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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erste Antriebswelle, eine zweite Antriebswelle, eine Abtriebswelle und einen Planetenradsatz, welcher sich aus einem ersten Element, einem zweiten Element und einem dritten Element in Form eines Sonnenrades, eines Planetensteges und eines Hohlrades zusammensetzt, wobei ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement vorgesehen sind, durch deren selektive Betätigung unterschiedliche Kraftflussführungen von mindestens einer der Antriebswellen zu der Abtriebswelle darstellbar sind, und wobei das erste Element des ersten Planetenradsatzes über das erste Schaltelement festsetzbar ist, wohingegen das zweite Element des Planetenradsatzes drehfest mit der Abtriebswelle in Verbindung steht und das dritte Element des Planetenradsatzes drehfest mit der ersten Antriebswelle verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem vorgenannten Getriebe sowie ein Verfahren zum Betreiben des Kraftfahrzeugantriebsstranges.
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Bei Hybridfahrzeugen sind Getriebe bekannt, welche neben einer Abtriebswelle mehrere Antriebswellen aufweisen, wobei über einen Radsatz des jeweiligen Getriebes dann eine Zusammenführung von über die Antriebswellen eingebrachten Antriebsbewegungen möglich ist. Zumeist ist in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang eines Hybridfahrzeuges dabei neben einer Verbrennungskraftmaschine auch zumindest eine Elektromaschine vorgesehen, wobei an einer der Antriebswellen des Getriebes dann die Verbrennungskraftmaschine angebunden bzw. anbindbar ist, während eine andere Antriebswelle des Getriebes mit der zumindest einen Elektromaschine in Verbindung steht. Über Schaltelemente des Getriebes, die hierbei als Kupplungen oder auch als Bremsen gestaltet sein können, kann eine Kraftflussführung von einer oder auch mehreren der Antriebswellen zu der Abtriebswelle unter Darstellung unterschiedlicher Fahrfunktionen realisiert werden.
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Aus der
EP 2 062 770 A1 geht ein Kraftfahrzeugantriebsstrang eines Hybridfahrzeuges hervor, bei welchem über ein Getriebe ein Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Betrieb zweier Elektromaschinen überlagert werden kann. Das Getriebe umfasst dabei einen Planetenradsatz, welcher sich aus den Elementen Sonnenrad, Planetensteg und Hohlrad zusammensetzt, wobei das Hohlrad bei einer Variante über ein erstes Schaltelement festgesetzt und mittels eines zweiten Schaltelements drehfest mit einem Stirnrad einer Stirnradstufe des Getriebes verbunden werden kann. Das Stirnrad steht dann mit einem weiteren Stirnrad dieser Stirnradstufe im Zahneingriff, welches drehfest auf einer ersten Antriebswelle des Getriebes vorgesehen ist. An der ersten Antriebswelle ist dabei die Verbrennungskraftmaschine und auch eine erste, als Generator arbeitende Elektromaschine angebunden, wobei letztere mit einer zweiten, als Elektromotor arbeitenden Elektromaschine in Wirkverbindung steht. Die zweite Elektromaschine ist drehfest mit einer zweiten Antriebswelle des Getriebes verbunden, wobei diese zweite Antriebswelle auch das Sonnenrad des Planetenradsatzes trägt. Schließlich ist noch der Planetensteg des Planetenradsatzes drehfest mit der Abtriebswelle des Getriebes verbunden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Ausgestaltung zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Getriebe für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mit welchem bei kompaktem Aufbau unterschiedliche Betriebsmodi auf geeignete Art und Weise dargestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Ein Kraftfahrzeugantriebsstrang ist zudem Gegenstand der Ansprüche 10 bis 12. Des Weiteren hat der Anspruch 13 ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugantriebsstranges zum Gegenstand.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Getriebe eine erste Antriebswelle, eine zweite Antriebswelle, eine Abtriebswelle und einen Planetenradsatz, welcher sich aus einem ersten Element, einem zweiten Element und einem dritten Element in Form eines Sonnenrades, eines Planetensteges und eines Hohlrades zusammensetzt. Des Weiteren sind ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement vorgesehen, durch deren selektive Betätigung unterschiedliche Kraftflussführungen von mindestens einer der Antriebswellen zu der Abtriebswelle dargestellt werden können. Dabei kann das erste Element des ersten Planetenradsatzes über das erste Schaltelement festgesetzt werden, wohingegen das zweite Element des Planetenradsatzes drehfest mit der Abtriebswelle in Verbindung steht und das dritte Element des Planetenradsatzes drehfest mit der ersten Antriebswelle verbunden ist.
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Unter einer „Welle“ ist im Sinne der Erfindung ein rotierbares Bauteil des Getriebes zu verstehen, über welches hieran angebundene Komponenten drehfest miteinander verbunden sind oder über das eine derartige Verbindung bei Betätigung eines entsprechenden Schaltelements hergestellt wird. Die jeweilige Welle kann die Komponenten dabei axial oder radial oder auch sowohl axial und radial miteinander verbinden. So kann die jeweilige Welle auch als Zwischenstück vorliegen, über welches eine jeweilige Komponente zum Beispiel radial angebunden wird.
