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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 8.
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Aus der
US20160109002A1 ist ein solches stufenlos verstellbares Getriebe bekannt, das als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird.
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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.
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Aus der
DE102013223243 ist eine leistungsverzweigte stufenlose Getriebevorrichtung mit einem Summierplanetengetriebe, mit wenigstens einem weiteren Planetenradsatz und mit einem Variator bekannt, die im Bereich von Wellen miteinander in Wirkverbindung stehen und zur Darstellung von wenigstens drei Übersetzungsbereichen im Bereich weiterer Wellen über Schaltelemente miteinander koppelbar sind. Eine Übersetzung ist innerhalb der Übersetzungsbereiche über den Variator stufenlos variierbar. Der Variator ist als mechanischer Reibradvariator mit wenigstens drei Wellen ausgebildet. Das Summierplanetengetriebe, der wenigstens eine weitere Planetenradsatz und der Variator sind koaxial zueinander angeordnet. In einem der Übersetzungsbereiche ist die gesamte Leistung zwischen einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle über den Variator führbar. Zusätzlich ist ein Reibrad des Variators zumindest bereichsweise wenigstens annähernd kegelförmig ausgeführt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative stufenlose Getriebevorrichtung bereitzustellen, die einen einfachen Aufbau und eine kompakte Bauweise aufweist.
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Gemäß der Erfindung umfasst die Getriebevorrichtung eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle, 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, einen mit dem zweiten Planetenradsatz verbundenen und zwischen der Antriebswelle und Abtriebswelle angeordneten dritten 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.
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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.
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Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass die Variator-Einheit an einem drehfesten Bauteil festgesetzt ist, eine Primärseite der Variator-Einheit mit der Antriebswelle drehfest verbunden und eine Sekundärseite der Variator-Einheit über eine dritte Welle mit einem ersten Element des ersten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist.
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Die Antriebswelle ist zudem über das zweite Schaltelement mit einer sechsten Welle drehfest verbindbar ist, wobei die sechste Welle drehfest mit einem zweiten Element des dritten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist, und mit einem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist.
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Ein zweites Element des ersten Planetenradsatzes ist an dem drehfesten Bauteil festgesetzt. Ein zweites Element des dritten Planetenradsatzes ist über das erste Schaltelement an dem drehfesten Bauteil festsetzbar. Ein drittes Element des ersten Planetenradsatzes ist über eine vierte Welle mit einem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden, wobei die vierte Welle über das dritte Schaltelement mit der Abtriebswelle drehfest verbindbar ist.
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Ein erstes Element des zweiten Planetenradsatzes ist über eine fünfte Welle mit einem ersten Element des dritten Planetenradsatzes drehfest verbunden. Ein drittes Element des dritten Planetenradsatzes ist mit der Abtriebswelle drehfest verbunden.
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Mit anderen Worten ist bei der erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung die Antriebswelle drehfest mit der Variator-Einheit verbunden, während die Abtriebswelle drehfest mit dem dritten Element des dritten Planetenradsatzes in Verbindung steht.
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Das zweite Element des ersten Planetenradsatzes ist permanent mit einem drehfesten Bauteil des Getriebes drehfest verbunden. Bei Betätigung des ersten Schaltelements wird das zweite Element des dritten Planetenradsatzes mit dem drehfesten Bauteil des Getriebes drehfest verbunden und so an einer Drehbewegung gehindert.
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Bei Betätigung des zweiten Schaltelements werden die sechste Welle und damit das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes mit der Antriebswelle drehfest verbunden.
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Bei Betätigung des dritten Schaltelements werden die vierte Welle und damit das dritte Element des ersten Planetenradsatzes und das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes mit dem dritten Element des dritten Planetenradsatzes und damit mit der Abtriebswelle drehfest verbunden.
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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.
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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 liegen das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement je als Kupplung vor, welche bei Betätigung jeweils die je zugehörigen rotierbaren Komponenten der Getriebevorrichtung in ihren Drehbewegungen einander angleichen und im Folgenden drehfest miteinander verbinden.
