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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit Zwei-Gang-Getriebe für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, mit einer mit einer elektrischen Maschine verbindbaren Eingangswelle zum Einleiten eines Drehmoments, einer mit einem Antriebsrad verbindbaren Ausgangswelle zum Ausleiten des Drehmoments, einer ersten Gangstufe zur Übersetzung einer Drehzahl der Eingangswelle an die Ausgangswelle mit einem ersten Übersetzungsverhältnis, mit einem ersten antreibenden Zahnrad und einem ersten angetriebenen Zahnrad, einer zweiten Gangstufe zur Übersetzung einer Drehzahl der Eingangswelle an die Ausgangswelle mit einem zum ersten Übersetzungsverhältnis verschiedenen zweiten Übersetzungsverhältnis, mit einem zweiten antreibenden Zahnrad und einem zweiten angetriebenen Zahnrad, und einem Freilauf, der dem ersten antreibenden Zahnrad oder dem ersten angetriebenen Zahnrad zugeordnet ist. Die Erfindung ist für elektrounterstützte (Hybrid) und rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge (zum Beispiel mit Batterie) geeignet, also für Zweiräder, wie Fahrräder, Mopeds, Motorroller (Scooter) oder Motorräder, für Dreiräder, wie Rikschas, oder für „normale“ Fahrzeuge mit vier Rädern, vom Leichtfahrzeug bis zum Kleintransporter.
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Elektrisch angetriebene Fahrzeuge sind umweltfreundlich und effizient. Elektromotoren bieten bereits ab niedrigsten Drehzahlen ein hohes Drehmoment. Elektrische Kleinfahrzeuge, wie Zwei- oder Dreiräder, sind häufig mit einem Getriebe mit einer einzigen, festen Übersetzung oder mit Radnabenmotor(en) ausgestattet, um so die Masse des Antriebsstrangs, sein Volumen, seine Verluste und die Kosten gering zu halten. Aufgrund des Drehmoments und der Geschwindigkeitscharakteristik von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) haben diese Fahrzeuge ein gutes Drehmoment beim langsamen Fahren auf Kosten der erreichbaren Endgeschwindigkeit. Um beides zu erreichen - hohes Drehmoment und gute Steigfähigkeit beim Langsamfahren und hohe Endgeschwindigkeit beim Schnellfahren - wäre ein größerer Motor notwendig, der wiederum Nachteile beim Gewicht und den Kosten hat.
Es bietet sich daher an, statt eines größeren Motors ein Zweiganggetriebe vorzusehen. Um eine große Drehmoment- und Drehzahlspreizung zu erreichen, kann also ein Zwei-Gang-Getriebe vorgesehen sein, das unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse bereitstellt. So kann in einem niedrigen Drehzahlbereich ein hohes Übersetzungsverhältnis vorgesehen sein, um zum Beschleunigen ein möglichst hohes Drehmoment bereitzustellen, während in einem hohen Drehzahlbereich ein niedriges Übersetzungsverhältnis vorgesehen sein kann, um eine möglichst hohe Fahrzeuggeschwindigkeit realisieren zu können. Im Vergleich zu Direktantrieben oder Antrieben mit einer Gangstufe halten Zwei-Gang-Getriebe den Motor in seinem effizientesten Bereich über weite Strecken jedes Fahrzyklusses. Dies sorgt auch für weniger Verbrauch.
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Bei Kleinfahrzeugen erfolgt die Kraftübertragung oft über Ketten oder Riemen. Dabei ist der Motor mechanisch mit dem Antriebsrad verbunden, was dazu führt, dass beim Gaswegnehmen oder Bergabfahren die Motordrehzahl ansteigt. Bei Elektroantrieben kann diese Drehbewegung zur Energierückgewinnung (Rekuperation) genutzt werden, wenn dann der Motor als Generator arbeitet und die Batterie lädt.