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Mit „axial“ ist im Sinne der Erfindung eine Orientierung in Richtung einer Längsmittelachse gemeint, zu welcher der Planetenradsatz koaxial angeordnet ist. Unter „radial“ ist dann eine Orientierung in Durchmesserrichtung einer Welle zu verstehen, die auf dieser Längsmittelachse liegt.
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Bevorzugt ist ein Abtrieb des Getriebes an einem entgegengesetzt zu einer Anschlussstelle der zweiten Antriebswelle liegenden, axialen Ende des Getriebes vorgesehen sein. Dabei ist eine Anschlussstelle der Abtriebswelle dann an einem axialen Ende der Abtriebswelle koaxial zu einer Anschlussstelle der zweiten Antriebswelle ausgestaltet, so dass ein Antrieb über die zweite Antriebswelle und ein Abtrieb des Getriebes an einander entgegengesetzten axialen Enden des Getriebes platziert sind. Ein derartig gestaltetes Getriebe eignet sich dabei zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug mit einem in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges ausgerichteten Antriebsstrang.
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Alternativ dazu kann die Abtriebswelle des Getriebes aber auch eine Verzahnung aufweisen, über welche die Abtriebswelle dann im Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem achsparallel zur Abtriebswelle angeordneten Differentialgetriebe in Wirkverbindung steht. Hierbei ist die Verzahnung bevorzugt an einer Anschlussstelle der Abtriebswelle vorgesehen, wobei diese Anschlussstelle der Abtriebswelle bevorzugt axial im Bereich eines Endes des Getriebes liegt, an welchem auch eine die Verbindung zu einer vorgeschalteten Antriebsmaschine herstellende Anschlussstelle der zweiten Antriebswelle vorgesehen ist. Diese Art der Anordnung eignet sich besonders zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug mit einem quer zur Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges ausgerichteten Antriebsstrang.
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Auch die erste Antriebswelle verfügt insbesondere über eine Anschlussstelle, wobei diese Anschlussstelle der ersten Antriebswelle bevorzugt an demselben axialen Ende liegt, wie die Anschlussstelle der zweiten Antriebswelle.
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Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass das erste Element des Planetenradsatzes drehfest mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist. Ferner können zwei der Elemente des Planetenradsatzes mittels des zweiten Schaltelements drehfest miteinander in Verbindung gebracht werden.
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Mit anderen Worten ist bei dem erfindungsgemäßen Getriebe also die Abtriebswelle ständig drehfest mit dem zweiten Element des Planetenradsatzes verbunden, während das dritte Element des Planetenradsatzes permanent drehfest mit der ersten Antriebswelle und das erste Element des Planetenradsatzes ständig drehfest mit der zweiten Antriebswelle in Verbindung steht.
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Durch Schließen des ersten Schaltelements wird das erste Element des Planetenradsatzes und damit auch die zweite Antriebswelle festgesetzt und in der Folge an einer Drehbewegung gehindert, wohingegen ein Betätigen des zweiten Schaltelements ein drehfestes Verbinden von zwei der drei Elemente des Planetenradsatzes nach sich zieht. Letzteres hat ein Verblocken des Planetenradsatzes zur Folge.
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Das erste Schaltelement ist also vorliegend als Bremse gestaltet, welche bei Betätigung die hieran anknüpfenden Komponenten festsetzt und in der Folge an einer Drehbewegung hindert. Hingegen liegt das zweite Schaltelement als Kupplung vor, die bei Betätigung die hieran unmittelbar anknüpfenden Komponenten des Getriebes gegebenenfalls zunächst in ihren Drehbewegungen angleicht und anschließend drehfest miteinander verbindet.
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Bevorzugt sind dabei beide Schaltelemente axial auf einer der Anschlussstelle der zweiten Antriebswelle zugewandt liegenden Seite des Planetenradsatzes vorgesehen, wobei hierbei das zweite Schaltelement weiter bevorzugt axial zwischen dem Planetenradsatz und dem ersten Schaltelement angeordnet ist.
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Eine jeweilige drehfeste Verbindung der rotierbaren Komponenten des Getriebes ist erfindungsgemäß bevorzugt über eine oder auch mehrere zwischenliegende Wellen realisiert, die dabei bei räumlich dichter Lage der Komponenten auch als kurze Zwischenstücke vorliegen können. Konkret können die Komponenten, die permanent drehfest miteinander verbunden sind, dabei jeweils entweder als drehfest miteinander verbundene Einzelkomponenten oder auch einstückig vorliegen. Im zweitgenannten Fall werden dann die jeweiligen Komponenten und die ggf. vorhandene Welle durch ein gemeinsames Bauteil gebildet, wobei dies insbesondere eben dann realisiert wird, wenn die jeweiligen Komponenten im Getriebe räumlich dicht beieinander liegen.
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Bei Komponenten des Getriebes, die erst durch Betätigung eines jeweiligen Schaltelements miteinander verbunden werden, wird eine Verbindung ebenfalls bevorzugt über eine oder auch mehrere zwischenliegende Wellen verwirklicht.
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Ein Festsetzen erfolgt insbesondere durch drehfestes Verbinden mit einem drehfesten Bauelement des Getriebes, bei welchem es sich vorzugsweise um eine permanent stillstehende Komponente handelt, bevorzugt um ein Gehäuse des Getriebes, einen Teil eines derartigen Gehäuses oder ein damit drehfest verbundenes Bauelement.
