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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Elektromaschine, eine erste Antriebswelle, eine zweite Antriebswelle, eine Abtriebswelle, sowie einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz, wobei die Planetenradsätze jeweils mehrere Elemente umfassen, wobei ein erstes, ein zweites, ein drittes, ein viertes, ein fünftes und ein sechstes Schaltelement vorgesehen sind, und wobei ein Rotor der Elektromaschine mit der zweiten Antriebswelle in Verbindung steht. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, in welchem ein vorgenanntes Getriebe zur Anwendung kommt, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebes.
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Bei Hybridfahrzeugen sind Getriebe bekannt, welche neben einem Radsatz auch eine oder mehrere Elektromaschinen aufweisen. Das Getriebe ist dabei üblicherweise mehrgängig gestaltet, d. h. es sind mehrere unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse als Gänge zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle durch Betätigung entsprechender Schaltelemente schaltbar, wobei dies vorzugsweise automatisch vollzogen wird. Je nach Anordnung der Schaltelemente handelt es sich bei diesen um Kupplungen oder auch um Bremsen. Das Getriebe wird dabei dazu genutzt, ein Zugkraftangebot einer Antriebsmaschine des Kraftfahrzeuges in Hinblick auf verschiedene Kriterien geeignet umzusetzen. Dabei werden die Gänge des Getriebes zumeist auch im Zusammenspiel mit der zumindest einen Elektromaschine zur Darstellung eines rein elektrischen Fahrens verwendet. Häufig kann die zumindest eine Elektromaschine außerdem im Getriebe zur Darstellung verschiedener Betriebsmodi auf unterschiedliche Weisen eingebunden werden.
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Aus der
DE 10 2012 212 257 A1 geht ein Getriebe für ein Hybridfahrzeug hervor, welches neben einer ersten Antriebswelle und einer Abtriebswelle drei Planetenradsätze sowie eine Elektromaschine umfasst. Des Weiteren sind bei einer Variante vier Schaltelemente vorgesehen, über welche unterschiedliche Kraftflüsse von der ersten Antriebswelle zur Abtriebswelle unter Darstellung unterschiedlicher Gänge verwirklicht und zudem unterschiedliche Einbindungen der Elektromaschine gestaltet werden können. Hierbei kann auch ein rein elektrisches Fahren durch alleinigen Antrieb über die Elektromaschine dargestellt werden.
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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 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Ein Kraftfahrzeugantriebsstrang ist zudem Gegenstand von Anspruch 14. Des Weiteren hat der Anspruch 15 ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebes zum Gegenstand.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Getriebe eine Elektromaschine, eine erste Antriebswelle, eine zweite Antriebswelle, eine Abtriebswelle sowie einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz. Die Planetenradsätze umfassen dabei mehrere Elemente, wobei jedem der Planetenradsätze dabei bevorzugt jeweils ein erstes Element, jeweils ein zweites Element und jeweils ein drittes Element zugeordnet sind. Zudem sind ein erstes, ein zweites, ein drittes, ein viertes, ein fünftes und ein sechstes Schaltelement vorgesehen, durch deren selektive Betätigung unterschiedliche Kraftflussführungen unter Schaltung unterschiedlicher Gänge dargestellt werden können. Besonders bevorzugt können dabei vom Übersetzungsverhältnis zumindest vier unterschiedliche Gänge zwischen der ersten Antriebswelle und der Abtriebswelle gebildet werden. Ferner steht ein Rotor der Elektromaschine mit der zweiten Antriebswelle in Verbindung.
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Unter einer „Welle“ ist im Sinne der Erfindung ein rotierbares Bauteil des Getriebes zu verstehen, über welches je zugehörige Komponenten des Getriebes drehfest miteinander verbunden sind oder über das eine derartige Verbindung bei Betätigung eines entsprechenden Schaltelements hergestellt wird. Die 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 Achse gemeint, entlang welcher die Planetenradsätze koaxial zueinander liegend angeordnet sind. Unter „radial“ ist dann eine Orientierung in Durchmesserrichtung einer Welle zu verstehen, die auf dieser Achse liegt.
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Bevorzugt weist die Abtriebswelle des Getriebes eine Verzahnung auf, 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 axial im Bereich eines Endes des Getriebes liegen kann, an welchem auch eine die Verbindung zur vorgeschalteten Antriebsmaschine herstellende Anschlussstelle der ersten 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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Alternativ dazu kann ein Abtrieb des Getriebes aber auch an einem entgegengesetzt zu einer Anschlussstelle der ersten 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 ersten Antriebswelle ausgestaltet, so dass Antrieb und 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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Die Planetenradsätze sind bevorzugt axial auf die Anschlussstelle der ersten Antriebswelle folgend in der Reihenfolge erster Planetenradsatz und zweiter Planetenradsatz angeordnet. Allerdings kann diese Reihenfolge im Rahmen der Erfindung auch umgekehrt sein, so dass dann zunächst der zweite Planetenradsatz axial auf die Anschlussstelle der ersten Antriebswelle folgt.
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Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass die erste Antriebswelle (GW1) drehfest mit dem zweiten Element (E22) des zweiten Planetenradsatzes (P2) verbunden ist.