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Aus der
EP 2 305 501 A1 ist ein Antriebsstrang mit einem Zweiganggetriebe für elektrische Fahrzeuge bekannt, mit einer mit einer elektrischen Maschine verbindbaren Eingangswelle zum Einleiten eines Drehmoments, einer mit einem Antriebsrad verbindbaren Ausgangswelle zum Ausleiten des Drehmoments, einer ersten Gangstufe zur Übersetzung einer Drehzahl der Eingangswelle an die Ausgangswelle mit einem ersten Übersetzungsverhältnis, mit einem ersten antreibenden Zahnrad und einem ersten angetriebenen Zahnrad, einer zweiten Gangstufe zur Übersetzung einer Drehzahl der Eingangswelle an die Ausgangswelle mit einem zum ersten Übersetzungsverhältnis verschiedenen zweiten Übersetzungsverhältnis, mit einem zweiten antreibenden Zahnrad und einem zweiten angetriebenen Zahnrad, und einem Freilauf, der dem ersten antreibenden Zahnrad oder dem ersten angetriebenen Zahnrad zugeordnet ist. Dieser Antriebsstrang bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1. Das Getriebe des Standes der Technik enthält allerdings zwei zu bedienende Reibungskupplungen und einen separaten Sicherungsring, so dass es relativ groß baut und der Gangwechsel relativ kompliziert ist.
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Beim Hochschalten mechanischer Zwei-Gang-Getriebe wird normalerweise das Gas (bei elektrischen Antrieben genauer gesagt, die elektrische Leistung zum Motor) weggenommen, um das Schalten zu ermöglichen. Der Gangwechsel braucht eine gewisse Zeit. Die dabei auftretende kurzfristige Unterbrechung der Leistungszufuhr zum Antriebsrad und das daraus resultierende Langsamennrerden führen zu einem sogenannten Schaltruck und einem nicht sehr angenehmen Ruck-Gefühl für den Fahrer.
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Die
DE 10 2018 102 266 A1 beschreibt ein Zwei-Gang-Getriebe für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer, mit einer elektrischen Maschine verbindbaren Eingangswelle zum Einleiten eines Drehmoments, einer mit einem Antriebsrad verbindbaren Ausgangswelle zum Ausleiten des Drehmoments, einer niedrigen ersten Gangstufe zur Übersetzung einer Drehzahl der Eingangswelle. Die erste Gangstufe weist ein mit der Eingangswelle über einen Freilauf angekoppeltes erstes Eingangsrad auf, wobei der Freilauf bei einem Überholen der Eingangswelle drehmomentübertragend sperrt und bei einem überholen des ersten Eingangsrads eine Drehmomentübertragung unterbricht. Die zweite Gangstufe weist ein mit der Eingangswelle über eine Fliehkraftkupplung angekoppeltes zweites Eingangsrad auf.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen aufzuzeigen, die bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug zu einem kompakten Antriebsstrang mit Zwei-Gang-Getriebe führen, der einen möglichst ruckfreien Gangwechsel erlaubt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Zwei-Gang-Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Antriebsstrang mit einem Zweiganggetriebe für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit einer mit einer elektrischen Maschine verbindbaren Eingangswelle zum Einleiten eines Drehmoments, einer mit einem Antriebsrad verbindbaren Ausgangswelle zum Ausleiten des Drehmoments, einer ersten Gangstufe zur Übersetzung einer Drehzahl der Eingangswelle an die Ausgangswelle mit einem ersten Übersetzungsverhältnis, mit einem ersten antreibenden Zahnrad und einem ersten angetriebenen Zahnrad, einer zweiten Gangstufe zur Übersetzung einer Drehzahl der Eingangswelle an die Ausgangswelle mit einem zum ersten Übersetzungsverhältnis verschiedenen zweiten Übersetzungsverhältnis, mit einem zweiten antreibenden Zahnrad und einem zweiten angetriebenen Zahnrad, einem Freilauf, der dem ersten antreibenden Zahnrad oder dem ersten angetriebenen Zahnrad zugeordnet ist, mit einer Synchronisiervorrichtung, wobei der Freilauf und die Synchronisiervorrichtung beide auf der gleichen Welle angeordnet sind.
