DE102017217133A1 - Automatikgetriebe für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Schalten eines Automatikgetriebes - Google Patents

Automatikgetriebe für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Schalten eines Automatikgetriebes Download PDF

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Benjamin Kluge
Sebastian Liebert
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Ein Automatikgetriebe (10) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (12) umfasst mindestens zwei feste Übersetzungsstufen, eine Getriebewelle (24), ein Umlaufgetriebe (14), eine Welle(26), zwei Schaltelemente (18, 20) und einen Variator (16). Dabei ist eine erste Seite (32) des Variators (16) drehmomentübertragend mit der Getriebewelle (24) koppelbar und eine zweite Seite (34) des Variators (16) ist über die Welle (26) mit dem Umlaufgetriebe (14) übersetzungsverstellend koppelbar. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Schalten eines solchen Automatikgetriebes (10) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Automatikgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Schalten eines solchen Automatikgetriebes.
  • Automatikgetriebe für Kraftfahrzeuge sind bekannt. Ferner sind Automatikgetriebe für Hybridelektrofahrzeuge bekannt, die neben einem Verbrennungsmotor zusätzlich mindestens eine Elektromaschine für den Antrieb haben. Aktuelle Automatikgetriebe für Hybridelektrofahrzeuge (Hybridgetriebe) basieren in der Regel auf bestehenden Automatikgetrieben. Die Elektromaschine für die Elektrifizierung wird üblicherweise zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe positioniert (sogenannter P2-Hybrid). Diese Art von Hybridisierung bringt für das Getriebe an sich jedoch keine Vorteile.
  • Getriebe, die sich zum Hybridisieren eignen, sind beispielsweise lastschaltbare Automatikgetriebe, die die verschiedenen festen Übersetzungsstufen über reibschlüssige Schaltelemente bereitstellen. In diesen Getrieben wird während des Gangwechsels zumindest ein Schaltelement unter Schlupf betrieben. Die Reibarbeit während des Schlupfbetriebs wird dabei in Wärme umgewandelt, die von den reibschlüssigen Schaltelementen über einen ausreichenden Kühlölstrom abtransportiert werden muss. Des Weiteren erzeugen die reibschlüssigen Schaltelemente im offenen Zustand entsprechende Schleppverluste. Die Schaltelemente werden in der Regel hydraulisch angesteuert. Damit sie im geschlossenen Zustand Kraft übertragen können, müssen die Reiblamellen der Schaltelemente dauerhaft mit einem entsprechend hohen Hydraulikdruck aneinander gepresst werden. Die hierzu notwendige Hydraulikpumpe wird sowohl zur Kühlung also auch zur Betätigung der Schaltelemente eingesetzt. Für ihren Betrieb braucht sie jedoch eine gewisse Leistung, wodurch der Gesamtwirkungsgrad sinkt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Automatikgetriebe für Hybrid-Kraftfahrzeuge bereitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Automatikgetriebes bereitzustellen.
  • Zur Lösung der Aufgabe ist ein Automatikgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen, mit mindestens zwei festen Übersetzungsstufen, einer Getriebewelle, einem Umlaufgetriebe, einer Welle, zwei Schaltelementen und einem Variator. Dabei ist eine erste Seite des Variators mit der Getriebewelle drehmomentübertragend koppelbar, und eine zweite Seite des Variators ist über die Welle mit dem Umlaufgetriebeübersetzungsverstellend koppelbar. Das bedeutet, dass die zweite Seite des Variators sich zusammen mit dem Verbrennungsmotor und einem Abtrieb des Automatikgetriebes in einem 3-Wellen-Betrieb befindet, wodurch die zweite Seite des Variators über das Umlaufgetriebe eine übersetzungsverstellende Wirkung auf den Verbrennungsmotor hat. Der Variator ermöglicht hierbei eine kontinuierliche Übersetzungsverstellung. Somit können unabhängig von den festen Übersetzungsstufen weitere Übersetzungen eingestellt werden, insbesondere beliebige Zwischenzustände zwischen den festen Übersetzungsstufen. Eine Übersetzungsstufe ist insbesondere ein Gang des Automatikgetriebes.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Variator durch zwei Elektromaschinen gebildet. Hierbei werden eine der Elektromaschinen generatorisch und die andere Elektromaschine motorisch betrieben. Indem kinetische Energie vorübergehend in elektrische Energie gewandelt wird, lassen sich die Drehzahlen der beiden Elektromaschinen entkoppeln und damit eine Variatorfunktionalität mit den beiden Elektromaschinen bereitstellen.
