DE102017219108B4

DE102017219108B4 - Leistungsverzweigte stufenlose Getriebevorrichtung

Info

Publication number: DE102017219108B4
Application number: DE102017219108.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beck; Viktor Warth; Michael Wechs; Gerhard Niederbrucker; Jens Moraw; Lara Ruth Turner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: DE102017219108A1

Abstract

Leistungsverzweigte stufenlose Getriebevorrichtung (100), umfassend eine als Antriebswelle (1) ausgebildete erste Welle und eine als Abtriebswelle (2) ausgebildete zweite Welle, einen ersten Planetenradsatz (RS1) der zwischen der Antriebswelle (1) und der Abtriebswelle (2) angeordnet ist, einen mit dem ersten Planetenradsatz (RS1) verbundenen und zwischen der Antriebswelle (1) und der Abtriebswelle (2) angeordneten zweiten Planetenradsatz (RS2), eine Variator-Einheit (10), die ausgebildet ist, stufenlos Leistung von der Antriebswelle (1) zum ersten Planetenradsatz (RS1) zu übertragen, wobei ein erstes Schaltelement (B1), ein zweites Schaltelement (K1) und ein drittes Schaltelement (K2) vorgesehen sind, durch deren selektive Betätigung unterschiedliche Kraftflussführungen über die Variator-Einheit (10) und die Planetenradsätze (RS1, RS2) unter Bereitstellung eines ersten Fahrbereichs (V1), eines zweiten Fahrbereichs (V2) und eines dritten Fahrbereichs (R1) darstellbar sind,dadurch gekennzeichnet, dass- die Variator-Einheit (10) an einem drehfesten Bauteil (GG) festgesetzt ist, eine Primärseite (11) der Variator-Einheit (10) mit einer vierten Welle (1) drehfest verbunden und eine Sekundärseite (12) der Variator-Einheit (10) über eine dritte Welle (3) mit einem ersten Element (E11) des ersten Planetenradsatzes (RS1) drehfest verbunden ist,- die vierte Welle (4) über ein zweites Schaltelement (K1) mit der Antriebswelle (1) verbindbar ist und mit einem dritten Element (E23) des zweiten Planetenradsatzes (RS2) drehfest verbunden ist,- eine mit einem zweiten Element (E12) des ersten Planetenradsatzes (RS1) und mit einem zweiten Element (E22) des zweiten Planetenradsatzes (RS2) drehfest verbundene fünfte Welle (5) über ein erstes Schaltelement (B1) an einem drehfesten Bauteil (GG) festsetzbar ist,- eine mit einem ersten Element (E21) des zweiten Planetenradsatzes (RS2) drehfest verbundene sechste Welle (6) über ein drittes Schaltelement (K2) mit der Antriebswelle (1) drehfest verbindbar ist, und- ein drittes Element (E13) des ersten Planetenradsatzes (RS1) ist mit der Abtriebswelle (2) drehfest verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine leistungsverzweigte stufenlose Getriebevorrichtung, insbesondere ein stufenloses Planetengetriebe, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Kraftfahrzeugantriebstrang gemäß Anspruch 10.
Aus der US20160109002A1 ist ein solches stufenlos verstellbares Getriebe bekannt, das als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird.
Aus der WO2014179717 ist zudem ein stufenlos verstellbares Getriebe bekannt, umfassend eine Variator-Einheit, einen Plus-Planetenradsatz, einen Minus-Planetenradsatz und eine Anordnung mehrerer Kupplungen, das zwei Vorwärtsfahrbereiche und einen Rückwärtsfahrbereich bereitstellt.
Stufenlose Getriebe, auch CVT-Getriebe (Continously Variable Transmission) genannt, können beispielsweise mit Hilfe eines so genannten Variators das Übersetzungsverhältnis zwischen der kürzesten und der längsten Übersetzung stufenlos geregelt werden. Anders als bei typischen Getrieben, bei denen eine Reihe von vorbestimmten (diskreten) Übersetzungsverhältnissen vorgesehen sind. CVT-Getriebe können als ein mechanisches stufenloses Getriebe beispielsweise in der Form eines Umschlingungsgetriebes oder eines als ein Kegelring- oder Toroidgetriebe ausgeführtes Wälzkörpergetriebe ausgebildet sein.
Die grundlegenden Wirkprinzipien mechanischer stufenloser Getriebe sind unabhängig von ihrer baulichen Ausführung immer gleich. So erfolgt die Leistungsübertragung ohne Umwandlung der Energieform kraftschlüssig durch den reibschlüssigen Kontakt von zwei oder mehr sich relativ zueinander bewegenden Kontaktkörpern, üblicherweise eine Primär- und eine Sekundärscheibe auch Primär- und Sekundärseite genannt, wobei beide Scheiben aus paarweise angeordneten Kegelscheiben gebildet sind und mit einem momentenübertragenden Umschlingungselement versehen sind, das zwischen den beiden Kegelscheibenpaaren umläuft.
Je nach Bauart sind hierbei sehr hohe Volllastwirkungsgrade möglich, welche jene der Hydrostatik deutlich übersteigen. Das Übersetzungsverhältnis von mechanischen CVT wird stets durch deren wirksames Reibradienverhältnis bestimmt, d.h. die aktuelle Übersetzung wird durch den Laufradius des Umschlingungselementes definiert, der wiederum eine Funktion der axialen Position der Kegelscheiben ist, und ist damit geometrischen Grenzen unterworfen, welche eine unmittelbare Realisierung des Anfahrvorgangs verhindern.