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Die Schaltelemente können sowohl als formschlüssige als auch als kraftschlüssige Schaltelemente ausgeführt werden. Beispiele für formschlüssige Schaltelemente sind sogenannte Zahn-Schaltelemente, die auch als Klauenschaltelemente bekannt sind, oder synchron schaltbare Schaltelemente. Beispiele für kraftschlüssige oder reibschlüssige Schaltelemente sind Lamellenschaltelemente.
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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.
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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.
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Es hat sich herausgesellt, dass durch die Erfindung eine Getriebevorrichtung bereitgestellt werden kann, die einen einfachen Aufbau mit genau drei 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.
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Prinzipiell sind die gängigsten mechanischen Variatoren denkbar, die eine umgekehrte Drehrichtung von Primär- zur Sekundärseite aufweisen. Ausführungsbeispiele für diese mechanischen Variatoren sind Kegelring- oder Planetenrollenvariator.
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Entsprechend einer Ausführungsform ist es jedoch bevorzugt, dass die Variator-Einheit ein Planetenrollenvariator ist, da ein solcher keine Drehrichtungsumkehr zwischen seinen beiden Seiten aufweist.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, ausgehend von einer Anschlussstelle der Antriebswelle der Getriebevorrichtung, dass die drei 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.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der erste, zweite und dritte Planetenradsatz jeweils als ein Minus-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 Planetenradträgers um einen Planetenradträger und bei dem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes um ein Hohlrad handelt, wobei es sich bei dem ersten Element des dritten Planetenradsatzes um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des dritten Planetenradsatzes um einen Planetenradträger und bei dem dritten Element des dritten Planetenradsatzes um ein Hohlrad handelt.
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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.
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Vorliegend eignet sich ein jeder Planetenradsatz, um entweder als Minus- oder als Plus-Planetenradsatz ausgebildet zu werden.
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So ist es ist bevorzugt, dass der erste und dritte Planetenradsatz als ein Minus-Planetenradsatz und der zweite Planetenradsatz als ein Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist, wobei es sich bei dem ersten Element des ersten und dritten Planetenradsatzes um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des ersten und dritten Planetenradsatzes um einen Planetenradträger und bei dem dritten Element des ersten und dritten 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.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der erste und zweite Planetenradsatz als ein Minus-Planetenradsatz und der dritte Planetenradsatz als ein Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist, wobei es sich bei dem ersten Element des ersten und zweiten Planetenradsatzes um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des ersten und zweiten Planetenradsatzes um einen Planetenradträger und bei dem dritten Element des ersten und zweiten Planetenradsatzes um ein Hohlrad handelt, wobei es sich bei dem ersten Element des dritten Planetenradsatzes um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des dritten Planetenradsatzes um ein Hohlrad und bei dem dritten Element des dritten Planetenradsatzes um einen Planetenradträger handelt.
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Ebenso ist es bevorzugt, dass der zweite und dritte Planetenradsatz als ein Minus-Planetenradsatz und der erste Planetenradsatz als ein Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist, wobei es sich bei dem ersten Element des zweiten und dritten Planetenradsatzes um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des zweiten und dritten Planetenradsatzes um einen Planetenradträger und bei dem dritten Element des zweiten und dritten Planetenradsatzes um ein Hohlrad handelt, wobei es sich bei dem ersten Element des ersten Planetenradsatzes um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes um ein Hohlrad und bei dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes um einen Planetenradträger handelt.
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Der Minus-Planetenradsatz ist auch als einfacher Planetenradsatz bekannt. Ein Minus-Planetenradsatz weist bekanntlich an einem Planetenradträger, d.h. 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.