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Das erfindungsgemäße Zwei-Gang-Getriebe ist dank des Verzichts auf zwei Reibungskupplungen einfacher aufgebaut und kann damit kleiner und kompakter gebaut werden. Das Getriebe ist kleiner, leichter, billiger und weniger komplex. Das Einsparen von Masse ist vorteilhaft. Das Schalten geht einfacher, da auf ein separates Sicherungsringsystem verzichtet werden kann. Die Erfinder haben erkannt, dass diese einfache, erfindungsgemäße Lösung mit Synchronisationsvorrichtung ein sanftes, ruckfreies Schalten ermöglicht, das mechanisch erfolgen kann, bevorzugt aber automatisiert durchgeführt werden kann. Das Schalten geht sanft und übergangslos und nur mit minimaler Zugkraftunterbrechung, ob mechanisch oder automatisch geschaltet wird. Da nicht zwei oder drei Elemente beim Schalten zu bedienen sind, reicht ein einziger einfacher elektrischer, elektromechanischer, elektronischer (electronic actuating motor) oder hydraulischer Stellmotor, um den Gangwechsel durchzuführen.
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Mit der vorgeschlagenen Erfindung kann ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV, Battery Electric Vehicle) realisiert werden, das viele Vorteile bezüglich des reduzierten Energieverbrauches, der Erhöhung des Fahrkomforts, der Steigungsfähigkeit und der Höchstgeschwindigkeit bietet. Mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang gelingt das, ohne dass zusätzliche schwere Bauteile benötigt werden, neben dem Rekuperationsmodus auch noch einen Segelmodus anzubieten, der ein noch mal sparsameren, wirtschaftlicheren und angenehm zu fahrenden Antrieb ergibt, weil der Motor beim Langsamerwerden nicht hochgedreht wird, sondern leerläuft. Kinetische Energie muss nicht gewandelt werden, was immer Verluste bringt, sondern kann direkt zum sparsamen Gleiten verwendet werden.
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Das Vermeiden einer Schaltlücke (ununterbrochener Kraftfluss beim Gangwechsel) erhöht die Leistung und bietet ein überlegenes Fahrgefühl. Die erfindungsgemäße Integration von Freilauf und Synchronisiervorrichtung führt zu einem ruckfreien, sanften automatischen Schaltvorgang. Mit dem neuen Getriebe kann der Antriebsstrang elektrisch kleiner ausgelegt werden und erreicht trotzdem hohes Drehmoment, was zu einer Fahrzeugcharakteristik mit hoher Energieeffizienz führt.
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Beim Hochschalten vom ersten in den zweiten Gang greift erfindungsgemäß der Freilauf des ersten Ganges noch und überträgt Drehmoment bis der zweite Gang komplett eingelegt ist. Die relativ preiswerte Synchronisiervorrichtung hilft beim Synchronisieren der Geschwindigkeiten. Der Freilauf wird dann „überholt“, wenn der zweite Gang eingelegt ist. Die erfindungsgemäße Kombination von Freilauf und Synchronisiervorrichtung verhilft zu einem schnelleren Schalten mit nur minimalen Zugkraftverlusten.
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In dieser Erfindung wird also ein Antriebsstrang für ein batterieelektrisches Fahrzeug vorgeschlagen, der mit einem Freilauf für den ersten Gang und einer wie eine Kupplung wirkenden Synchronisiervorrichtung für den zweiten Gang ausgestattet ist. Er erlaubt händischen und automatischen Gangwechsel und zeigt Vorteile beim niedrigeren Energieverbrauch und beim erhöhten Fahrkomfort, wobei die Vorteile des schnelleren Anfahrens, der höheren Steigfähigkeit und der hohen Endgeschwindigkeit eines Zwei-Gang-Getriebes erhalten bleiben. Erfindungsgemäß wird auf eine (oder wie beim Stand der Technik zwei) Reibungskupplung(en) verzichtet, was den Antriebsstrang kleiner, leichter und billiger macht.
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Im Rahmen der Erfindung sind die Synchronisiervorrichtung und der Freilauf beide auf einer Welle, nämlich auf der Eingangswelle oder auf der Ausgangswelle, anordnet. Erfindungsgemäß sind weiterhin das erste antreibende Zahnrad und das zweite antreibende Zahnrad Festräder auf einer Welle.
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Bevorzugt ist es aber, Kupplung und Freilauf auf der Ausgangswelle vorzusehen. Dann kann die Eingangswelle besonders einfach aufgebaut sein und das erste antreibende Zahnrad und das zweite antreibende Zahnrad als Festräder enthalten.