  • Das Umlaufgetriebe kann ein Planetengetriebe sein.
  • In einer Ausführungsform sind die Schaltelemente formschlüssige Schaltelemente. Dies hat den Vorteil, dass die Schaltelemente mit geringem Druck in geschlossener Position gehalten werden können. Somit kann der Energieverbrauch zum Aufrechterhalten der festen Übersetzungsstufen gesenkt und damit der Gesamtwirkungsgrad erhöht werden. Außerdem ergeben sich im geöffneten Zustand (nahezu) keine Schleppverluste.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste Schaltelement zum Einlegen der ersten festen Übersetzungsstufe und das zweite Schaltelement zum Einlegen der zweiten festen Übersetzungsstufe vorgesehen. Das bedeutet, jeder festen Übersetzungsstufe ist ein vorzugsweise separates Schaltelement zugeordnet, mittels dessen die Übersetzungsstufe einlegt und insbesondere geschlossen gehalten wird. Alternativ können auch mehrere Schaltelemente zum Einlegen einer festen Übersetzungsstufe und/oder einzelne Schaltelemente zum Einlegen mehrerer fester Übersetzungsstufen vorgesehen sein.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Schalten eines, insbesondere erfindungsgemäßen, Automatikgetriebes zwischen zumindest zwei verschiedenen festen Übersetzungsstufen, mit folgender Schrittabfolge:
    1. a) das Schaltelement der aktuell eingelegten festen Übersetzungsstufe wird mittels einer getriebeinternen Drehmomentüberlagerung durch den Variator lastfrei gestellt,
    2. b) das Schaltelement der aktuell eingelegten festen Übersetzungsstufe wird geöffnet,
    3. c) die Zielübersetzungsstufe wird durch eine Übersetzungsverstellung des Variators eingestellt, wodurch gleichzeitig die Differenzdrehzahl zu dem zu schließenden Schaltelement abgebaut wird, und
    4. d) das Schaltelement der Zielübersetzungsstufe wird geschlossen, wodurch das Schaltelement die Last vom Variator übernehmen kann.
  • Auf diese Weise kann zwischen zwei festen Übersetzungsstufen geschaltet werden und gleichzeitig die Zugkraft aufrechterhalten werden. Dabei fließt nur während dem Schalten zwischen den festen Übersetzungsstufen eine Leistung über den Variator, der gegenüber einer rein mechanischen Kraftübertragung üblicherweise einen schlechteren Wirkungsgrad aufweist. Insbesondere fließt bei eingelegter fester Übersetzungsstufe keine Leistung über den Variator. Indem die entsprechenden Schaltelemente die Kraftübertragung der festen Übersetzungsstufen bereitstellen, kann das Automatikgetriebe hierdurch einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.
  • Bei dem Schaltverfahren kann eine erste Seite des Variators zumindest zeitweise mit der Getriebewelle drehmomentübertragend gekoppelt sein, um ein Drehmoment in das Getriebe einzuspeisen oder zu entziehen.
  • Ferner kann eine zweite Seite des Variators zumindest zeitweise über die Welle mit dem Umlaufgetriebe übersetzungsverstellend gekoppelt sein. Das heißt, dass die zweite Seite des Variators über das Umlaufgetriebe eine übersetzungsverstellende Wirkung auf den Verbrennungsmotor hat, insbesondere indem sich die zweite Seite des Variators zusammen mit dem Verbrennungsmotor und einem Abtrieb des Automatikgetriebes in einem 3-Wellen-Betrieb befindet.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird in Schritt c) die Zielübersetzungsstufe durch eine kontinuierliche Übersetzungsverstellung des Variators eingestellt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Variator nur mit einem Teil der Leistung des Verbrennungsmotors beaufschlagt wird, das heißt weniger als 100% der Leistung des Verbrennungsmotors.
  • Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
    • - 1 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Automatikgetriebe mit einer ersten und einer zweiten Übersetzungsstufe,
    • - 2 in einer schematischen Darstellung das Automatikgetriebe aus 1 mit eingelegter erster Übersetzungsstufe,
    • - 3 in einer schematischen Darstellung das Automatikgetriebe aus 1 in einem Schaltzustand, und
    • - 4 in einer schematischen Darstellung das Automatikgetriebe aus 1 mit eingelegter zweiter Übersetzungsstufe.
  • In 1 ist ein Automatikgetriebe 10 mit zwei festen Übersetzungsstufen für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 12 gezeigt. Die Anzahl von zwei Übersetzungsstufen dient hier nur der besseren Anschaulichkeit; in der Praxis kann auch eine höhere Anzahl von Übersetzungsstufen verwendet werden.
  • Das Automatikgetriebe 10 umfasst ein Umlaufgetriebe 14 in Form eines leistungsverzweigenden Planetengetriebes, einen Variator 16 sowie ein erstes Schaltelement 18, das zum Einlegen einer ersten festen Übersetzungsstufe im Automatikgetriebe 10 vorgesehen ist, und ein zweites Schaltelement 20, das zum Einlegen einer zweiten festen Übersetzungsstufe im Automatikgetriebe 10 vorgesehen ist. Ferner umfasst das Automatikgetriebe 10 zwei Getriebewellen, nämlich eine Eingangswelle 22 in Form einer Antriebswelle, mittels der das Automatikgetriebe 10 mit dem Verbrennungsmotor 12 drehmomentübertragend gekoppelt ist, und eine Ausgangswelle 24 in Form einer Abtriebswelle, mittels der das Automatikgetriebe 10 mit den Rädern des Kraftfahrzeugs drehmomentübertragend gekoppelt ist.
  • Wenn das Automatikgetriebe 10 drei oder mehr feste Übersetzungsstufen hat, hat es auch eine entsprechende Anzahl an Schaltelementen 18, 20, die zum Einlegen einer zugehörigen Übersetzungsstufe vorgesehen sind. Alternativ können einzelne Schaltelemente 18, 20 für mehrere Übersetzungsstufen und/oder eine Kombination mehrerer Schaltelemente 18, 20 für eine Übersetzungsstufe vorgesehen sein.
  • Das Umlaufgetriebe 14 ist sowohl mit der Eingangswelle 22 als auch mit der Ausgangswelle 24 drehmomentübertragend gekoppelt. Des Weiteren umfasst das Umlaufgetriebe 14 eine Welle 26, über die das Umlaufgetriebe 14 mittels des ersten Schaltelements 18, das hier eine Kupplung bildet, mit der Eingangswelle 22 drehmomentübertragend koppelbar ist sowie mit dem zweiten Schaltelement 20, das hier eine Bremse bildet, drehmomentübertragend koppelbar ist. Die Welle 26 hat dabei einen drehzahleinstellenden Effekt auf den Verbrennungsmotor 12. In einer alternativen Ausführungsform können die Schaltelemente 18, 20 für beliebige drehmomentübertragende Funktionen vorgesehen sein.
  • Die Schaltelemente 18, 20 sind jeweils als Klauenkupplung ausgebildet. Das heißt, sie sind formschlüssige Schaltelemente und erfordern lediglich einen geringen Druck, um in geschlossener Stellung gehalten zu werden. In einer alternativen Ausführungsform können die Schaltelemente 18, 20 beliebige andere geeignete Schaltelemente sein, beispielsweise kraftschlüssige Schaltelemente.
  • Der Variator 16 umfasst eine erste Elektromaschine 28 und eine zweite Elektromaschine 30. Die Variatorfunktionalität wird dadurch bereitgestellt, dass eine der Elektromaschinen 28, 30 generatorisch und die andere Elektromaschine 28, 30 motorisch betrieben wird. Hierdurch können kinetische Energie und elektrische Energie ineinander gewandelt und damit die Drehzahlen der beiden Elektromaschinen 28, 30 voneinander entkoppelt werden.