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Ein Plus-Planetenradsatz weist bekanntlich an seinem Planetenradträger, d.h. Steg 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.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass bei geschlossenem erstem Schaltelement ein stufenlos leistungsverzweigter erster Fahrbereich, insbesondere ein erster Vorwärtsfahrbereich realisiert wird, und/oder wobei bei geschlossenem drittem Schaltelement ein stufenlos variatorischer zweiter Fahrbereich, insbesondere ein zweiter Vorwärtsfahrbereich realisiert wird, und/oder wobei bei geschlossenem zweitem Schaltelement ein stufenlos leistungsverzweigter dritter Fahrbereich, insbesondere ein dritter Vorwärtsfahrbereich realisiert wird. Der erste Fahrbereich kann durch Verstellung der Variator-Einheit reversiert werden, d.h. als Rückwärtsfahrbereich dargestellt werden.
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Mit leistungsverzweigt ist gemeint, dass die Kraftflussführungen zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle sowohl über die Variator-Einheit als auch über zumindest einen weiteren Planetenradsatz erfolgt. Im Gegensatz dazu bedeutet variatorisch, dass die Kraftflussführungen zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle ausschließlich über die Variator-Einheit erfolgt. Die Kraftflussführungen sowohl im leistungsverzweigten als auch im variatorischen Fahrbereich erfolgt stufenlos.
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Es hat sich gezeigt, dass im zweiten Fahrbereich eine geringe Variatorbelastung darstellbar ist.
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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.
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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.
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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.
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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 Getriebegehäuse angeordnet sein. Ebenso kann auch ein Torsionsschwingungsdämpfer mit in dieses Getriebegehäuse integriert sein.
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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.
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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.
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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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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;
- 5 eine erfindungsgemäße Getriebevorrichtung in einer bevorzugten vierten Ausführungsform in einer schematischen Ansicht;
- 6 eine erfindungsgemäße Getriebevorrichtung in einer bevorzugten fünften Ausführungsform in einer schematischen Ansicht; und
- 7 eine erfindungsgemäße Getriebevorrichtung in einer bevorzugten sechsten Ausführungsform in einer schematischen Ansicht.
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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.
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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.
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Die über die Leistungspfade geführten Anteile des getriebeeingangsseitig im Bereich der Antriebswelle 1 anliegenden Drehmomentes werden in Richtung der Abtriebswelle 2 geführt.
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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. Zudem umfasst die Getriebevorrichtung 100 einen mit dem zweiten Planetenradsatz RS2 verbundenen dritten Planetenradsatz RS3. Das Schaltelement B1 ist als Bremse, die Schaltelemente K1 und K2 sind jeweils als Kupplung ausgeführt. Die Variator-Einheit 10, die Schaltelemente B1, K1 und K2 sowie die drei Planetenradsätze RS1, RS2 und RS3 sind zwischen Antriebswelle 1 und Abtriebswelle 2 der Getriebevorrichtung 100 angeordnet. Die Planetenradsätze RS1, RS2 und RS3 sind als einfache (Minus-) Planetenradsatz ausgeführt.
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Für einen Minus- Planetenradsatz gilt folgende Nomenklatur: das erste Element ist das Sonnenrad, das zweite Element ist der Planetenträger, also Steg und das dritte Element ist das Hohlrad.
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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.
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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 an einem als Getriebegehäuse ausgebildeten drehfesten Bauteil GG permanent festgesetzt, was durch Bezugsziffer 0 gekennzeichnet ist.
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Der zweite Planetenradsatz RS2 umfasst ein erstes, zweites und drittes Element E21, E22 und E23, wobei das erste Element E21 einem Sonnenrad SO2, das zweite Element E22 einem Planetenradträger PT2 und das dritte Element E23 einem Hohlrad HO2 entspricht.
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In bekannter Weise kämmen das Sonnenrad SO2 mit einem oder mehreren an dem Planetenradträger PT2 drehbar gelagerten Planetenrädern PR2, die ihrerseits mit dem Hohlrad HO2 kämmen, so dass sich das Hohlrad HO2 bei festgehaltenem Planetenradträger PT2 und drehendem Sonnenrad SO1 in zur Sonnenraddrehrichtung entgegengesetzter Richtung dreht.
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Der dritte Planetenradsatz RS3 umfasst ein erstes, zweites und drittes Element E31, E32 und E33, wobei das erste Element E31 einem Sonnenrad SO3, das zweite Element E32 einem Planetenradträger PT3 und das dritte Element E33 einem Hohlrad HO3 entspricht.