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Insgesamt zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Getriebe durch eine kompakte Bauweise, einen guten Verzahnungswirkungsgrad und geringe Verluste aus. Ferner ist eine einfache Montage des Getriebes möglich, da der Planetenradsatz als Einheit in ein entsprechendes Gehäuse des Getriebes eingesetzt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Getriebe ist insbesondere Teil eines Kraftfahrzeugantriebsstranges, wobei hierbei bevorzugt an der ersten Antriebswelle des Getriebes eine Antriebsmaschine in Form einer Elektromaschine angebunden und mit der zweiten Antriebswelle des Getriebes eine Antriebsmaschine in Form einer Verbrennungskraftmaschine verbunden oder verbindbar ist. Über das Getriebe können die beiden Antriebsmaschinen dabei im Rahmen unterschiedliche Betriebsmodi miteinander kombiniert und damit unterschiedliche Fahrfunktionen eines Kraftfahrzeuges verwirklicht werden. Insbesondere kann dabei die an der ersten Antriebswelle angebundene Elektromaschine zum einen als Generator und zum anderen als Elektromotor betrieben werden.
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So können entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung zumindest fünf Betriebsmodi des Kraftfahrzeugantriebsstranges realisiert werden, wobei sich dabei ein erster Betriebsmodus bei Antrieb über die Elektromaschine und durch Schließen des ersten Schaltelements ergibt und dabei eine elektrische Rückwärtsfahrt durch Einleitung einer entsprechenden Drehbewegung über die Elektromaschine verwirklicht werden kann. Bei geschlossenem, ersten Schaltelement ist dabei das erste Element des Planetenradsatzes und damit auch die zweite Antriebswelle festgesetzt, so dass auch eine an der zweiten Antriebswelle angebundene Verbrennungskraftmaschine stillsteht. Bei geschlossenem, ersten Schaltelement kann dann auch ein zweiter Betriebsmodus bei Antrieb über die Elektromaschine realisiert werden, wobei hierbei eine im Hinblick auf die Rückwärtsfahrt entgegengesetzte Drehbewegung über die Elektromaschine eingeleitet wird und hierdurch eine elektrische Anfahrfunktion darstellbar ist.
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Als dritter Betriebsmodus kann bei Antrieb über die Elektromaschine und durch Schließen des zweiten Schaltelements ein elektrisches Fahren verwirklicht werden. Denn bei geschlossenem, zweiten Schaltelement läuft der Planetenradsatz als Block um, so dass ein starrer Durchtrieb von der ersten Antriebswelle und damit der als Elektromotor arbeitenden Elektromaschine auf die Abtriebswelle stattfindet. Hierbei lässt sich bei Blocklauf des Planetenradsatzes ein guter Wirkungsgrad verwirklichen. Wird die Elektromaschine hingegen generatorisch betrieben, so kann im Rahmen von Bremsvorgängen eine Rekuperation elektrischer Energie realisiert werden.
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Im Rahmen eines vierten Betriebsmodus kann dann ein kombiniertes Fahren verwirklicht werden, indem sowohl über die Verbrennungskraftmaschine, als auch die Elektromaschine angetrieben wird und der Planetenradsatz dabei die beiden Antriebsleistungen zum Abtrieb zusammenführt. Dabei fungiert der Planetenradsatz als Summierstufe, über welche die über die Verbrennungskraftmaschine aufgebrachte Antriebsleistung und die über die als Elektromotor arbeitende Elektromaschine aufgebrachte Antriebsleistung zur Abtriebswelle zusammengeführt werden. In diesem Betriebsmodus wäre es allerdings auch zumindest zeitweise denkbar, den Elektromotor generatorisch zu betreiben, so dass ein Teil der über die Verbrennungskraftmaschine dargestellten Antriebsleistung zur Elektromaschine abgezweigt und zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird.
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Als fünfter Betriebsmodus kann dann noch bei Antrieb über die Verbrennungskraftmaschine und durch Betätigen des zweiten Schaltelements ein verbrennungsmotorisches Fahren dargestellt werden, indem in diesem Fall dann die Verbrennungskraftmaschine über den verblockten Planetenradsatz bei geschlossenem, zweiten Schaltelement mit der Abtriebswelle verbunden ist. Auch hierbei kann der Elektromotor als Generator betrieben werden, um im Zuge von Bremsvorgängen elektrische Energie zurückzugewinnen.
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In Weiterbildung der Erfindung kann zudem als weiterer Betriebsmodus auch eine verbrennungsmotorische Anfahrfunktion bei Antrieb über die Verbrennungskraftmaschine verwirklicht werden, wobei hierzu das zweite Schaltelement schlupfend zu betätigen ist. In diesem Fall fungiert dann das zweite Schaltelement als Anfahrelement.