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Erfindungsgemäß wird also ein kupplungsfreier Antriebsstrang mit Elektromotor und einer Art Klauenschaltung mit zwei Gängen vorgeschlagen. Statt einer Kupplung wird eine an sich bekannte Synchronisiervorrichtung, die wie eine Kupplung, Sperreinrichtung oder Sperrklinke arbeiten kann, verwendet. Schaltphasen wie „Motor im Freilauf“, „Schaltaktuator an“, „Gang einlegen“ oder „Geschwindigkeitssynchronisierung“ sind möglich.
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Bevorzugt ist der Freilauf in das erste angetriebene Zahnrad integriert, indem die Nabe des Freilaufes auch die Nabe des Zahnrades ist. Dies führt zu einer besonders kompakten Ausführung.
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Noch platzsparender und kompakter ist der Aufbau, wenn die Synchronisiervorrichtung in das zweite angetriebene Zahnrad integriert ist, indem die Nabe der Synchronisiervorrichtung auch die Nabe des zweiten angetriebenen Zahnrades ist.
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Als Synchronisiervorrichtung kann jede dafür bekannt Ausführung aus dem Getriebebau oder der Fahrzeugtechnik verwendet werden. In der Getriebetechnik versteht man unter dem Begriff Synchronisierung das Angleichen der Drehzahlen von Schaltmuffe und Gangrad. Ein Gangwechsel kann nur stattfinden, wenn das in Eingriff zu bringende Losrad des zu schaltenden Ganges und die Welle, auf der dieses Losrad sitzt, die gleiche Drehzahl haben, damit ein Formschluss erreicht werden kann (in der Regel mit ineinander greifenden Klauen). Der Gangwechsel erfolgt so also ohne Zwischengas. In einer bevorzugten Ausführung arbeitet die Synchronisiervorrichtung mittels Reibung.
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Bevorzugt erfolgt die Angleichung der Drehzahlen durch Reibung zwischen einem konischen Synchronring, der über einen Synchronkörper mit der Welle gekoppelt ist, und einem Konus auf dem Gangrad, solange sich Gangrad und Welle unterschiedlich schnell drehen. Das entstehende Reibmoment verdreht den Synchronring um ca. die halbe Teilung der Schaltverzahnung so lange, bis Welle und Gangrad die gleiche Drehzahl aufweisen. Die an sich bekannte Synchronisiervorrichtung wird hier also wie eine Art Kupplung eingesetzt. Da solche Bauteile bekannt, preiswert und vielfach bewährt sind, hat der erfindungsgemäße Antriebsstrang relativ niedrige Herstellkosten und verspricht eine hohe Lebensdauer.
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Bevorzugt enthält die Synchronisiervorrichtung eine Schaltmuffe. Eine Schaltmuffe ist ein innen verzahnter Metallring, der den Gang im Getriebe durch formschlüssige Verbindung zwischen dem auf der Welle befestigten Rad und dem jeweiligen Zahnrad herstellt. Über den Schalthebel und das Schaltgestänge (oder automatisch) wird eine Schaltgabel betätigt, die die Schaltmuffe in ihrer Bewegung längs der Welle mitnimmt und den Gang einlegt.
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Das Zwei-Gang-Getriebe kann von Hand oder Fuß des Fahrers mechanisch geschaltet werden. In einer bevorzugten Ausführung schaltet das Zwei-Gang-Getriebe in Abhängigkeit von Motordrehzahl, Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Beschleunigung automatisch. Es kann dazu eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die dazu ausgestaltet ist, automatisch einen Gangwechsel vorzunehmen, wenn eine bestimmte vordefinierte Schwellfahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs überschritten und/oder unterschritten ist und/oder wenn ein bestimmtes vordefiniertes Schwelldrehmoment der Eingangswelle überschritten und/oder unterschritten ist. Dadurch kann für die jeweilige Fahrsituation jeweils automatisch eine geeignete Übersetzung geschaltet werden, ohne dass der Fahrer des Kraftfahrzeugs dies manuell veranlassen muss.
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In einer bevorzugten Ausführung bietet der erfindungsgemäße Antriebsstrang die beiden Modi Rekuperation und Segeln. Das Einlegen des Rekuperationsmodus und/oder Segelmodus erfolgt bevorzugt durch Betätigung der Synchronisiervorrichtung.