Um diese Spreizungslimitierungen mechanischer CVT aufzuheben, ist es zweckmäßig, diese in leistungsverzweigenden Getriebestrukturen zu betreiben, wie beispielsweise in einer Kombination eines oder mehrerer Planetengetriebe mit einem stufenlosen Getriebe. Ein solches Getriebe, auch IVT-Getriebe genannt (Infinitely Variable Transmission), kann zwischen einem festen Übersetzungswert in einer Übertragungsrichtung beliebig ins Langsame, d.h. unendlich, oder auch in die Gegenrichtung, d.h. negativ, untersetzen, so dass sich die angetriebene Welle dreht, während die abgetriebene Welle steht.
So kann mit diesen durch einen blindleistungsbehafteten Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten die Spreizung des Variators derart erweitert werden, dass eine unmittelbare Realisierung des Anfahrvorgangs möglich wird, d.h., das Fahrzeug kommt bei Übersetzung „unendlich“ im Stand, bei laufendem Motor, ohne zusätzliche Trennkupplung aus.
Durch die Verwendung als Leistungsverzeigungsgetriebe kann der Leistungsfluss über einen oder mehrere Leistungspfade geführt werden. Zum Beispiel kann die Leistung entlang eines ersten Pfads durch den Variator oder entlang eines zweiten Pfades durch das Planetengetriebe geführt werden. Die Leistung kann auch in den Variator zurückgeführt werden, wodurch die Belastung des Variators während des Betriebes des stufenlosen Getriebes erhöht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative stufenlose Getriebevorrichtung bereitzustellen, die einen einfachen Aufbau und eine kompakte Bauweise aufweist.
Gemäß der Erfindung umfasst die Getriebevorrichtung eine als Antriebswelle ausgebildete erste Welle und eine als Abtriebswelle ausgebildete zweite Welle, einen ersten Planetenradsatz der zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle angeordnet ist, einen mit dem ersten Planetenradsatz verbundenen und zwischen der Antriebswelle und Abtriebswelle angeordneten zweiten Planetenradsatz, eine Variator-Einheit, die ausgebildet ist, stufenlos Leistung von der Antriebswelle zum ersten Planetenradsatz zu übertragen, wobei ein erstes, zweites und drittes Schaltelement vorgesehen sind, durch deren selektive Betätigung unterschiedliche Kraftflussführungen über die Variator-Einheit und die Planetenradsätze unter Bereitstellung eines ersten, zweiten und dritten Fahrbereichs darstellbar sind.
Unter einer „Welle“ ist im Sinne der Erfindung ein rotierbares Bauteil des Getriebes bzw. der Getriebevorrichtung zu verstehen, über welches je zugehörige Komponenten des Getriebes axial und/oder radial drehfest miteinander verbunden sind oder über das eine derartige Verbindung bei Betätigung eines entsprechenden Schaltelements herstellbar ist. So kann die jeweilige Welle auch als Zwischenstück vorliegen, über welches eine jeweilige Komponente zum Beispiel radial angebunden wird.
Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass die Variator-Einheit an einem drehfesten Bauteil festgesetzt ist, eine Primärseite der Variator-Einheit mit einer vierten Welle drehfest verbunden und eine Sekundärseite der Variator-Einheit über eine dritte Welle mit einem ersten Element des ersten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist.
Die vierte Welle ist über ein zweites Schaltelement mit der Antriebswelle verbindbar und mit einem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden.
Eine mit einem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes und mit einem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbundene fünfte Welle ist über ein erstes Schaltelement an einem drehfesten Bauteil festsetzbar.
Eine mit einem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbundene sechste Welle ist über ein drittes Schaltelement mit der Antriebswelle drehfest verbindbar.
Ein drittes Element des ersten Planetenradsatzes ist mit der Abtriebswelle drehfest verbunden.
Mit anderen Worten ist bei der erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung die Antriebswelle über ein Schaltelement drehfest mit der Variator-Einheit verbindbar, während die Abtriebswelle drehfest mit dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes in Verbindung steht.
Bei Betätigung des ersten Schaltelements wird die fünfte Welle der Getriebevorrichtung und damit das zweite Element des ersten Planetenradsatzes und das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes an einem drehfesten Bauteil festgesetzt und damit an einer Drehbewegung gehindert.
Bei Betätigung des zweiten Schaltelements wird die vierte Welle und damit sowohl das zweite Element des ersten Planetenradsatzes sowie das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes mit der Antriebswelle drehfest verbunden.
Bei Betätigung des dritten Schaltelements wird die sechste Welle und damit das erste Element des zweiten Planetenradsatzes mit der Antriebswelle drehfest verbunden.
Bei dem drehfesten Bauteil des Getriebes handelt es sich erfindungsgemäß um eine permanent stillstehende Komponente des Getriebes, bevorzugt um ein Getriebegehäuse oder einen Teil eines derartigen Getriebegehäuses.
Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe ist das erste Schaltelement als Bremse gestaltet, die bei Ansteuerung die je zugehörige Komponente des Getriebes auf Stillstand abbremst und am drehfesten Bauteil festsetzt. Dagegen liegt das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement je als Kupplungen vor, welche bei Betätigung jeweils die je zugehörigen rotierbaren Komponenten der Getriebevorrichtung in ihren Drehbewegungen einander angleichen und im Folgenden drehfest miteinander verbinden.
Eine jeweilige drehfeste Verbindung der rotierbaren Elemente der Planetenradsätze ist erfindungsgemäß bevorzugt über eine oder auch mehrere zwischenliegende Wellen realisiert, die dabei bei räumlich dichter Lage der Elemente auch als kurze axiale und/oder radiale Zwischenstücke vorliegen können. Konkret können die permanent drehfest miteinander verbundenen Elemente der Planetenradsätze dabei jeweils entweder als drehfest miteinander verbundene Einzelkomponenten oder auch einstückig vorliegen. Im zweitgenannten Fall werden dann die jeweiligen Elemente und die ggf. vorhandene Welle durch ein gemeinsames Bauteil gebildet, wobei dies insbesondere eben dann realisiert wird, wenn die jeweiligen Elemente im Getriebe räumlich dicht beieinander liegen.
Bei Elementen der Planetenradsätze, die erst durch Betätigung eines jeweiligen Schaltelements drehfest miteinander verbunden werden, wird eine Verbindung ebenfalls bevorzugt über eine oder auch mehrere zwischenliegende Wellen verwirklicht.
Es hat sich herausgesellt, dass durch die Erfindung eine Getriebevorrichtung bereitgestellt werden kann, die einen einfachen Aufbau mit nur zwei Planetenradsätzen und drei Schaltelementen und eine kompakte Bauweise aufweist und sich zudem durch nur geringe Getriebeverluste auszeichnet. Anders als im nächstliegenden Stand der Technik, wo die Variator-Einheit für einzelne Fahrbereiche überbrückt wird, ist erfindungsgemäß die Leistung stets zumindest teilweise über die Variator-Einheit darstellbar ist, d.h. die Variator-Einheit ist bei allen drei Fahrbereichen beteiligt. Zudem weist das Getriebe nur geringe Bauteilbelastungen und insbesondere eine geringe Variatorbelastung auf. Die Getriebevorrichtung eignet sich besonders als Fron-Quer- oder Heck-Quer-Anordnung mit seitlichem Abtrieb.
Prinzipiell sind die gängigsten mechanischen, hydrostatischen oder elektrischen Variatoren denkbar. Ausführungsbeispiele für mechanische Variatoren sind Kegelring- und Planetenrollenvariator. Ein Ausführungsbeispiel für hydrostatische Variatoren sind zwei Hydrostaten. Ein Ausführungsbeispiel für elektrische Variatoren sind zwei Elektromaschinen.
Entsprechend einer Ausführungsform ist es jedoch bevorzugt, dass die Variator-Einheit als mechanische Variator-Einheit, besonders bevorzugt als Planetenrollenvariator ausgebildet ist, da ein solcher keine Drehrichtungsumkehr zwischen seinen beiden Seiten aufweist.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, ausgehend von einer Anschlussstelle der Antriebswelle der Getriebevorrichtung, dass die zwei Planetenradsätze axial benachbart angeordnet sind. Mit „axial“ ist im Sinne der Erfindung eine Orientierung in Richtung einer Achse gemeint, entlang welcher der erste Planetenradsatz und der zweite Planetenradsatz koaxial zueinander liegend angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass der erste Planetenradsatz als ein Minus-Planetenradsatz und der erste Planetenradsatz als ein Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist, wobei es sich bei dem ersten Element des ersten Planetenradsatzes um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes um einen Planetenradträger und bei dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes um ein Hohlrad handelt, wobei es sich bei dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes um ein Hohlrad und bei dem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes um einen Planetenradträger handelt.
Der Minus-Planetenradsatz ist auch als einfacher Planetenradsatz bekannt. Ein Minus-Planetenradsatz weist bekanntlich an einem Planetenradträger bzw. Steg verdrehbar gelagerte Planetenräder auf, die mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad dieses Planetenradsatzes kämmen, so dass sich das Hohlrad bei festgehaltenem Planetenradträger und drehendem Sonnenrad in zur Sonnenraddrehrichtung entgegengesetzter Richtung dreht.
Ein Plus-Planetenradsatz weist bekanntlich an seinem Planetenradträger verdrehbar gelagerte und miteinander in Zahneingriff stehende innere und äußere Planetenräder auf, wobei das Sonnenrad dieses Planetenradsatzes mit den inneren Planetenrädern und das Hohlrad dieses Planetenradsatzes mit den äußeren Planetenrädern kämmen, so dass sich das Hohlrad bei festgehaltenem Planetenradträger und drehendem Sonnenrad in zur Sonnenraddrehrichtung gleicher Richtung dreht.
