM gestützt werden kann, die ja im geschlossenen Zustand des dritten Schaltelements K3 direkt mit der Abtriebswelle GW2 gekoppelt ist. 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 und 3 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 Rotor R der Elektromaschine EM und der Abtriebswelle GW2 wirksam ist und zu dessen Darstellung das dritte Schaltelement K3 in einen geschlossenen Zustand zu überführen ist, wie aus 4 hervorgeht. Denn im geschlossenen Zustand des dritten Schaltelements K3 ist ja der Rotor R der Elektromaschine EM direkt drehfest mit der Abtriebswelle GW2 verbunden, wobei die Übersetzung des ersten Ganges E1 der Übersetzung des vierten zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 wirksamen Ganges entspricht.
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In vorteilhafter Weise kann ausgehend vom ersten Gang E1 ein Zustarten der Verbrennungskraftmaschine VKM in einen der Gänge 1, 2, 3 und 4.1 vorgenommen werden, da ja auch in jedem dieser Gänge jeweils das dritte Schaltelement K3 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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Des Weiteren kann durch Schließen des zweiten Schaltelements K2 eine Lade- oder Startfunktion realisiert werden. Denn im geschlossenen Zustand des zweiten Schaltelements K2 ist die Elektromaschine EM mit der Antriebswelle GW1 über den ersten Planetenradsatz P1 gekoppelt und damit auch mit der Verbrennungskraftmaschine VKM. Gleichzeitig besteht dabei aber kein Kraftschluss zur Abtriebswelle GW2, wobei der Rotor R dabei etwas langsamer als die Antriebswelle GW1 dreht. 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.
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Alternativ dazu kann eine Lade-oder Startfunktion aber auch durch Schließen des vierten Schaltelements K4 oder durch Betätigen des fünften Schaltelements K5 realisiert werden. So ist der Rotor R im geschlossenen Zustand des vierten Schaltelements K4 über den zweiten Planetenradsatz P2 mit der Antriebswelle GW1 gekoppelt, wohingegen im Falle der Betätigung des fünften Schaltelements K5 eine Koppelung zwischen Rotor R und Antriebswelle GW1 über beide Planetenradsätze P1 und P2 verwirklicht ist.
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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 3 in den vierten Gang oder nach einem Zustart 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 zweite Variante 4.2 des vierten Ganges oder auch die dritte Variante 4.3 des vierten Ganges umgeschaltet werden, in welchen der Rotor R jeweils eine geringere Drehzahl aufweist. Diese Umschaltung erfolgt dabei mit Erhaltung der Zugkraft über die Verbrennungskraftmaschine VKM. Dazu wird das dann lastfreie, dritte Schaltelement K3 ausgelegt und das ebenfalls lastfreie, zweite Schaltelement K2 oder lastfreie, vierte Schaltelement K4 eingelegt, wobei die Drehzahlanpassung jeweils durch Drehzahlregelung der Elektromaschine EM erfolgt.
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Ferner zeigt 5 eine schematische Darstellung eines Getriebes G entsprechend einer vierten 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 die Abtriebswelle GW2 drehfest mit dem dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 verbindet. Das sechste Schaltelement K6, welches vorliegend als Kupplung gestaltet ist, ist dabei axial zwischen dem dritten Schaltelement K3 und dem ersten Schaltelement K1 vorgesehen, wobei das sechste Schaltelement K6 dabei axial unmittelbar benachbart zum dritten Schaltelement K3 platziert ist. Vorliegend sind das dritte Schaltelement K3 und das sechste Schaltelement K6 zudem zu einem Schaltelementpaar SP3 zusammengefasst, indem dem dritten Schaltelement K3 und dem sechsten Schaltelement K6 ein gemeinsames - nicht dargestelltes - Betätigungselement zugeordnet ist, über welches aus einer Neutralstellung heraus entweder das dritte Schaltelement K3 oder das sechste Schaltelement K6 betätigt werden kann. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform nach 5 der Variante nach 2, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Ferner ist in 6 eine schematische Ansicht eines Getriebes G entsprechend einer fünften Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung dargestellt, wobei diese Ausgestaltungsmöglichkeit dabei weitestgehend der vorhergehenden Variante aus 5 entspricht. Einziger Unterschied ist dabei, dass der zweite Planetenradsatz P2 nun als Plus-Planetenradsatz ausgeführt ist, indem das zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 durch das Hohlrad und das dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 durch den Planetensteg gebildet ist. Ansonsten entspricht die Ausgestaltungsmöglichkeit nach 6 der vorhergehenden Variante nach 5, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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In 7 ist ein beispielhaftes Schaltschema der Getriebe G aus den 5 und 6 dargestellt, wobei dieses Schaltschema dabei im Wesentlichen dem Schaltschema aus 4 entspricht. Unterschiedlich ist, dass sich durch das zusätzliche sechste Schaltelement K6 nun unterschiedliche Varianten 2.1 und 2.2 eines zweiten, zwischen Antriebswelle GW 1 und Abtriebswelle GW2 wirksamen Ganges, weitere Varianten 4.5 und 4.6 eines vierten zwischen An-und Abtriebswelle wirksamen Ganges sowie ein Zusatzgang Z1 ergeben. So kann der zweite Gang in einer ersten Variante 2.1 durch Betätigen des dritten Schaltelements K3 und des vierten Schaltelements K4 sowie in einer zweiten Variante 2.2 durch Schließen des fünften Schaltelements K5 und des sechsten Schaltelements K6 geschaltet werden. Darüber hinaus kann der vierte zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 wirksame Gang noch in der fünften Variante 4.5 durch Schließen des ersten Schaltelements K1 und des sechsten Schaltelements K6 sowie in der sechsten Variante 4.6 durch Betätigen des zweiten Schaltelements K2 und des sechsten Schaltelements K6 dargestellt werden. Schließlich kann der Zusatzgang Z1 zwischen Antriebswelle GW1 und Abtriebswelle GW2 durch Schließen des vierten Schaltelements K4 und des sechsten Schaltelements K6 geschaltet werden.
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Auch bei den Getrieben G aus den 5 und 6 können die unterschiedlichen, in 4 beschriebenen Betriebsmodi verwirklicht werden. Darüber hinaus kann nun noch ein zweiter Gang E2 dargestellt werden, welcher zwischen dem Rotor R und der Abtriebswelle GW2 wirksam ist. In diesem zweiten Gang E2 ist der Rotor R dabei über den ersten Planetenradsatz P1 mit der Abtriebswelle GW2 gekoppelt, da das sechste Schaltelement K6 im betätigten Zustand das dritte Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 mit der Abtriebswelle GW2 verbindet, während das zweite Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 drehfest mit dem Rotor R in Verbindung steht und das erste Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 permanent festgesetzt ist. Ausgehend vom zweiten Gang E2 kann dabei die Verbrennungskraftmaschine VKM in die Gänge 2.2, 4.5 und 4.6 jeweils zugestartet werden, da an diesen jeweils ebenfalls das sechste Schaltelement K6 beteiligt ist.
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Zudem kann bei den Getriebe G aus 5 und 6 auch eine Drehzahlabsenkung der Elektromaschine EM durch Umschalten von der Variante 4.1 in die fünfte Variante 4.5 des vierten Ganges realisiert werden. Dazu wird ausgehend von der ersten Variante 4.1 unter Erhaltung der Zugkraft über die Verbrennungskraftmaschine VKM zunächst das lastfreie dritte Schaltelement K3 ausgelegt und das ebenfalls lastfreie, sechste Schaltelement K6 eingelegt, wobei eine Drehzahlanpassung zur Darstellung der Lastfreiheiten durch Drehzahlregelung der Elektromaschine EM erfolgt. Abgesehen davon, dass sich durch das Umschalten in die fünfte Variante 4.5 des vierten Ganges eine Drehzahlabsenkung des Rotors R der Elektromaschine EM erreichen lässt, ist es hierdurch zudem möglich, die Verbrennungskraftmaschine VKM durch Öffnen des ersten Schaltelements K1 jederzeit abzukoppeln, wenn über die Elektromaschine EM angetrieben oder gebremst (Rekuperation) werden soll. Ferner kann bei langsamer werdendem Fahrzeug eine Rückschaltung vom vierten Gang in den dritten Gang 3 vorbereitet werden, indem von der fünften Variante 4.5 in die erste Variante 4.1 des vierten Ganges gewechselt wird, während über die Verbrennungskraftmaschine VKM bei geschlossenem ersten Schaltelement K1 die Zugkraft erhalten wird. In der ersten Variante 4.1 des vierten Ganges ist dann das dritte Schaltelement K3 geschlossen, über welches im Zuge der Rückschaltung in den dritten Gang 3 ein Stützen der Zugkraft erfolgen kann.