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Der erfindungsgemäße Wechsel zwischen Rekuperationsmodus und Segelmodus kann entweder vom Fahrer willentlich initiiert werden oder er kann automatisch erfolgen. Dazu ist dann entweder ein Bedienelement für den Fahrer vorgesehen oder es ist eine automatische Steuerung zum selbsttätigen Einlegen der unterschiedlichen Modi vorgesehen.
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Bevorzugt kann das Bedienelement ein eigener Schalter, ein Kupplungshebel, ein Gashebel oder eine Bremsbetätigung sein. So kann zum Beispiel ein kleiner Druckschalter oder Wählhebel an der Lenkstange im Griffbereich des Fahrers vorgesehen sein, mit dem der Modus eingelegt oder gewechselt wird. Das Einlegen oder Ausschalten der Modi kann aber auch mit einem Kupplungshebel, einen Gashebel oder eine Bremsbetätigung gekoppelt sein. Die Begriffe Kupplungshebel, Gashebel oder Bremsbetätigung meinen hier nicht nur von Hand bediente Elemente, sondern auch solche, die zum Beispiel mit dem Fuß betätigt werden. Die Kupplung kann also, wie bei vielen Zweirädern, mit einem Handhebel (und Seilzug) oder mit einem Fußhebel betätigt werden. Das „Gas“ kann mittels Drehgriff oder mit einem Gaspedal betätigt werden. Das Wort Gas ist hier in Anführungszeichen geschrieben, da bei einer elektrischen Maschine (Elektromotor) kein Gasgemisch zugeführt wird, sondern die Spannung und/oder die Stromstärke des Motorstroms geändert wird. Gemeint ist mit Gasgeben die Hochregelung der Leistung des Elektromotors und mit Gaswegnehmen die Reduzierung der Leistung. Für die Bremsbetätigung gilt das Gleiche wie für die Kupplung, sie kann von Hand über einen oder zwei Bremshebel an der Lenkstange oder von einem Fuß über ein Bremspedal bedient werden.
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Bei Verwendung einer automatischen Steuerung zur Auswahl der Modi Segeln oder Rekuperation kann diese Steuerung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Drehzahl des Antriebsrads, der Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Fahrzeugbeschleunigung (positiv beim Schnellerwerden, negativ beim Langsamerwerden) arbeiten. Erkennt die Steuerung zum Beispiel, dass der Fahrer vom Gas geht und nicht mehr weiter beschleunigen will, kann die Steuerung den Segelmodus einlegen, damit das Fahrzeug weiter ohne großen Energieverbrauch und ohne Bremsen weiterrollt. Erkennt die Steuerung, dass der Fahrer bremsen will, kann sie den Rekuperationsmodus einlegen, damit die überschüssige kinetische Energie nicht in der Bremse zu Wärme umgewandelt wird, sondern im als Generator arbeitenden Elektromotor zu elektrischer Energie umgewandelt wird, die in der Batterie gespeichert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird also eine selektive Rekuperationsstrategie für Kleinfahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb vorgeschlagen, bei der es möglich ist, beim Langsamerwerden oder beim Bergabfahren zu rekuperieren oder aber selektiv zu rekuperieren, also zum Beispiel nur beim Bremsen, aber beim Segeln dafür nicht zu rekuperieren, und so ein Gleiten zu erlauben.
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Bevorzugt hilft die Stellung des Bremspedals oder Bremshebels bei der Entscheidung zwischen Rekuperation und Segeln. Langsamerwerden ohne Bremsbetätigung wird bevorzugt zum Segeln verwendet, so dass die Energieumwandlungsverluste beim Rekuperieren (Umwandlung der kinetischen Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie und dann Zurückverwandlung in mechanische Energie) wegfallen. Langsamerwerden mit Bremsbetätigung wird bevorzugt zum Rekuperieren verwendet, denn hier erkennt die Steuerung, dass der Fahrer langsamer werden will und schaltet in den Rekuperationsmodus, der die kinetische Energie des Fahrzeugs zu elektrischer Energie umwandelt, die gespeichert wird, und nicht einfach zu Wärme in der Bremse. So wird auch die mechanische Bremse geschont.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: schematisch einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang mit Zwei-Gang-Getriebe,
- 2: das Zwei-Gang-Getriebe der 1
- 3: das Zwei-Gang-Getriebe der 1 im ersten Gang,
- 4: das Zwei-Gang-Getriebe der 1 im zweiten Gang,
- 5 eine Strategie für den Start des Fahrzeugs,
- 6 eine Strategie für das Hochschalten des Antriebsstrangs und
- 7 eine Strategie für das Segeln oder Rekuperieren.