Wo es eine Anbindung der einzelnen Elemente zulässt, kann ein Minus-Planetenradsatz in einen Plus-Planetenradsatz überführt werden, wobei dann gegenüber der Ausführung als Minus-Planetenradsatz 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-Planetenradsatz ersetzt werden, sofern die Anbindung der Elemente des Getriebes dies ermöglicht. Dabei wären dann im Vergleich zu dem Plus-Planetenradsatz ebenfalls die Hohlrad- und die Planetensteganbindung miteinander zu tauschen, sowie eine Getriebestandübersetzung um eins zu reduzieren.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass bei geschlossenem dritten Schaltelement ein variabler erster Fahrbereich, insbesondere ein erster Vorwärtsfahrbereich realisiert wird, und/oder wobei bei geschlossenem zweiten Schaltelement ein leistungsverzweigter zweiter Fahrbereich, insbesondere ein zweiter Vorwärtsfahrbereich realisiert wird, und/oder wobei bei geschlossenem ersten Schaltelement ein variabler dritter Fahrbereich, insbesondere ein erster Rückwärtsfahrbereich realisiert wird.
Es hat sich gezeigt, dass im zweiten Fahrbereich eine geringe Variatorbelastung darstellbar ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist eine Elektromaschine vorgesehen, deren Rotor mit einem der rotierbaren Bauteile des Getriebes drehfest gekoppelt ist, also mit der Antriebswelle, der Abtriebswelle, einer der Wellen bzw. der einem der drei Elemente der Planetenradsätze. Bevorzugt ist, dass ein Stator der Elektromaschine drehfest mit dem drehfesten Bauteil des Getriebes verbunden ist. Zudem kann die Elektromaschine hierbei insbesondere elektromotorisch und/oder generatorisch betrieben werden, um unterschiedliche Funktionen zu realisieren. Insbesondere kann dabei ein rein elektrisches Fahren, ein Boosten über die Elektromaschine, ein Abbremsen und Rekuperieren und/oder ein Synchronisieren im Getriebe über die Elektromaschine vollzogen werden. Der Rotor der Elektromaschine kann dabei koaxial zu dem jeweiligen Bauteil liegen oder achsversetzt zu diesem angeordnet sein, wobei im letztgenannten Fall dann eine Koppelung über eine oder mehrere zwischenliegende Übersetzungsstufen, beispielsweise in Form von Stirnradstufen, oder auch einen Zugmitteltrieb, wie einen Ketten- oder Riementrieb, realisiert sein kann.
Bevorzugt ist der Rotor der Elektromaschine aber mit der Antriebswelle drehfest gekoppelt, wobei hierdurch ein rein elektrisches Fahren des Kraftfahrzeuges auf geeignete Art und Weise dargestellt wird. Weiter bevorzugt werden eines oder mehrere der Schaltelemente als interne Anfahrelemente für das elektrische Fahren verwendet. Als Alternative kann aber auch eine separate Anfahrkupplung zur Anwendung kommen, welche zwischen der Elektromaschine und der Variator-Einheit positioniert ist.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung, welche insbesondere in Kombination mit der vorgenannten Anordnung einer Elektromaschine realisiert wird, ist zudem eine Trennkupplung vorgesehen, über welche die Antriebswelle mit einer Anschlusswelle drehfest verbindbar ist. Die Anschlusswelle dient dann innerhalb eines Kraftfahrzeugantriebsstranges der Anbindung an die Antriebsmaschine. Das Vorsehen der Trennkupplung hat dabei den Vorteil, dass im Zuge des rein elektrischen Fahrens eine Verbindung zur Antriebsmaschine unterbrochen werden kann, wodurch diese nicht mitgeschleppt wird. Die Trennkupplung ist dabei bevorzugt als kraftschlüssiges Schaltelement ausgeführt, wie beispielsweise als Lamellenkupplung, kann aber ebenso gut auch als formschlüssiges Schaltelement, wie beispielsweise als Klauenkupplung oder Sperrsynchronisation, vorliegen.
Das erfindungsgemäße Getriebe ist insbesondere Teil eines Kraftfahrzeugantriebsstranges und ist dann zwischen einer insbesondere als Brennkraftmaschine 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 Brennkraftmaschine gekoppelt oder über eine zwischenliegende Trennkupplung bzw. ein Anfahrelement mit dieser verbindbar, wobei zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe zudem ein Torsionsschwingungsdämpfer vorgesehen sein kann. Abtriebsseitig ist das Getriebe innerhalb des Kraftfahrzeugantriebsstranges dann bevorzugt mit einem Achsgetriebe 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 Achsgetriebe 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.
Dass zwei Bauteile des Getriebes drehfest „verbunden“ bzw. „gekoppelt“ sind bzw. „miteinander in Verbindung stehen“, meint im Sinne der Erfindung eine permanente Verbindung dieser Bauteile, so dass diese nicht unabhängig voneinander rotieren können. Insofern ist zwischen diesen Bauteilen, bei welchen es sich um Elemente der Planetenradsätze und/oder auch Wellen und/oder ein drehfestes Bauteil des Getriebes handeln kann, kein Schaltelement vorgesehen, sondern die entsprechenden Bauteile sind starr miteinander gekoppelt.
Ist hingegen ein Schaltelement zwischen zwei Bauteilen des Getriebes vorgesehen, so sind diese Bauteile 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 Bauteile in ihren Drehbewegungen aneinander angleicht. Im Falle einer Ausgestaltung des betreffenden Schaltelements als formschlüssiges Schaltelement werden die hierüber unmittelbar drehfest miteinander verbundenen Bauteile unter gleicher Drehzahl laufen, während im Falle eines kraftschlüssigen Schaltelements auch nach einem Betätigen desselbigen Drehzahlunterschiede zwischen den Bauteilen bestehen können. Dieser gewollte oder auch ungewollte Zustand wird im Rahmen der Erfindung dennoch als drehfeste Verbindung der jeweiligen Bauteile über das Schaltelement bezeichnet.