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Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, zwischen der zweiten Antriebswelle und der Verbrennungskraftmaschine ein weiteres Schaltelement vorzusehen, über welches die Verbrennungskraftmaschine gezielt abgekoppelt werden kann. So kann im Zuge des rein elektrischen Fahrens bei verblocktem Planetenradsatz ein Schleppen der Verbrennungskraftmaschine unterbunden werden. Zudem kann auch dieses weitere Schaltelement als Anfahrelement zur Gestaltung eines verbrennungsmotorischen Anfahrens herangezogen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsmöglichkeit des Getriebes ist eine Elektromaschine vorgesehen, deren Rotor drehfest mit der ersten Antriebswelle verbunden ist. Alternativ dazu steht ein Rotor der Elektromaschine über mindestens eine Übersetzungsstufe mit der ersten Antriebswelle in Verbindung, so dass der Rotor und die erste Antriebswelle über eine Zwischenübersetzung in Form mindestens einer Übersetzungsstufe miteinander gekoppelt sind. In vorteilhafter Weise ist in beiden Fällen eine Elektromaschine mit in das Getriebe integriert, die mit der ersten Antriebswelle in Verbindung steht und über welche die vorstehend beschriebenen Betriebsmodi mitgestaltet werden können.
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Die Elektromaschine kann dabei prinzipiell entweder koaxial zu dem Planetenradsatz oder achsversetzt zu diesem liegend angeordnet sein. Im erstgenannten Fall kann der Rotor der Elektromaschine dabei entweder unmittelbar drehfest mit der ersten Antriebswelle verbunden oder aber über eine oder auch mehrere zwischenliegende Übersetzungsstufen mit dieser gekoppelt sein, wobei Letzteres eine günstigere Auslegung der Elektromaschine mit höheren Drehzahlen und geringeren Drehmoment ermöglicht. Die mindestens eine Übersetzungsstufe kann dabei als Stirnradstufe und/oder als Planetenstufe ausgeführt sein. Bei einer koaxialen Anordnung der Elektromaschine kann diese zudem so innerhalb des Getriebes angeordnet sein, dass diese axial auf Höhe des ersten, als Bremse ausgeführten Schaltelements sowie radial innenliegend zu diesem platziert oder axial auf Höhe des zweiten Schaltelements sowie radial umliegend zu diesem vorgesehen ist. In beiden Fällen kann die axiale Baulänge des Getriebes reduziert werden.
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Ist die Elektromaschine hingegen achsversetzt zu dem Planetenradsatz vorgesehen, so erfolgt eine Koppelung über eine oder mehrere zwischenliegende Übersetzungsstufen und/oder einen Zugmitteltrieb. Die eine oder die mehreren Übersetzungsstufen können hierbei auch im Einzelnen entweder als Stirnradstufe oder als Planetenstufe realisiert sein. Bei einem Zugmitteltrieb kann es sich entweder um einen Riemen- oder einen Kettentrieb handeln.
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In Weiterbildung der Erfindung verbindet das zweite Schaltelement bei Betätigung das erste Element und das dritte Element des Planetenradsatzes. Alternativ dazu werden durch Schließen des zweiten Schaltelements das erste Element und das zweite Element des Planetenradsatzes oder weiter alternativ dazu das zweite Element und das dritte Element des Planetenradsatzes drehfest miteinander in Verbindung gebracht. In allen drei vorgenannten Fällen wird dabei jeweils ein Verblocken des Planetenradsatzes herbeigeführt.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das erste Element des Planetenradsatzes das Sonnenrad, während es sich bei dem zweiten Element bei Ausführung des Planetenradsatzes als Minus-Planetensatz um den Planetensteg und bei Ausführung des Planetenradsatzes als Plus-Planetensatz um das Hohlrad handelt. Des Weiteren ist das dritte Element des Planetenradsatzes bei Ausführung des Planetenradsatzes als Minus-Planetensatz das Hohlrad und bei Ausführung des Planetenradsatzes als Plus-Planetensatz der Planetensteg.
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Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform ist das erste Element des Planetenradsatzes bei Ausführung des Planetenradsatzes als Minus-Planetensatz das Hohlrad und bei Ausführung des Planetenradsatzes als Plus-Planetensatz der Planetensteg. Ferner liegt das zweite Element bei Ausführung des Planetenradsatzes als Minus-Planetensatz als Planetensteg und bei Ausführung des Planetenradsatzes als Plus-Planetensatz als Hohlrad vor, während es sich bei dem dritten Element des Planetenradsatzes um das Sonnenrad handelt.
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Der Planetenradsatz kann also im Rahmen der Erfindung als Minus-Planetensatz vorliegen, welcher sich auf dem Fachmann prinzipiell bekannte Art und Weise aus den Elementen Sonnenrad, Planetensteg und Hohlrad zusammensetzt. Dabei führt der Planetensteg mindestens ein, bevorzugt aber mehrere Planetenräder, die im Einzelnen jeweils sowohl mit dem Sonnenrad, als auch dem umliegenden Hohlrad kämmen.
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Alternativ dazu kann der Planetenradsatz aber auch prinzipiell als Plus-Planetensatz vorliegen, welcher ebenfalls die Elemente Sonnenrad, Hohlrad und Planetensteg aufweist, wobei Letzterer mindestens ein Planetenradpaar führt, bei welchem das eine Planetenrad mit dem innenliegenden Sonnenrad und das andere Planetenrad mit dem umliegenden Hohlrad im Zahneingriff steht, sowie die Planetenräder untereinander kämmen.