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In bekannter Weise kämmen das Sonnenrad SO3 mit einem oder mehreren an dem Planetenradträger PT3 drehbar gelagerten Planetenrädern PR3, die ihrerseits mit dem Hohlrad HO3 kämmen, so dass sich das Hohlrad HO3 bei festgehaltenem Planetenradträger PT3 und drehendem Sonnenrad SO3 in zur Sonnenraddrehrichtung entgegengesetzter Richtung dreht.
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Die Variator-Einheit 10 ist als Planetenrollenvariator ausgebildet. Bekanntermaßen weist ein Planetenrollenvariator eine Primärseite 11 und eine Sekundärseite 12 auf. Zudem ist er am drehfesten Bauteil GG festgelegt, d.h. festgesetzt. Die Primärseite 11 ist mit der Antriebswelle 1 der Getriebevorrichtung 100 drehfest verbunden.
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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 K1 mit einer sechsten Welle 6 und damit mit dem Planetenradträger PT3 des dritten Planetenradsatzes RS3 drehfest verbindbar. Zudem ist die Antriebswelle 1 mit dem Hohlrad HO2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden.
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Der Planetenradträger PT2 ist über eine vierte Welle 4 mit dem Hohlrad HO1 drehfest verbunden. Das Sonnenrad SO2 ist mit dem Sonnenrad SO3 über eine fünfte Welle 5 drehfest verbunden. Zudem sind das Hohlrad HO 1 und der Planetenradträger PT2 über das Schaltelement K2 mit dem Hohlrad HO3 drehfest verbindbar. Das Hohlrad HO3 wiederum ist mit der Abtriebswelle 2 drehfest verbunden.
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Bei betätigtem, d.h. geschlossenem Schaltelement B1 ist der Planetenradträger PT3 am drehfesten Bauteil GG festgesetzt und damit an der Drehung gehindert. Bei geschlossenem Schaltelement K1 ist die Antriebswelle 1 mit der sechsten Welle 6 und damit mit dem Planetenradträger PT3 drehfest verbunden. Bei geschlossenem Schaltelement K2 sind das Hohlrad HO1 und der Planetenradträger PT2 mit dem Hohlrad HO3 drehfest verbunden. Anders ausgedrückt, ist bei geschlossenem Schaltelement K2 die vierte Welle 4 mit der Abtriebswelle 2 drehfest verbunden.
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So lassen sich vorliegend in der Getriebevorrichtung 100 durch selektives Schalten der Schaltelemente B1, K1 und K2 drei Übersetzungsbereiche, also Fahrbereiche FB1, FB2 und FB3 für Vorwärtsfahrt darstellen, wobei der Fahrbereich FB1 durch Verstellung der Variator-Einheit 10 reversiert werden kann, d.h. als Rückwärtsfahrbereich dargestellt werden kann. Der Wechsel zwischen den Fahrbereichen geschieht durch das wechselseitige Öffnen und Schließen zweier Schaltelemente in einem Drehzahlsynchronpunkt.
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Um die Getriebevorrichtung 100 in radialer Richtung bauraumgünstig ausführen zu können, sind die Planetenradsätze RS1, RS2 und RS3 axial benachbart angeordnet. Der erste Planetenradsatz RS1 ist axial zwischen der Variator-Einheit 10 und dem zweiten Planetenradsatz RS2 angeordnet. Der zweite Planetenradsatz RS2 ist axial zwischen dem ersten RS1 und dem dritten Planetenradsatz RS3 angeordnet. Die Getriebevorrichtung 100 gemäß 1 ist in Form einer Standard-Anordnung mit seitlichem Abtrieb ausgebildet.