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.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

1 eine erfindungsgemäße Getriebevorrichtung in einer bevorzugten ersten Ausführungsform in einer schematischen Ansicht;
2 eine Schaltmatrix der Getriebevorrichtung gem. 1;
3 eine erfindungsgemäße Getriebevorrichtung in einer bevorzugten zweiten Ausführungsform in einer schematischen Ansicht;
4 eine erfindungsgemäße Getriebevorrichtung in einer bevorzugten dritten Ausführungsform in einer schematischen Ansicht; und
5 eine erfindungsgemäße Getriebevorrichtung in einer bevorzugten vierten Ausführungsform in einer schematischen Ansicht.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer leistungsverzweigten stufenlosen Getriebevorrichtung 100 in Form eines mechanischen IVT-Getriebes, das im Bereich einer Antriebswelle 1 mit einer nicht dargestellten Antriebsmaschine direkt, d.h. ohne Kopplungsvorrichtung in Wirkverbindung steht. Die Antriebsmaschine kann eine Brennkraftmaschine in Form einer Dieselbrennkraftmaschine oder eines Benzinmotors sein.
Ein von der Antriebsmaschine zur Verfügung stehendes und im Bereich der Antriebswelle 1 anliegendes Drehmoment ist über mehrere Leistungspfade führbar, wobei eine Variator-Einheit 10 zum Variieren einer Übersetzung des jeweiligen Leistungspfads vorgesehen ist, womit die Gesamtübersetzung der Getriebevorrichtung 100 über die Variator-Einheit 10 in gewünschtem Umfang stufenlos veränderbar ist.
Die über die Leistungspfade geführten Anteile des getriebeeingangsseitig im Bereich der Antriebswelle 1 anliegenden Drehmomentes werden in Richtung der Abtriebswelle 2 geführt.
Die Getriebevorrichtung 100 umfasst ferner drei Schaltelemente B1, K1 und K2 und einen mit der Variator-Einheit 10 verbundenen ersten Planetenradsatz RS1. Zudem umfasst die Getriebevorrichtung 100 einen mit dem ersten Planetenradsatz RS1 verbundenen zweiten Planetenradsatz RS2. Das Schaltelement B1 ist als Bremse, die Schaltelemente K1 und K2 sind als Kupplung ausgeführt. Der erste Planetenradsatz RS1 ist als einfacher (Minus-) Planetenradsatz, der zweite Planetenradsatz RS2 ist als ein Plus-Planetenradsatz ausgebildet.
Für einen Minus- Planetenradsatz gilt folgende Nomenklatur: das erste Element ist das Sonnenrad, das zweite Element ist der Planetenträger bzw. Steg und das dritte Element ist das Hohlrad.
Für einen Plus-Planetenradsatz gilt folgende Nomenklatur: das erste Element ist das Sonnenrad, das zweite Element ist das Hohlrad und das dritte Element ist der Planetenträger bzw. Steg.
Die Variator-Einheit 10, die Schaltelemente B1, K1 und K2 sowie die zwei Planetenradsätze RS1, RS2 sind zwischen Antriebswelle 1 und Abtriebswelle 2 der Getriebevorrichtung 100 angeordnet.
Der erste Planetenradsatz RS1 umfasst ein erstes, zweites und drittes Element E11, E12 und E13, wobei das erste Element E11 einem Sonnenrad SO1, das zweite Element E12 einem Planetenradträger PT1 und das dritte Element E13 einem Hohlrad HO1 entspricht.
In bekannter Weise kämmen das Sonnenrad SO1 mit einem oder mehreren an dem Planetenradträger PT1 drehbar gelagerten Planetenrädern PR1, die ihrerseits mit dem Hohlrad HO1 kämmen, so dass sich das Hohlrad HO1 bei festgehaltenem Planetenradträger PT1 und drehendem Sonnenrad SO1 in zur Sonnenraddrehrichtung entgegengesetzter Richtung dreht. Der Planetenradträger PT1 ist über das Schaltelement B1 an einem als Getriebegehäuse ausgebildeten drehfesten Bauteil GG festsetzbar.
Der zweite Planetenradsatz RS2 umfasst erstes, zweites und drittes Element E21, E22 und E23, wobei das erste Element E21 einem Sonnenrad SO2, das zweite Element E22 einem Hohlrad HO2 und das dritte Element E23 einem Planetenradträger PT2 entspricht. Innere und äußere Planetenräder PR21 bzw. PR22 sind an dem Planetenradträger PT2 drehbar gelagert. In bekannter Weise kämmt das Sonnenrad SO2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 mit den inneren Planetenrädern PR21 und das Hohlrad HO2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 mit den äußeren Planetenrädern PR22, so dass sich das Hohlrad HO2 bei festgehaltenem Planetenradträger PT2 und drehendem Sonnenrad SO2 in zur Sonnenraddrehrichtung gleicher Richtung dreht.
Die Variator-Einheit 10 weist eine Primärseite 11 und eine Sekundärseite 12 auf und ist am drehfesten Bauteil GG festgelegt bzw. festgesetzt. Die Primärseite 11 ist mit der vierten Welle 4 der Getriebevorrichtung 100 drehfest verbunden. Die vierte Welle 4 ist zudem über Kupplung K1 mit der Antriebswelle 1 drehfest verbindbar und mit dem Planetenradträger PT2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden.