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Schließlich zeigen noch die 8 bis 11 Abwandlungsmöglichkeiten der Getriebe G aus den 2, 3, 5 und 6. Diese Abwandlungsmöglichkeiten betreffen dabei anderweitige Einbindungsmöglichkeiten einer Elektromaschine EM. So ist in 8 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, 3, 5 und 6 dort drehfest angebunden, wo bei den Varianten der 2, 3, 5 und 6 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 9 ist die Elektromaschine EM achsversetzt zu dem jeweiligen Radsatz des jeweiligen Getriebes G platziert. Im Unterschied zu der vorhergehenden Variante nach 8 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, 3, 5 und 6 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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Im Falle der Abwandlungsmöglichkeit nach 10 ist eine Einbindung der achsversetzt zu dem jeweiligen Radsatz RS platzierten Elektromaschine EM über eine Planetenstufe PS und eine Stirnradstufe SRS realisiert. Dabei ist die Planetenstufe PS dem Radsatz RS nachgeschaltet, wobei abtriebsseitig der Planetenstufe PS dann die Stirnradstufe SRS vorgesehen ist, über welche die Verbindung zu der Elektromaschine EM hergestellt ist. Die Planetenstufe PS setzt sich aus einem Hohlrad HO, einem Planetensteg PT und einem Sonnenrad SO zusammen, wobei der Planetensteg PT mindestens ein Planetenrad PR drehbar gelagert führt, welches sowohl mit dem Sonnenrad SO als auch dem Hohlrad HO im Zahneingriff steht.
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Vorliegend ist der Planetensteg PT seitens des Radsatzes RS dort drehfest angebunden, wo bei den Getrieben G aus den 2, 3, 5 und 6 jeweils eine drehfeste Anbindung des Rotors R vollzogen war. Dagegen ist das Hohlrad HO permanent am drehfesten Bauelement GG festgesetzt, während das Sonnenrad SO drehfest mit einem ersten Stirnrad SR1 der Stirnradstufe SRS verbunden ist. Das erste Stirnrad SR1 kämmt dann mit einem zweiten Stirnrad SR2 der Stirnradstufe SRS, welches drehfest auf einer Eingangswelle EW der Elektromaschine EM vorgesehen ist. In diesem Fall ist die Elektromaschine EM also seitens des Radsatzes RS über zwei Übersetzungsstufen angebunden.
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Schließlich zeigt noch 11 eine weitere Abwandlungsmöglichkeit der Getriebe G aus den 2, 3, 5 und 6, wobei auch hier eine Einbindung der Elektromaschine EM über eine Stirnradstufe SRS und eine Planetenstufe PS vorgenommen. Im Unterschied zu der vorhergehenden Variante nach 10 folgt auf den Radsatz RS hierbei aber zunächst die Stirnradstufe SRS, während die Planetenstufe PS im Kraftfluss zwischen Stirnradstufe SRS und Elektromaschine EM vorgesehen ist. Die Planetenstufe PS umfasst ebenfalls wieder die Elemente Hohlrad HO, Planetensteg PT und Sonnenrad SO, wobei der Planetensteg PT mehrere Planetenräder PR1 und PR2 drehbar gelagert führt, die jeweils sowohl mit dem Sonnenrad SO als auch dem Hohlrad HO im Zahneingriff stehen.
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Wie in 11 zu erkennen ist, ist ein erstes Stirnrad SR1 der Stirnradstufe SRS seitens des Radsatzes RS drehfest angebunden, wobei diese Anbindung dabei an der Stelle vorgenommen ist, an welcher bei den Getrieben aus den 2, 3, 5 und 6 jeweils eine drehfeste Anbindung des Rotors R vollzogen war. Das erste Stirnrad SR1 kämmt mit einem zweiten Stirnrad SR2 der Stirnradstufe SRS, welches drehfest mit dem Planetensteg PT der Planetenstufe PS verbunden ist. Das Hohlrad HO ist permanent am drehfesten Bauelement GG festgesetzt, während das Sonnenrad SO drehfest auf einer Eingangswelle EW der Elektromaschine EM vorgesehen ist.
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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
- K4
- Viertes Schaltelement
- K5
- Fünftes Schaltelement
- K6
- Sechstes Schaltelement
- SP1
- Schaltelementpaar
- SP2
- Schaltelementpaar
- SP3
- Schaltelementpaar
- 1
- Erster Gang
- 2
- Zweiter Gang
- 2.1
- Zweiter Gang
- 2.2
- Zweiter Gang
- 3
- Dritter 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
- Z1
- Zusatzgang
- 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
- PS
- Planetenstufe
- HO
- Hohlrad
- SO
- Sonnenrad
- PT
- Planetensteg
- PR
- Planetenrad
- PR1
- Planetenrad
- PR2
- Planetenrad
- VKM
- Verbrennungskraftmaschine
- TS
- Torsionsschwingungsdämpfer
- AG
- Differentialgetriebe
- DW
- Antriebsräder