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Das in 1 dargestellte Antriebsstrang mit Zwei-Gang-Getriebe 10 weist eine Eingangswelle 12 auf, die drehfest mit einer Motorwelle einer elektrischen Maschine 32 (Elektromotor) eines Kraftfahrzeugs verbunden sein kann. Die Eingangswelle 12 kann über eine erste Gangstufe 14 und eine zweite Gangstufe 16 mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen mit einer Ausgangswelle 18 gekoppelt werden, um ein mit der Ausgangswelle 18 gekoppeltes Antriebsrad des Kraftfahrzeugs anzutreiben. Auf der Ausgangswelle 18 ist dazu eine Rolle 40 vorgesehen, die das Drehmoment über einen nicht gezeigten (Keil-) Riemen an das Antriebsrad leitet. Möglich ist ebenso die Verwendung von Kettenrädern und einer Kette. Ebenso möglich ist die Verwendung weiterer Getriebe, wie Untersetzungen oder bei Drei- oder Vierrädern Differentiale, im Antriebsstrang zum Rad. Die erste Gangstufe 14 weist ein erstes angetriebenes Zahnrad 20 auf, das als Festrad auf der Eingangswelle 12 angeordnet ist und mit einem mit der Ausgangswelle 18 verbundenen ersten angetriebenen Zahnrad 22 kämmt. Die zweite Gangstufe 16 weist ein zweites antreibendes Zahnrad 24 auf, das als Festrad auf der Eingangswelle 12 angeordnet ist und mit einem mit der Ausgangswelle 18 verbundenen zweiten angetriebenen Zahnrad 26 kämmt. Zwischen den Zahnräderpaaren (20, 22 und 24, 26) befindet sich die von einer Schaltgabel bediente (also nach links und rechts axial verschiebbare) Schaltklaue 38.
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Zur näheren Beschreibung des erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebes 10 wird nun auf 2 verwiesen, die einen schematischen Schnitt durch das Zwei-Gang-Getriebe 10 zeigt. Auf der Ausgangswelle 18 befinden sich erfindungsgemäß der Freilauf 28 und die Synchronisiervorrichtung 30 mit einem Synchronring 36. Gezeigt sind auch die Lagerbuchse 34. Der Doppelpfeil in der 2 oben deutet an, dass die Schaltklaue 38 von der schwarz gezeichneten Schaltgabel nach oben und nach unten bewegt werden kann.
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Zur Erläuterung der Funktion des erfindungsgemäßen Getriebes 10 zeigt 3 den Kraftfluss (gestrichelt) im ersten Gang. Der elektrische Motor 32 treibt die Eingangswelle 12 mit den beiden Festrädern 20 und 24. Auf der Ausgangswelle 18 befinden sich die beiden angetriebenen Zahnräder 22 und 26. Die Schaltklaue 38 befindet sich in ihrer oberen Stellung, das heißt, die Synchronisiervorrichtung 30 ist offen, sie drückt den Synchronring 36 nicht nach unten und überträgt kein Drehmoment. Sie erlaubt so unterschiedliche Drehzahlen zwischen der Ausgangswelle 18 und dem zweiten angetriebenen Zahnrad 26. Das Drehmoment des Motors 32 fließt daher bei der geöffneten Synchronisiervorrichtung 30 über die ersten Zahnräder 20 und 22 der ersten Gangstufe 14. Das Zahnrad 22 leitet die Drehbewegung über den in Antriebsrichtung sperrenden - also drehmomentübertragenden - Freilauf 28 auf sein Gehäuse und damit auf die Ausgangswelle 18, wie die gestrichelten Linien zeigen.