Die Sekundärseite 12 der Variator-Einheit 10 ist über eine dritte Welle 3 mit dem Sonnenrad SO1 des ersten Planetenradsatzes RS1 drehfest verbunden. Zudem ist die Antriebswelle 1 über das Schaltelement K2 mit der sechsten Welle 6 und damit mit dem Sonnenrad SO2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbindbar.
Die fünfte Welle 5 wiederum kann über das Schaltelement B1 an dem drehfesten Bauteil GG festgesetzt werden. Ist das Schaltelement B1 aktiviert, so wird der Planetenradträger PT1 des ersten Planetenradsatzes RS1 und das Hohlrad HO2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 an der Drehung gehindert.
Das Hohlrad HO1 des ersten Planetenradsatzes RS1 ist mit einer zweiten Welle 2 drehfest verbunden, wobei die zweite Welle zugleich die Abtriebswelle 2 bildet.
Bei geschlossener Kupplung K1 ist die vierte Welle und damit der Planetenradträger PT2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 und die Primärseite 11 der Variator-Einheit 10 mit der Antriebswelle 1 drehfest verbunden.
Das Sonnenrad SO2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 ist mit der sechsten Welle drehfest verbunden, sodass bei geschlossenem Schaltelement K2 die Antriebswelle 1 mit dem Sonnenrad SO2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden ist.
So lassen sich vorliegend in der Getriebevorrichtung 100 durch selektives Schalten der Schaltelemente B1, K1 und K2 zwei Übersetzungsbereiche bzw. Fahrbereiche V1 und V2 für Vorwärtsfahrt und ein Übersetzungsbereich bzw. Fahrbereich R1 für Rückwärtsfahrt darstellen. Der Wechsel zwischen den Fahrbereichen geschieht durch das wechselseitige Öffnen und Schließen zweier Schaltelemente in einem Drehzahlsynchronpunkt.
Um die Getriebevorrichtung 100 in radialer Richtung bauraumgünstig ausführen zu können, sind die Planetenradsätze RS1 und RS2 axial benachbart angeordnet. Der erste Planetenradsatz RS1 ist axial zwischen der Variator-Einheit 10 und dem zweiten Planetenradsatz RS2 angeordnet.
Durch die Wahl geeigneter Übersetzungen können Sonnenrad SO1 und Planetenradträger PT1 des ersten Planetenradsatzes RS1 mit gleicher, aber entgegengesetzter Umfangsgeschwindigkeit betrieben werden, sodass das abtreibende Hohlrad HO1 steht, d.h. dessen Drehzahl gleich Null ist. Wird nun die Drehzahl des Sonnenrad SO1 durch eine Verstellung der Variatorübersetzung verändert, beginnt das Hohlrad HO1 zu drehen. Das Fahrzeug fährt an. So kann in vorteilhafter Weise auf eine Anfahrkupplung verzichtet werden.
2 zeigt ein tabellarisches Schaltschema der Getriebevorrichtung 100. Aus dem Schaltschema geht hervor, dass zur Darstellung des ersten Fahrbereichs V1 für Vorwärtsfahrt das erste und das dritte Schaltelement B1, K2 zu schließen sind, während das andere Schaltelement K1 in geöffnetem Betriebszustand vorliegt. Liegt eine entsprechende Anforderung zur Darstellung des zweiten Fahrbereichs V2 für Vorwärtsfahrt vor, ist das erste Schaltelement B1 bei aktuell eingelegtem ersten Fahrbereich V1 für Vorwärtsfahrt zu öffnen und das zweite Schaltelement K1 zu schließen, während das dritte Schaltelement K2 in geschlossenem Betriebszustand belassen wird. Liegt wiederum eine entsprechende Anforderung zur Darstellung des dritten Fahrbereichs R1 für Rückwärtsfahrt vor, ist das erste Schaltelement B1 zu schließen, während das dritte Schaltelement K2 in den geöffneten und das zweite Schaltelement K1 in den geschlossenen Betriebszustand überführt bzw. gehalten wird. Wie oben bereits beschrieben, handelt es sich bei den Schaltelementen K1 und K2 um Kupplungen und bei dem Schaltelement B1 um eine Bremse.
Bei eingelegtem Fahrbereich V1 für Vorwärtsfahrt wird das gesamte über die Antriebswelle 1 in die Getriebevorrichtung 100 eingeleitete Drehmoment über die Variator-Einheit 10 in Richtung der Abtriebswelle 2 ohne Leistungsverzweigung geführt, womit der erste Fahrbereich V1 einen sogenannten Direktfahrbereich darstellt, dessen Spreizung der Spreizung der Variator-Einheit 10 entspricht.
Bei eingelegtem Fahrbereich V2 für Vorwärtsfahrt wird ein geringerer erster Teil des über die Antriebswelle 1 in die Getriebevorrichtung 100 eingeleiteten Drehmoments über die Variator-Einheit 10 in Richtung der Abtriebswelle 2 und ein größerer zweiter Teil des Drehmoments über das Schaltelement K1 und die vierte Welle 4 in den ersten und zweiten Planetenradsatz RS1, RS2 geführt. Somit erfolgt der Leistungsfluss im Fahrbereich V2 leistungsverzweigt.