  • Der Variator 16 ist ferner an einer ersten Seite 32 mit der Ausgangswelle 24 drehmomentübertragend koppelbar und an einer zweiten Seite 34 mit der Welle 26 und somit mit dem Umlaufgetriebe 14 drehmomentübertragend koppelbar.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die erste Seite 32 des Variators 16 mit der Eingangswelle 22, mit einer anderen sich drehenden Getriebewelle oder mit einer eigenen Antriebsachse drehmomentübertragend koppelbar sein.
  • Indem die Eingangswelle 22, die Ausgangswelle 24 und die Welle 26 in einem 3-Wellen-Betrieb betrieben werden, kann mittels der zweiten Seite 34 des Variators 16 die Übersetzung verstellt bzw. eingestellt werden.
  • Das Kraftfahrzeug kann ein Hybridelektrofahrzeug sein, insbesondere wobei zumindest eine der Elektromaschinen 28, 30 zum Antrieb des Hybridelektrofahrzeugs vorgesehen sein kann.
  • Das Schalten des Automatikgetriebes 10 von einer festen Übersetzungsstufe in eine andere feste Übersetzungsstufe erfolgt gemäß dem folgenden Verfahren, das anhand der 2 bis 4 beispielhaft für das Schalten von der ersten Übersetzungsstufe in die zweite Übersetzungsstufe beschrieben wird. Das Verfahren funktioniert analog zum Schalten von der zweiten Übersetzungsstufe in die erste Übersetzungsstufe bzw., bei einem Automatikgetriebe 10 mit mehr als zwei festen Übersetzungsstufen, von einer beliebigen Übersetzungsstufe in eine beliebige andere Übersetzungsstufe.
  • In 2 ist die erste feste Übersetzung eingelegt, das heißt, das erste Schaltelement 18 ist geschlossen und das zweite Schaltelement 20 ist geöffnet. Ferner ist der Variator 16 entkoppelt. Das bedeutet, der Variator 16 ist weder mit der Eingangswelle 22 noch mit der Ausgangswelle 24 drehmomentübertragend gekoppelt.
  • Um in die zweite feste Übersetzung zu schalten, wird nun der Variator 16 mit der Ausgangswelle 24 drehmomentübertragend gekoppelt sowie über die Welle 26 mit dem Umlaufgetriebe 14 drehmomentübertragend gekoppelt (siehe 3).
  • Mittels des Variators 16 wird nun über die Ausgangswelle 24 das erste Schaltelement 18 durch eine Drehmomentüberlagerung lastfrei gestellt. Das heißt, je nachdem ob das Drehmoment hierzu erhöht oder verringert werden muss, wird mittels der ersten Seite 32 des Variators 16 ein entsprechendes Drehmoment in das Getriebe eingespeist oder dem Getriebe entzogen. Somit kann das erste Schaltelement 18 ohne Einfluss auf den Abtrieb geöffnet werden.
  • Hierbei ist die erforderliche Drehzahl der ersten Seite 32 direkt vom Antrieb oder dem Abtrieb berechenbar. Alternativ kann die erforderliche Drehzahl der ersten Seite 32 aus einer Kombination des Antriebs und des Abtriebs ermittelt werden.
  • Nach dem Öffnen des ersten Schaltelements 18 wird durch eine kontinuierliche Übersetzungsverstellung des Variators 16 die Übersetzung der zweiten Übersetzungsstufe eingestellt. Das bedeutet, die Eingangswelle 22, die Ausgangswelle 24 und die Welle 26 werden im 3-Wellen-Betrieb betrieben, wodurch über die zweite Seite 34 des Variators 16 die Übersetzung an die Übersetzung der zweiten Übersetzungsstufe angeglichen wird. Auf diese Weise wird die Differenzdrehzahl an dem zweiten Schaltelement 20 abgebaut.
  • Sobald die Differenzdrehzahl auf Null gesenkt wurde bzw. einen bestimmten Grenzwert unterschritten hat, wird das zweite Schaltelement 20 geschlossen. Hierdurch übernimmt das zweite Schaltelement 20 die Last vom Variator 16 und der Variator 16 kann entkoppelt werden (siehe 4).
  • Somit wurde das Automatikgetriebe 10 von der ersten festen Übersetzung in die zweite feste Übersetzung geschaltet, bei der das zweite Schaltelement 20 geschlossen und das erste Schaltelement 18 geöffnet ist.