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Durch die Wahl geeigneter Übersetzungen können Hohlrad HO2 (über Antriebsmaschine, fixe Übersetzung) und Planetenradträger PT2 (über Variator, stufenlos einstellbare Übersetzung) des zweiten Planetenradsatzes RS2 mit gleicher, aber entgegengesetzter Umfangsgeschwindigkeit betrieben werden, sodass das Sonnenrad SO2 steht, d.h. dessen Drehzahl gleich Null ist (geared neutral). Steht das Sonnenrad SO2, so steht auch der Getriebeabtrieb am Hohlrad HO3 des dritten Planetenradsatzes RS3.
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Wird nun die Drehzahl des Planetenradträgers PT2 durch eine Verstellung der Variatorübersetzung verändert, beginnt das Sonnenrad SO2 und damit das Hohlrad HO3 zu drehen. Das Fahrzeug fährt an. So kann in vorteilhafter Weise auf eine Anfahrkupplung verzichtet werden.
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2 zeigt ein tabellarisches Schaltschema der Getriebevorrichtung 100. Aus dem Schaltschema geht hervor, dass zur Darstellung des ersten Fahrbereichs FB1 für Vorwärtsfahrt das erste Schaltelement B1 zu schließen ist, während die anderen Schaltelemente K1 und K2 in geöffnetem Betriebszustand vorliegen. Liegt eine entsprechende Anforderung zur Darstellung des zweiten Fahrbereichs FB2 für Vorwärtsfahrt vor, ist das erste Schaltelement B1 bei aktuell eingelegtem ersten Fahrbereich FB1 für Vorwärtsfahrt zu öffnen und das dritte Schaltelement K2 zu schließen, während das zweite Schaltelement K1 in geöffnetem Betriebszustand belassen wird. Liegt wiederum eine entsprechende Anforderung zur Darstellung des dritten Fahrbereichs FB3 für Vorwärtsfahrt vor, ist das zweite Schaltelement K1 zu schließen, während das dritte Schaltelement K2 in den geöffneten Betriebszustand überführt wird, während das erste Schaltelement B1 in geöffnetem Betriebszustand 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.
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Die Rückwärtsfahrt wird über den ersten Fahrbereich FB1 realisiert, indem die Variator-Einheit 10 verstellt wird, d.h. reversiert wird.
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Bei eingelegtem Fahrbereich FB1 für Vorwärtsfahrt oder Rückwärtsfahrt 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 über die Direktverbindung der Antriebswelle 1 mit dem Hohlrad HO2 in den zweiten Planetenradsatz RS2 geführt. Somit erfolgt der Leistungsfluss im Fahrbereich FB1 leistungsverzweigt.
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Bei eingelegtem Fahrbereich FB3 für Vorwärtsfahrt wird ebenfalls 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 über das Schaltelement K1 in den dritten Planetenradsatz RS3 eingeleitet. Somit erfolgt der Leistungsfluss im Fahrbereich FB1 leistungsverzweigt.
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Bei eingelegtem Übersetzungsbereich FB2 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 zweite Übersetzungsbereich FB2 einen sogenannten Direktfahrbereich darstellt, dessen Spreizung der Spreizung der Variator-Einheit 10 entspricht. Eine Übersetzung der Getriebevorrichtung 100 ist innerhalb der Fahrbereiche FB1, FB2 und FB3 über die Variator-Einheit 10 jeweils stufenlos variierbar.
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3 zeigt die Getriebevorrichtung 100 in einer weiteren Ausführungsform. Die Getriebevorrichtung 100 weist einen Plus-Planetenradsatz auf, wobei der zweite Planetenradsatz RS2 als ein Plusplanetenradsatz ausgeführt ist.
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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, also Steg.
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So weist in 3 der zweite Planetenradsatz RS2 dasselbe Sonnenrad SO2, innere und äußere Planetenräder PR21 bzw. PR22, die an dem Planetenradträger PT2 (drittes Element E23) drehbar gelagert sind und ein Hohlrad HO2 (zweites Element E22) auf. Durch den Tausch ist der Planetenradträger PT2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 mit der Antriebswelle 1 und das Hohlrad HO2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 mit dem Hohlrad HO1 des ersten Planetenradsatzes RS1 drehfest verbunden. Die Hohlräder HO1 und HO2 sind bei betätigtem Schaltelement K2 mit dem Hohlrad HO3 des dritten Planetenradsatzes RS3 drehfest verbunden. Bei geschlossenem Schaltelement K1 ist die Antriebswelle 1 unverändert mit dem Planetenradträger PT2 des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden. Bei betätigtem Schaltelement B1 ist unverändert der Planetenradträger PT3 und damit die sechste Welle 6 am drehfesten Bauteil GG festgesetzt und somit an einer Drehbewegung gehindert. Das Getriebe gem. 3 ist ebenfalls als sogenannte front-quer-Anordnung mit seitlichem Abtrieb ausgebildet.