Bei eingelegtem Fahrbereich R1 für Rückwärtsfahrt wird das gesamte über die Antriebswelle 1 in die Getriebevorrichtung 100 eingeleitete Drehmoment über die Variator-Einheit 10 in Richtung der Abtriebswelle 2 ohne Leistungsverzweigung geführt, womit der dritte Fahrbereich R1 ebenfalls einen sogenannten Direktfahrbereich darstellt, dessen Spreizung der Spreizung der Variator-Einheit 10 entspricht.
Eine Übersetzung der Getriebevorrichtung 100 ist innerhalb der Fahrbereiche V1, V2 und R1 über die Variator-Einheit 10 jeweils stufenlos variierbar.
Die 3 bis 5 zeigen die Getriebevorrichtung 100 in einer Hybridanwendung in drei Ausführungsformen. Für die Anbindung einer Elektromaschine EM eignet sich insbesondere die Antriebswelle 1.
Das Getriebe gemäß 3 weist eine Elektromaschine EM auf, deren Stator S am drehfesten Bauteil GG festgesetzt ist, während ein Rotor R der Elektromaschine EM drehfest mit der Antriebswelle 1 verbunden ist. Des Weiteren kann die Antriebswelle 1 an der Anschlussstelle 1-A über eine zwischenliegende Trennkupplung K0, welche vorliegend als Lamellenschaltelement gestaltet ist, mit einer Anschlusswelle AN drehfest verbunden werden, welche wiederum mit einer Kurbelwelle der Antriebsmaschine verbunden ist (nicht dargestellt). Aufgrund der drehfesten Verbindung des Rotors R mit der Antriebswelle 1 ist die Elektromaschine EM koaxial zu der Antriebswelle 1 platziert.
Über die Elektromaschine EM kann dabei ein rein elektrisches Fahren realisiert werden, wobei in diesem Fall die Trennkupplung K0 geöffnet wird, um die Antriebswelle 1 von der Anschlusswelle AN zu entkoppeln und die Verbrennungskraftmaschine nicht mitzuschleppen. Es können alle stufenlosen Fahrbereiche auch elektrisch genutzt werden. Ein Zustart in die verbrennungsmotorischen Fahrbereiche ist immer möglich. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform nach 3 der Variante nach 1, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
Ferner zeigt 4 eine schematische Ansicht einer Getriebevorrichtung 100 gemäß einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung, welche dabei weitestgehend der vorhergehenden Variante nach 3 entspricht. Unterschiedlich ist dabei, dass die Elektromaschine EM nicht koaxial, sondern achsversetzt zu der Antriebswelle 1 angeordnet ist. In der Folge sind auch ein - vorliegend nicht im Detail dargestellter - Rotor der Elektromaschine EM und die Antriebswelle 1 nicht drehfest miteinander verbunden, sondern über eine zwischenliegende Stirnradstufe SRS miteinander gekoppelt. Dabei ist ein Stirnrad SR1 der Stirnradstufe SRS drehfest auf der Antriebswelle 1 platziert und kämmt mit einem Stirnrad SR2, das drehfest auf einer Eingangswelle EW der Elektromaschine EM angeordnet ist. Diese Eingangswelle EW stellt dann innerhalb der Elektromaschine EM die Verbindung zum Rotor her. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform nach 4 der Variante nach 3, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
Zudem ist in 5 eine schematische Darstellung einer Getriebevorrichtung 100 entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die ebenfalls wieder im Wesentlichen der Variante nach 3 entspricht. Wie schon bei der Ausgestaltung gemäß 4 ist dabei aber die Elektromaschine EM nicht koaxial, sondern achsversetzt zu der Antriebswelle 1 platziert. Eine drehfeste Koppelung zwischen der Antriebswelle 1 und einem - nicht dargestellten - Rotor der Elektromaschine EM ist dabei über einen Zugmitteltrieb ZT verwirklicht, der bevorzugt als Kettentrieb vorliegt. Dieser Zugmitteltrieb ZT koppelt dabei die Antriebswelle 1 mit einer Eingangswelle EW der Elektromaschine EM. Ansonsten entspricht die Variante nach 5 der Ausführungsform nach 3, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann eine Getriebevorrichtung 100 mit kompaktem Aufbau und einem guten Wirkungsgrad realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Antriebswelle
2: Abtriebswelle
3: dritte Welle
4: vierte Welle
5: fünfte Welle
10: Variator-Einheit
11: Primärseite
12: Sekundärseite
100: Getriebevorrichtung
An: Anschlusswelle
B1: erstes Schaltelement
E11: erstes Element
E12: zweites Element
E13: drittes Element
E21: erstes Element
E22: zweites Element
E23: drittes Element
EM: Elektromaschine
EW: Eingangswelle
GG: drehfestes Bauteil
HO1: erstes Hohlrad
HO2: zweites Hohlrad
K0: Trennkupplung
K1: zweites Schaltelement
K2: drittes Schaltelement
RS1: erster Planetenradsatz
RS2: zweiter Planetenradsatz
SO1: erstes Sonnenrad
SO2: zweites Sonnenrad
PR1: Planetenrad
PR2: Planetenrad
PR21: inneres Planetenrad
PR22: äußeres Planetenrad
PT1: erster Planetenradträger
PT2: zweiter Planetenradträger
R1: dritter Fahrbereich
R: Rotor
S: Stator
SRS: Stirnradstufe