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4 zeigt den Kraftfluss des erfindungsgemäßen Getriebes 10 der 1 im zweiten (schnelleren) Gang. Der Motor 32 treibt die Eingangswelle 12 mit den beiden Festrädern 20 und 24 (Kraftfluß durch gestrichelte Linie angedeutet). Die Schaltklaue 38 befindet sich in ihrer unteren Stellung, das heißt, die Synchronisiervorrichtung 30 ist geschlossen, sie drückt den Synchronring 36 nach unten und überträgt über Reibungskräfte Drehmoment. Sie erlaubt so keine unterschiedlichen Drehzahlen zwischen der Ausgangswelle 18 und dem zweiten angetriebenen Zahnrad 26. Das Drehmoment des Motors 32 fließt nun über die Synchronisiervorrichtung 30 von den zweiten Zahnrädern 24 und 26 der zweiten Gangstufe 16 auf die Ausgangswelle 18, wie die gestrichelten Linien zeigen. Der Freilauf 28 wird nun überrollt oder überholt, da die Drehzahl über die zweite Gangstufe 16 der Zahnräder 24 und 26 schneller ist als die Drehzahl der ersten Gangstufe 14 der Zahnräder 20 und 22. Der Freilauf 28 wird hier von außen - überrollend oder überholend - angetrieben, im Gegensatz zu der Stellung in 3, wo die Kraft oder das Drehmoment von innen kommen, also die Sperrwirkung nutzen. Die erfindungsgemäße Integration von Freilauf 28 und Synchronisiervorrichtung 30 auf einer Welle 18 führt also zu einem sehr kompakten Design. Das langsame Einkuppeln der Synchronisiervorrichtung 30 und das langsame Überrollen des Freilaufs 28 führen zu einem sanften Gangwechsel ohne Ruck.
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Der in 4 gezeigte Modus des zweiten Ganges gilt auch für den Betriebsmodus Rekuperieren im zweiten Gang oder wenn das Fahrzeug rückwärts gezogen wird. Da die Synchronisiervorrichtung 30 geschlossen ist, fließt die Kraft beim Gaswegnehmen vom Antriebsrad über die Ausgangswelle 18 und die geschlossene Synchronisiervorrichtung 30 zum zweiten angetriebenen Zahnrad 26 und von dort zum zweiten antreibenden Zahnrad 24 und über die Eingangswelle 12 zum Motor 32, der jetzt als Generator arbeitet. Der Freilauf 28 wird überholt, er schlupft.
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Wenn der Fahrer oder die Automatik nun die Synchronisiervorrichtung 30 öffnen würden (nicht in 4 gezeigt), würde kein Drehmoment zurückgeleitet, das Fahrzeug befände sich dann im Segelmodus. Der Freilauf 28 ist offen, die Synchronisiervorrichtung 30 ist offen, das Fahrzeug kann gleiten - beim Bergabfahren sogar schneller werden - ohne dass die elektrische Maschine 32 sich dreht oder gedreht wird oder Energie aufnimmt. Kinetische Energie bleibt ungewandelt erhalten.
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Nachfolgend einige Vorteile einer automatischen Schaltung: Während des Hochschaltens vom ersten zum zweiten Gang wird die Synchronisiervorrichtung 30 also zunehmend betätigt bis das übertragene Drehmoment dem Motordrehmoment entspricht. Das Motordrehmoment wird dann reduziert, um die Motordrehzahl der Übersetzung im zweiten Gang anzupassen. Daraus erfolgt ein Überrennen/Überholen des Freilaufs 28. Sanftes Einlegen und Herausnehmen der Synchronisiervorrichtung 30 hilft erfindungsgemäß, das Eingreifen oder Loslassen des Freilaufs 28 zu dämpfen und reduziert jeglichen Ruck. Die sanft arbeitende automatische Übersetzung zwischen zwei Gängen wird durch Integration der Synchronisiervorrichtung 30 mit dem Freilauf 28 erreicht. Diese schnell synchronisierte, sanfte Kuppeln führt zu einer schmäleren/kürzeren Rutsch- oder Gleitphase beim Gangwechsel.