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Wo es eine Anbindung der einzelnen Elemente zulässt, kann ein Minus-Planetensatz in einen Plus-Planetensatz überführt werden, wobei dann gegenüber der Ausführung als Minus-Planetensatz die Hohlrad- und die Planetensteganbindung miteinander zu tauschen, sowie eine Getriebestandübersetzung um eins zu erhöhen ist. Umgekehrt könnte auch ein Plus-Planetensatz durch einen Minus-Planetensatz ersetzt werden, sofern die Anbindung der Elemente des Getriebes dies ermöglicht. Dabei wären dann im Vergleich zu dem Plus-Planetensatz ebenfalls die Hohlrad- und die Planetensteganbindung miteinander zu tauschen, sowie eine Getriebestandübersetzung um eins zu reduzieren.
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Es ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung, dass das erste Schaltelement und/oder das zweite Schaltelement als kraftschlüssiges Schaltelement ausgeführt ist. Hierbei liegt das jeweilige Schaltelement insbesondere als Lamellenschaltelement vor, wobei die Ausführung als kraftschlüssiges Schaltelement den Vorteil hat, dass ein Schließen des jeweiligen Schaltelements auch unter Last realisiert werden kann. Insofern kann dann auch ein Wechsel zwischen den vorstehend beschriebenen Betriebsmodi ebenfalls unter Last stattfinden.
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Es ist aber im Rahmen der Erfindung ebenso denkbar, eines oder auch beide Schaltelemente als formschlüssige Schaltelemente auszuführen, wie beispielsweise als Sperrsynchronisationen oder Klauenschaltelemente. Eine Ausführung als formschlüssige Schaltelemente hat den Vorteil, dass im geöffneten Zustand des jeweiligen Schaltelements geringere Schleppverluste auftreten und sich damit der Wirkungsgrad verbessern lässt. Besonders bevorzugt liegen aber beide Schaltelemente als kraftschlüssige Schaltelemente vor.
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In Weiterbildung der Erfindung ist an der ersten Antriebswelle eine Pumpe angebunden. Dies hat den Vorteil, dass somit eine Druckbeaufschlagung der Schaltelemente über eine Pumpe realisiert werden kann, welche über die erste Antriebswelle mit betrieben wird, die nicht über eines der Schaltelemente in einem der Betriebsmodi festgesetzt ist. Alternativ dazu kann aber auch eine externe Pumpe die Druckbeaufschlagung vornehmen. Weiter alternativ können die Schaltelemente auch als elektrisch betätigte Schaltelemente vorliegen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung sind bei dem Planetenradsatz das Sonnenrad und das Hohlrad axial aneinander abgestützt. Hierdurch können Axialkräfte, welche bei einem Planetenradsatz mit schrägverzahnten Zahnrädern an Hohlrad und Sonnenrad auftreten, zuverlässig aufgenommen werden. Besonders bevorzugt sind dabei das Hohlrad und das Sonnenrad über zumindest ein Axiallager aneinander abgestützt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der ersten Antriebswelle und/oder der zweiten Antriebswelle antriebseitig jeweils zumindest eine Übersetzungsstufe vorgeschaltet. Die erste Antriebswelle oder die zweite Antriebswelle oder auch sowohl die erste Antriebswelle als auch die zweite Antriebswelle können also antriebsseitig mit einer oder mehreren vorgeschalteten Übersetzungsstufen verbunden sein, die eine Konstantübersetzung auf die jeweilige Antriebswelle verwirklichen. Ebenso kann auch alternativ oder ergänzend zu dem vorgenannten die Abtriebswelle abtriebsseitig mit einer oder auch mehreren Übersetzungsstufen verbunden sein, über welche eine konstante Übersetzung von der Abtriebswelle auf im Kraftfahrzeugantriebsstrang nachfolgende Komponenten vorgenommen wird.
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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 oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Vorteilhafte Ausführungsformen, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugantriebsstranges;
- 2 eine schematische Darstellung eines Getriebes, wie es bei dem Kraftfahrzeugantriebsstrang in 1 zur Anwendung kommen kann;
- 3 eine weitere Ansicht des Getriebes aus 2;
- 4 eine schematische Ansicht eines Getriebes, wie es ebenfalls bei dem Kraftfahrzeugantriebsstrang in 1 Anwendung finden kann;
- 5 eine schematische Darstellung eines Getriebes, wie es ebenfalls bei dem Kraftfahrzeugantriebsstrang in 1 zur Anwendung kommen kann;
- 6 eine tabellarische Darstellung unterschiedlicher Betriebsmodi des Kraftfahrzeugantriebsstranges aus 1 mit einem Getriebe nach 2 oder 4 oder 5;
- 7 ein Diagramm mit Drehzahlverhältnissen in den einzelnen Betriebsmodi aus 6 bei dem Getriebe aus 2; und
- 8 ein Diagramm mit Drehzahlverhältnissen in den einzelnen Betriebsmodi bei dem Getriebe nach 4 oder 5.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugantriebsstranges eines Hybridfahrzeuges, wobei in dem Kraftfahrzeugantriebsstrang eine Verbrennungskraftmaschine VKM über einen zwischenliegenden Torsionsschwingungsdämpfer TS mit einem Getriebe G verbunden ist. Dem Getriebe G ist abtriebsseitig ein Differentialgetriebe AG nachgeschaltet, über welches eine Antriebsleistung auf Antriebsräder DW einer Antriebsachse des Kraftfahrzeuges verteilt wird. Das Getriebe G und der Torsionsschwingungsdämpfer TS sind dabei in einem gemeinsamen Gehäuse des Getriebes G angeordnet, in welches dann auch das Differentialgetriebe AG integriert sein kann. Wie zudem in 1 zu erkennen ist, sind die Verbrennungskraftmaschine VKM, der Torsionsschwingungsdämpfer TS, das Getriebe G und auch das Differentialgetriebe AG in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges ausgerichtet.