SR1: Stirnrad
SR2: Stirnrad
ZT: Zugmitteltrieb
V1: erster Fahrbereich
V2: zweiter Fahrbereich

Claims

Leistungsverzweigte stufenlose Getriebevorrichtung (100), umfassend eine als Antriebswelle (1) ausgebildete erste Welle und eine als Abtriebswelle (2) ausgebildete zweite Welle, einen ersten Planetenradsatz (RS1) der zwischen der Antriebswelle (1) und der Abtriebswelle (2) angeordnet ist, einen mit dem ersten Planetenradsatz (RS1) verbundenen und zwischen der Antriebswelle (1) und der Abtriebswelle (2) angeordneten zweiten Planetenradsatz (RS2), eine Variator-Einheit (10), die ausgebildet ist, stufenlos Leistung von der Antriebswelle (1) zum ersten Planetenradsatz (RS1) zu übertragen, wobei ein erstes Schaltelement (B1), ein zweites Schaltelement (K1) und ein drittes Schaltelement (K2) vorgesehen sind, durch deren selektive Betätigung unterschiedliche Kraftflussführungen über die Variator-Einheit (10) und die Planetenradsätze (RS1, RS2) unter Bereitstellung eines ersten Fahrbereichs (V1), eines zweiten Fahrbereichs (V2) und eines dritten Fahrbereichs (R1) darstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass - die Variator-Einheit (10) an einem drehfesten Bauteil (GG) festgesetzt ist, eine Primärseite (11) der Variator-Einheit (10) mit einer vierten Welle (1) drehfest verbunden und eine Sekundärseite (12) der Variator-Einheit (10) über eine dritte Welle (3) mit einem ersten Element (E11) des ersten Planetenradsatzes (RS1) drehfest verbunden ist, - die vierte Welle (4) über ein zweites Schaltelement (K1) mit der Antriebswelle (1) verbindbar ist und mit einem dritten Element (E23) des zweiten Planetenradsatzes (RS2) drehfest verbunden ist, - eine mit einem zweiten Element (E12) des ersten Planetenradsatzes (RS1) und mit einem zweiten Element (E22) des zweiten Planetenradsatzes (RS2) drehfest verbundene fünfte Welle (5) über ein erstes Schaltelement (B1) an einem drehfesten Bauteil (GG) festsetzbar ist, - eine mit einem ersten Element (E21) des zweiten Planetenradsatzes (RS2) drehfest verbundene sechste Welle (6) über ein drittes Schaltelement (K2) mit der Antriebswelle (1) drehfest verbindbar ist, und - ein drittes Element (E13) des ersten Planetenradsatzes (RS1) ist mit der Abtriebswelle (2) drehfest verbunden ist.
Getriebevorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Variator-Einheit (10) als mechanische Variator-Einheit (10) ausgebildet ist.
Getriebevorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zwei Planetenradsätze (RS1, RS2) axial benachbart angeordnet sind.
Getriebevorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Planetenradsatz (RS1) als ein Minus-Planetenradsatz und der erste Planetenradsatz (RS2) als ein Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist, wobei - es sich bei dem ersten Element (E11) des ersten Planetenradsatzes (RS1) um ein Sonnenrad (S01), - bei dem zweiten Element (E12) des ersten Planetenradsatzes (RS1) um einen Planetenradträger (PT1) und - bei dem dritten Element (E13) des ersten Planetenradsatzes (RS1) um ein Hohlrad (H01) handelt, wobei - es sich bei dem ersten Element (E21) des zweiten Planetenradsatzes (RS2) um ein Sonnenrad (SO2), - bei dem zweiten Element (E22) des zweiten Planetenradsatzes (RS2) um ein Hohlrad (HO2) und - bei dem dritten Element (E23) des zweiten Planetenradsatzes (RS2) um einen Planetenradträger (PT2) handelt.
Getriebevorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - bei geschlossenem ersten und dritten Schaltelement (B1, K2) ein variabler erster Fahrbereich (V1) realisiert wird, und/oder - wobei bei geschlossenem zweiten und dritten Schaltelement (K1, K2) ein leistungsverzweigter zweiter Fahrbereich (V2) realisiert wird, und/oder - wobei bei geschlossenem ersten und zweiten Schaltelement (B1, K1) ein variabler dritter Fahrbereich (R1) realisiert wird.
Getriebevorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Elektromaschine (EM) vorgesehen ist, deren Rotor (R) mit der Antriebswelle (1), mit einer der Wellen (3 bis 5), mit einer der Elemente (E11, E12, E13, E21, E22, E23) der Planetenradsätze (RS1, RS2), oder mit der Abtriebswelle (2) verbunden ist.
Getriebevorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei eine Trennkupplung (K0) vorgesehen ist, über welche die Antriebswelle (1) mit einer Anschlusswelle (An) drehfest verbindbar ist.
Getriebevorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Elektromaschine (EM) koaxial zur Antriebswelle (1) angeordnet ist.
Getriebevorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Elektromaschine (EM) achsparallel zur Antriebswelle (1) angeordnet ist.
Kraftfahrzeugantriebsstrang, umfassend eine Getriebevorrichtung (100) nach einem oder auch mehreren der Ansprüche 1 bis 9.