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5 zeigt eine mögliche Startstrategie oder Anfahrstrategie für einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang, die zum Beispiel automatisch ablaufen kann. Im ersten Schritt wird der Motor 32 mit Leistung versorgt. Dann erfolgt die Entscheidung, ob Gas gegeben wird, der Gashebel oder -drehgriff also einen bestimmten Betrag betätigt wird, zum Beispiel mehr oder weniger als 0 %, und ob die Geschwindigkeit einen bestimmten Schwellwert, zum Beispiel 1 Stundenkilometer, überschreitet. Falls nein, wird weiter im ersten Gang, also bei hohem Drehmoment, gefahren. Falls ja, wird die Synchronisierung geöffnet, also die Schaltklaue ausgekuppelt. Danach checkt die Automatik, ob die Drehmomentübertragung über den ersten Gang erfolgt. Wenn nein, geht es in einer Schleife zurück zur Synchronisierungsbetätigung. Wenn ja, startet das Fahrzeug über den Freilauf 28.
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6 zeigt eine mögliche Strategie für das Hochschalten. Der Start des Programms beginnt im ersten Gang. Dann erfolgt die Entscheidung, ob ein bestimmter Schwellwert des Gasgebens, zum Beispiel 50 %, unter- oder überschritten wird, und ob die aktuelle Geschwindigkeit einen bestimmten Schwellwert, zum Beispiel 40 Stundenkilometer, überschreitet. Falls nein, wird weiter im ersten Gang gefahren. Falls ja, werden die Motorleistung, die Motorgeschwindigkeit oder die Motordrehzahl synchronisiert. Dann wird die Synchronisiervorrichtung 30 betätigt, die Schaltklaue 38 kuppelt ein. Danach wird entschieden, ob die Synchronisiervorrichtung 30 geschlossen ist, also die Schaltklaue 38 betätigt oder nicht. Bei Nein geht eine Schleife zur Schaltklauenbetätigung zurück. Bei Ja, also geschlossener Synchronisiervorrichtung 30, befindet sich das Fahrzeug im gewünschten zweiten Gang.
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7 zeigt eine mögliche Strategie für des Rekuperieren oder Segeln des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, zum Beispiel im ersten Gang. Der Start ist wieder der normale Betrieb im ersten Gang. Dann kommt die Entscheidung, ob das Fahrzeug langsamer wird oder ob die Gashebelstellung größer oder kleiner einem bestimmten Grenzwert x% ist. Bei Nein erkennt die Automatik, dass der Fahrer langsamer bleiben will, und bleibt im ersten Gang. Bei Ja wird geprüft, wie der Bremshebel steht. Ist seine Stellung kleiner oder größer als ein bestimmter Grenzwert, zum Beispiel 5 %, wird erkannt, dass der Fahrer nicht bremsen will, sondern weitergleiten oder segeln will. Bei Ja wird die Motorleistung angesteuert/reduziert oder auf null gefahren und das Fahrzeug befindet sich im Segelmodus (Gleiten ohne die elektrische Maschine 32 durch rückgeführte Bewegungsenergie zu drehen). Bei Nein wird die Synchronisierbetätigung eingeschaltet. Dann wird geprüft, ob die Schaltklaue 38 voll geschlossen ist. Bei Nein geht es eine Schleife zurück zur Schaltklauen- oder Synchronisierbetätigung. Bei Ja, also bei geschlossener Synchronisiervorrichtung 30, befindet sich das Fahrzeug im Rekuperationsmodus. Die kinetische Energie des Fahrzeugs fließt über das Antriebsrad zurück zu der als Generator arbeitenden elektrischen Maschine 32 und erzeugt dort elektrische Spannung, die in der Batterie gespeichert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zwei-Gang-Getriebe
- 12
- Eingangswelle
- 14
- erste Gangstufe
- 16
- zweite Gangstufe
- 18
- Ausgangswelle
- 20
- erstes antreibendes Zahnrad
- 22
- erstes angetriebenes Zahnrad
- 24
- zweites antreibendes Zahnrad
- 26
- zweites angetriebenes Zahnrad
- 28
- Freilauf
- 30
- Synchronisiervorrichtung
- 32
- elektrische Maschine
- 34
- Lagerbuchse
- 36
- Synchronring
- 38
- Schaltklaue
- 40
- Rolle