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Aus 2 geht eine schematische Darstellung des Getriebes G gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung hervor. Wie zu erkennen ist, umfasst das Getriebe G einen Planetenradsatz P1 und eine Elektromaschine EM, die gemeinsam in dem Gehäuse des Getriebes G angeordnet sind. Die Elektromaschine EM kann dabei zum einen als Elektromotor und zum anderen als Generator betrieben werden. Der Planetenradsatz P1 setzt sich dabei aus einem ersten Element E11, einem zweiten Element E21 und einem dritten Element E31 zusammen, wobei es sich bei dem ersten Element E11 des Planetenradsatzes P1 um ein Sonnenrad SO handelt, während das zweite Element E21 als Planetensteg PT und das dritte Element E31 als Hohlrad HO vorliegen. Im Planetensteg PT ist dabei mindestens ein Planetenrad PR drehbar gelagert, welches sowohl mit dem radial innenliegenden Sonnenrad SO, als auch dem radial umliegenden Hohlrad HO im Zahneingriff steht. Besonders bevorzugt führt der Planetensteg PT aber mehrere Planetenräder.
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Im vorliegenden Fall ist der Planetenradsatz P1 also als Minus-Planetensatz gestaltet, wobei im Rahmen der Erfindung prinzipiell auch eine Ausführung als Plus-Planetensatz denkbar wäre. Dabei ist im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetensatz dann das zweite Element E21 durch das Hohlrad und das dritte Element E31 durch den Planetensteg zu bilden und zudem eine Getriebestandübersetzung des Planetenradsatzes P1 um eins zu erhöhen. Bei einem Plus-Planetenradsatz führt der Planetensteg dann mindestens ein Planetenradpaar, von dessen Planetenrädern ein Planetenrad mit dem radial innenliegenden Sonnenrad und ein Planetenrad mit dem radial umliegenden Hohlrad im Zahneingriff steht, sowie die Planetenräder untereinander kämmen.
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Wie zudem in 2 zu erkennen ist, ist das dritte Element E31 des Planetenradsatzes P1 drehfest mit einer ersten Antriebswelle GW1 des Getriebes G verbunden, an welcher auch ein - in 2 nicht weiter dargestellter - Rotor der Elektromaschine EM drehfest angebunden ist. Zudem wird über die erste Antriebswelle GW1 auch eine - vorliegend nur schematisch dargestellte - Pumpe P betrieben, welche zu diesem Zweck ebenfalls drehfest an der ersten Antriebswelle GW1 angebunden ist.
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Hingegen ist das erste Element E11 drehfest mit einer zweiten Antriebswelle GW2 verbunden, an deren endseitiger Anschlussstelle GW2-A im Kraftfahrzeugantriebsstrang aus 1 eine Verbindung zu der Verbrennungskraftmaschine VKM über den zwischenliegenden Torsionsschwingungsdämpfer TS hergestellt ist. Das zweite Element E21 steht drehfest mit einer Abtriebswelle GWA des Getriebes G in Verbindung, an deren Anschlussstelle GWA-A die Verbindung zu dem auf das Getriebe G folgenden Achsgetriebe AG im Kraftfahrzeugantriebsstrang hergestellt ist.
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Das Getriebe G aus 2 verfügt zudem über zwei Schaltelemente A und B, die jeweils als kraftschlüssige Schaltelemente vorliegen und konkret als Lamellenschaltelemente ausgeführt sind. Dabei liegt das erste Schaltelement A als Bremse vor, die bei Betätigung die zweite Antriebswelle GW2 und damit auch das erste Element E11 des Planetenradsatzes P1 an einem drehfesten Bauelement GG festsetzt. Bei dem drehfesten Bauelement GG handelt es sich dabei insbesondere um das Getriebegehäuse oder einen Teil des Getriebegehäuses des Getriebes G.
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Hingegen liegt das zweite Schaltelement B als Kupplung vor, die im geschlossenen Zustand das erste Element E11 und das dritte Element E31 des Planetenradsatzes P1 drehfest miteinander verbindet und hierdurch ein Verblocken des Planetenradsatzes P1 hervorruft. Alternativ dazu könnte das Verblocken aber auch erreicht werden, indem das zweite Schaltelement B bei Betätigung das erste Element E11 und das zweite Element E21 oder das zweite Element E21 und das dritte Element E31 drehfest miteinander verbindet.