  • Auf diese Weise fließt nur beim Schalten von einer festen Übersetzungsstufe in eine andere eine Leistung über den Variator 16. Ferner wird der Variator 16 durch die Leistungsverzweigung der Planetensätze des Umlaufgetriebes 14 nur mit einem Teil der Leistung des Verbrennungsmotors 12 beaufschlagt.
  • Vorteilhalft bei dieser Ausführung ist, das die Energie innerhalb des Automatikgetriebes 10 und damit das Abtriebsmoment erhalten bleiben. Ferner können auch unabhängig von den festen Übersetzungsstufen beliebige Zwischenzustände eingestellt werden.
  • In diesem Fall, bei dem der Variator 16 durch zwei Elektromaschinen 28, 30 gebildet ist, steht in den verschiedenen Betriebszuständen maximal eine der Elektromaschinen 28, 30 still, wodurch die andere für hybride Funktionen genutzt werden kann.
  • Durch dieses Schaltverfahren können formschlüssige Schaltelemente 18, 20 verwendet werden, die nur an der Übersetzungsbildung und nicht an dem eigentlichen Übersetzungswechsel beteiligt sind. Somit bietet das Automatikgetriebe 10 mit dem Schaltverfahren die folgenden Vorteile:
    • • Es treten keine Schleppverluste im offenen Zustand der Schaltelemente 18, 20 auf.
    • • Es kommt zu keiner Wärmeentwicklung während dem Schalten.
    • • Die Hydraulikanforderungen zum geschlossen Halten der Schaltelemente 18, 20 sind reduziert, da kein dauerhafter oder zumindest nur ein sehr geringer Druck zum geschlossen Halten der jeweiligen Schaltelemente 18, 20 aufgebracht werden muss.
  • Somit wird der Energiebedarf des Automatikgetriebes 10 gesenkt, wodurch dieses einen verbesserten Wirkungsgrad aufweisen kann.

Claims (10)

  1. Automatikgetriebe (10) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (12), mit mindestens zwei festen Übersetzungsstufen, einer Getriebewelle (24), einem Umlaufgetriebe (14), einer Welle (26), zwei Schaltelementen (18, 20) und einem Variator (16), wobei eine erste Seite (32) des Variators (16) drehmomentübertragend mit der Getriebewelle (24) koppelbar ist und wobei eine zweite Seite (34) des Variators (16) über die Welle (26) mit dem Umlaufgetriebe (14) übersetzungsverstellend koppelbar ist.
  2. Automatikgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (16) durch zwei Elektromaschinen (28, 30) gebildet ist.
  3. Automatikgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlaufgetriebe (14) ein Planetengetriebe ist.
  4. Automatikgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (18, 20) formschlüssige Schaltelemente sind.
  5. Automatikgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (18) zum Einlegen der ersten festen Übersetzungsstufe und das zweite Schaltelement (20) zum Einlegen der zweiten festen Übersetzungsstufe vorgesehen sind.
  6. Verfahren zum Schalten eines Automatikgetriebes (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zwischen zumindest zwei verschiedenen festen Übersetzungsstufen, mit folgender Schrittabfolge: a) das Schaltelement (18, 20) der aktuell eingelegten Übersetzungsstufe wird mittels einer getriebeinternen Drehmomentüberlagerung durch den Variator (16) lastfrei gestellt, b) das Schaltelement (18, 20) der aktuell eingelegten Übersetzungsstufe wird geöffnet, c) die Zielübersetzungsstufe wird durch eine Übersetzungsverstellung des Variators (16) eingestellt, und d) das Schaltelement (18, 20) der Zielübersetzungsstufe wird geschlossen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Seite (32) des Variators (16) zumindest zeitweise drehmomentübertragend mit der Getriebewelle (24) gekoppelt ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Seite (34) des Variators (16) zumindest zeitweise über die Welle (26) mit dem Umlaufgetriebe (14) übersetzungsverstellend gekoppelt ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Zielübersetzungsstufe durch eine kontinuierliche Übersetzungsverstellung des Variators (16) eingestellt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (16) nur mit einem Teil der Leistung des Verbrennungsmotors (12) beaufschlagt ist.
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