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4 zeigt eine Getriebevorrichtung 100 bei welcher der erste Planetenradsatz RS1 als ein Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist, während Planetenradsätze RS2 und RS3 als Minus- Planetenradsätze ausgebildet sind. Hierbei ist nunmehr der Planetenradträger PT1 mit dem Planetenradträger PT2 verbunden und das Hohlrad HO1 am drehfesten Bauteil GG festgesetzt.
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Nicht dargestellt, aber denkbar, ist eine Getriebevorrichtung 100 bei welcher der dritte Planetenradsatz als ein Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist, während Planetenradsätze RS1 und RS2 als Minus- Planetenradsätze ausgebildet sind.
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Die 5 bis 7 zeigen die Getriebevorrichtung 100 in einer Hybridanwendung in drei Ausführungsformen. Für die Anbindung einer Elektromaschine EM eignet sich insbesondere die Antriebswelle 1.
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Das Getriebe gemäß 5 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.
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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 5 der Variante nach 1, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Ferner zeigt 6 eine schematische Ansicht einer Getriebevorrichtung 100 gemäß einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung, welche dabei weitestgehend der vorhergehenden Variante nach 5 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 6 der Variante nach 5, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Zudem ist in 7 eine schematische Darstellung einer Getriebevorrichtung 100 entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die ebenfalls wieder im Wesentlichen der Variante nach 5 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 7 der Ausführungsform nach 5, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Die Getriebe gem. den 5 bis 7 sind als sogenannte front-quer-Anordnung mit seitlichem Abtrieb ausgebildet.
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Die Hybridanwendung ist anhand der Ausführungsform gemäß 1 beschrieben worden. Selbstverständlich können auch die übrigen Ausführungsformen hybridisiert werden, d.h. auch die Ausführungsformen gemäß der 3 und 4 sowie die nicht dargestellten aber beschriebenen Varianten kommen für eine Hybridanwendung in Frage.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann eine Getriebevorrichtung 100 mit kompaktem Aufbau und einem guten Wirkungsgrad realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebswelle
- 2
- Abtriebswelle
- 3
- dritte Welle
- 4
- vierte Welle
- 5
- fünfte Welle
- 6
- sechste 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
- E31
- erstes Element
- E32
- zweites Element
- E33
- drittes Element
- EM
- Elektromaschine
- FB1
- erster Fahrbereich
- FB2
- zweiter Fahrbereich
- FB2
- dritter Fahrbereich
- HO1
- erstes Hohlrad
- HO2
- zweites Hohlrad
- HO3
- drittes Hohlrad
- K0
- Trennkupplung
- K1
- zweites Schaltelement
- K2
- drittes Schaltelement
- PR1
- Planetenrad
- PR2
- Planetenrad
- PR3
- Planetenrad
- PR21
- inneres Planetenrad
- PR22
- äußeres Planetenrad
- PT1
- erster Planetenradträger
- PT2
- zweiter Planetenradträger
- PT3
- dritter Planetenradträger
- RS1
- erster Planetenradsatz
- RS2
- zweiter Planetenradsatz
- RS3
- dritter Planetenradsatz
- R
- Rotor
- S
- Stator
- SO1
- erstes Sonnenrad
- SO2
- zweites Sonnenrad
- SO3
- drittes Sonnenrad
- SRS
- Stirnradstufe
- SR1
- Stirnrad
- SR2
- Stirnrad
- ZT
- Zugmitteltrieb