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Die erste Antriebswelle GW1, die zweite Antriebswelle GW2 und auch die Abtriebswelle GWA sind koaxial zueinander liegend angeordnet, wobei auch der Planetenradsatz P1 koaxial zu den Antriebswellen GW1 und GW2 und auch der Abtriebswelle GWA platziert ist. Ebenso ist auch die Elektromaschine EM koaxial zu dem Planetenradsatz P1 und den Wellen GW1, GW2 und GWA angeordnet.
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3 zeigt eine weitere Ansicht des Getriebes G aus 2, wobei hierbei zu erkennen ist, dass der Planetenradsatz P1 axial benachbart zu der Anschlussstelle GWA-A der Abtriebswelle GWA vorgesehen ist und hierauf dann axial zunächst das zweite Schaltelement B, dann die Elektromaschine EM und schließlich das erste Schaltelement A in Richtung der Anschlussstelle GW2-A der zweiten Antriebswelle GW2 folgen. In 3 ist dann auch zu erkennen, dass ein Rotor R der Elektromaschine EM drehfest mit der ersten Antriebswelle GW1 verbunden ist, während ein Stator S der Elektromaschine EM am drehfesten Bauelement GG festgesetzt ist.
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In 3 ist außerdem dargestellt, dass das Sonnenrad SO und das Hohlrad HO des Planetenradsatzes P1 über ein - vorliegend nicht weiter im Detail dargestelltes - Axiallager AL aneinander abgestützt sind. Über dieses Axiallager AL werden dabei Axialkräfte des Planetenradsatzes P1 aufgenommen, die aufgrund der Schrägverzahnungen der Zahnräder des Planetenradsatzes P1 auftreten.
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Aus 4 geht eine schematische Ansicht eines Getriebes G entsprechend einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung hervor, wie sie ebenfalls bei dem Kraftfahrzeugantriebsstrang in 1 Anwendung finden kann. Dabei entspricht diese Ausgestaltungsmöglichkeit weitestgehend der Variante nach den 2 und 3, wobei im Unterschied dazu nun bei dem Planetenradsatz P1 das erste Element E11 durch ein Hohlrad HO' des Planetenradsatzes P1 gebildet ist, während das dritte Element E31 nun als Sonnenrad SO' des Planetenradsatzes P1 vorliegt. Bei dem zweiten Element E21 des Planetenradsatzes P1 handelt es sich dann nach wie vor um einen Planetensteg PT' des Planetenradsatzes P1, welcher zumindest ein Planetenrad PR drehbar gelagert führt, das sowohl mit dem Sonnenrad SO', als auch dem Hohlrad HO' im Zahneingriff steht.
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Auch bei der Ausgestaltungsmöglichkeit nach 4 ist der Planetenradsatz P1 also als Minus-Planetensatz ausgeführt, wobei auch hier eine Ausführung als Plus-Planetensatz denkbar wäre. In diesem Fall wäre dann allerdings das erste Element E11 des Planetenradsatzes P1 als Planetensteg und das zweite Element E21 als Hohlrad auszuführen sowie eine Standübersetzung des Planetenradsatzes P1 um eins zu erhöhen.
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Als weiterer Unterschied ist bei der Variante nach 4 die Elektromaschine EM axial im Wesentlichen auf Höhe des ersten Schaltelements A sowie radial innen liegend zu diesem angeordnet. Hierdurch kann ein geschachtelter Aufbau verwirklicht und damit die axiale Baulänge des Getriebes G reduziert werden. Im Übrigen entspricht die Ausgestaltungsmöglichkeit nach 4 sonst der Variante nach 2 und 3, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Des Weiteren zeigt 5 eine schematische Ansicht eines Getriebes G entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Dabei kann auch diese Ausführungsform bei dem Kraftfahrzeugantriebsstrang in 1 zur Anwendung kommen, wobei die Ausführungsform im Wesentlichen der vorhergehenden Variante nach 4 entspricht. Einziger Unterschied ist dabei, dass die Elektromaschine EM nun axial zwischen der Anschlussstelle GWA-A der Abtriebswelle GWA und dem Planetenradsatz P1 vorgesehen ist, wobei die Elektromaschine EM dabei radial innen liegend zum Planetensteg PT' angeordnet ist. Zudem sind das Sonnenrad SO’ und das Hohlrad HO' über ein Axiallager AL axial aneinander abgestützt, wobei das Axiallager AL hierbei nicht weiter dargestellt ist. Ansonsten entspricht die Ausführungsform nach 5 der Variante nach 4, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Aus 6 geht eine tabellarische Darstellung unterschiedlicher Betriebsmodi 1 bis 6 des Kraftfahrzeugantriebsstranges aus 1 hervor, in welchem eines der Getriebe G nach den 2 bis 5 vorgesehen ist. In den Spalten der Tabelle in 6 ist dabei jeweils mit einem X gekennzeichnet, ob über die Elektromaschine EM bzw. die Verbrennungskraftmaschine VKM angetrieben wird und ob sich das erste Schaltelement A bzw. das zweite Schaltelement B in einem geschlossenen Zustand befindet.
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Zudem sind in den 7 und 8 Drehzahlverhältnisse zwischen den Antriebswellen GW1 und GW2 und der Abtriebswelle GWA in den Betriebsmodi 1 bis 5 dargestellt, wobei das Diagramm in 7 die Drehzahlverhältnisse für das Getriebe G aus den 2 und 3 zeigt, während im Diagramm nach 8 die Drehzahlverhältnisse für die Getriebe G aus den 4 und 5 wiedergegeben sind.
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Entsprechend der Tabelle in 6 ist in einem ersten Betriebsmodus 1 das erste Schaltelement A geschlossen, so dass in der Folge die zweite Antriebswelle GW2 und damit auch die Verbrennungskraftmaschine VKM festgesetzt ist. Gleichzeitig wird dabei über die Elektromaschine EM angetrieben, wobei die Elektromaschine dabei eine Drehbewegung einleitet, die eine Rückwärtsfahrt des Kraftfahrzeuges zur Folge hat. Insofern wird in dem ersten Betriebsmodus 1 eine elektrische Rückwärtsfahrt realisiert.
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Auch beim zweiten Betriebsmodus 2 ist das erste Schaltelement A geschlossen, während ein Antrieb über die Elektromaschine EM erfolgt. Allerdings wird in diesem Fall durch die Elektromaschine EM eine Drehbewegung erzeugt, welche ein Anfahren des Kraftfahrzeuges in Vorwärtsrichtung zur Folge hat. Dementsprechend wird im Falle des zweiten Betriebsmodus 2 eine elektrische Anfahrfunktion dargestellt.
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Vom zweiten Betriebsmodus 2 wird in den dritten Betriebsmodus 3 übergegangen, indem das erste Schaltelement A geöffnet und das zweite Schaltelement B geschlossen wird, was ein Verblocken des Planetenradsatzes P1 nach sich zieht. Hierdurch kann über dem Planetenradsatz P1 im Vergleich zum zweiten Betriebsmodus 2 die Abtriebsdrehzahl zur Abtriebswelle GWA gesteigert werden, wie auch aus den Diagrammen in 7 und 8 jeweils ersichtlich ist. Zudem kann im Zuge des dritten Betriebsmodus 3 auch bei Bremsvorgängen und bei Betrieb der Elektromaschine als Generator ein Rekuperieren elektrische Energie stattfinden.
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In einem vierten Betriebsmodus 4 wird dann gleichzeitig über die Elektromaschine EM und die Verbrennungskraftmaschine VKM angetrieben, wobei hierbei weder das erste Schaltelement A noch das zweite Schaltelement B geschlossen sind. In diesem Fall arbeitet der Planetenradsatz P1 dann als Summierstufe, über welchen die an den Antriebswellen GW1 und GW2 eingespeisten Antriebsleistungen zu der Abtriebswelle GWA aufsummiert werden. In diesem Betriebsmodus wäre es aber auch denkbar, dass die Elektromaschine EM als Generator arbeitet, wobei dann in diesem Fall eine an der zweiten Antriebswelle GW2 eingespeiste Antriebsbewegung auf die Abtriebswelle GWA und die erste Antriebswelle GW1 aufgeteilt wird.
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Im Rahmen eines fünften Betriebsmodus 5 findet dann ein rein verbrennungsmotorisches Fahren über die Verbrennungskraftmaschine VKM statt, indem über die Verbrennungskraftmaschine VKM angetrieben wird und der Planetenradsatz P1 durch Schließen des zweiten Schaltelements B verblockt ist. Auch in diesem Fall wäre ein generatorischer Betrieb der Elektromaschine EM denkbar, um elektrische Energie zu erzeugen.
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Es ist zudem ein sechster Betriebsmodus 6 denkbar, in welchem ein Anfahren über die Verbrennungskraftmaschine VKM realisiert wird. In diesem Fall ist dann das zweite Schaltelement B schlupfend zu schließen, d.h. das zweite Schaltelement B arbeitet in diesem Fall als Anfahrelement.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausführungsformen eines Getriebes G können bei Anwendung bei einem Hybridfahrzeug unterschiedliche Betriebsmodi auf kompakte Art und Weise verwirklicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- G
- Getriebe
- GG
- Drehfestes Bauelement
- P1
- Planetenradsatz
- E11
- Erstes Element des Planetenradsatzes
- E21
- Zweites Element des Planetenradsatzes
- E31
- Drittes Element des Planetenradsatzes
- SO
- Sonnenrad
- PT
- Planetensteg
- PR
- Planetenrad
- HO
- Hohlrad
- SO'
- Sonnenrad
- PT'
- Planetensteg
- HO'
- Hohlrad
- A
- Erstes Schaltelement
- B
- Zweites Schaltelement
- GW1
- Erste Antriebswelle
- GW2
- Zweite Antriebswelle
- GW2-A
- Anschlussstelle
- GWA
- Abtriebswelle
- GWA-A
- Anschlussstelle
- EM
- Elektromaschine
- S
- Stator
- R
- Rotor
- VKM
- Verbrennungskraftmaschine
- TS
- Torsionsschwingungsdämpfer
- AG
- Differentialgetriebe
- DW
- Antriebsräder
- AL
- Axiallager
- P
- Pumpe
- 1
- Erster Betriebsmodus
- 2
- Zweiter Betriebsmodus
- 3
- Dritter Betriebsmodus
- 4
- Vierter Betriebsmodus
- 5
- Fünfter Betriebsmodus
- 6
- sechster Betriebsmodus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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