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Die zweite Antriebswelle (GW2) ist drehfest mit dem dritten Element (E31) des ersten Planetenradsatzes (P1) verbunden. Die Abtriebswelle (GWA) ist drehfest mit dem zweiten Element (E22) des ersten Planetenradsatzes (P1) verbunden. Das erste Element (E12) des zweiten Planetenradsatzes (P2) ist an einem drehfesten Bauelement (GG) festgesetzt und damit permanent an einer Drehung gehindert.
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Das erste Schaltelement (A) ist ausgebildet, das erste Element (E11) des ersten Planetenradsatzes (P1) an dem drehfesten Bauelement (GG) festzusetzen. Das zweite Schaltelement (B) ist ausgebildet, das zweite Element (E21) des ersten Planetenradsatzes (P1) mit der ersten Antriebswelle (GW1) zu verbinden. Das dritte Schaltelement (C) ist ausgebildet, das zweite Element (E22) des zweiten Planetenradsatzes (P2) drehfest mit der zweiten Antriebswelle (GW2) zu verbinden. Das vierte Schaltelement (D) ist ausgebildet, das zweite Element (E21) des ersten drehfest mit dem dritten Element (E32) des zweiten Planetenradsatzes (P2) zu verbinden. Das sechste Schaltelement (F) ist ausgebildet, das dritte Element (E32) des zweiten Planetenradsatzes (P2) drehfest mit der zweiten Antriebswelle (GW2) zu verbinden.
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Das fünfte Schaltelement (E) ist ausgebildet, den ersten Planetenradsatz (P1) zu verblocken. Ist ein Planetenradsatz verblockt so ist die Übersetzung unabhängig von der Zähnezahl stets Eins. Anders ausgedrückt läuft der Planetenradsatz als Block um.
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Beispielsweise kann das fünfte Schaltelement derart angeordnet und ausgebildet sein, dass es im betätigten Zustand das erste Element mit dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes verbindet. Ebenso kann das fünfte Schaltelement derart angeordnet und ausgebildet sein, dass es im betätigten Zustand das zweite Element mit dem dritten Element des ersten Planetenradsatzes verbindet. D
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Das zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Schaltelement liegen bevorzugt als Kupplungen vor, die bei Betätigung die drehfest miteinander zu verbindenden Komponenten des Getriebes gegebenenfalls in ihren Drehbewegungen angleichen und anschließend drehfest miteinander verbinden. Eine Synchronisation des bei einer Schaltung zu schaltenden Schaltelements kann durch eine Verbrennungsmotor-Drehzahlregelung erfolgen oder durch synchronisierte Schaltelemente oder durch eine andere Zentralsynchronisierung erfolgen wie beispielsweise eine Getriebebremse oder eine weitere E-Maschine. Es kann eine Trennkupplung für den Verbrennungsmotor vorgesehen werden, um die Trägheitsmasse des Verbrennungsmotors während der Synchronisierung abzukoppeln. Zur Unterstützung der Synchronisation kann optional eine weitere E-Maschine verwendet werden, welche direkt oder indirekt mit der Antriebswelle wirkverbunden ist.
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Das erste Schaltelement liegt insbesondere als Brems vor, welche bei Betätigung das erste Element des ersten Planetenradsatzes festsetzt und in der Folge an einer Drehbewegung hindert.
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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 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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Unter der „Verbindung“ des Rotors der Elektromaschine mit der zweiten Antriebswelle des Getriebes ist im Sinne der Erfindung eine derartige Verbindung zwischen diesen zu verstehen, dass zwischen dem Rotor der Elektromaschine und der zweiten Antriebswelle eine gleichbleibende Drehzahlabhängigkeit vorherrscht. Dabei kann die Elektromaschine entweder koaxial zu den Planetenradsätzen oder achsversetzt zu diesen liegend angeordnet sein. Im erstgenannten Fall kann der Rotor der Elektromaschine dabei entweder unmittelbar drehfest mit der zweiten 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 sind die beiden Planetenradsätze dann zudem weiter bevorzugt axial im Bereich der Elektromaschine sowie radial innen liegend zu dieser angeordnet, so dass sich die axiale Baulänge des Getriebes verkürzen lässt.
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Ist die Elektromaschine hingegen achsversetzt zu den Planetenradsätzen 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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Insgesamt zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Getriebe durch eine kompakte Bauweise, geringe Bauteilbelastungen, einen guten Verzahnungswirkungsgrad und geringe Verluste aus.
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Besonders bevorzugt ergeben sich genau vier Gänge zwischen der ersten Antriebswelle und der Abtriebswelle. Dabei können diese vier Gänge weiter bevorzugt durch selektives Schließen, d.h. Betätigen der Schaltelemente, realisiert werden. Hierbei ergibt sich ein erster Gang durch Betätigen des ersten Schaltelements und des dritten Schaltelements, wobei hingegen ein zweiter Gang durch Betätigen des ersten Schaltelements und des sechsten Schaltelements geschaltet werden kann.
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Ein dritter Gang kann in einer ersten Variante durch Betätigen des ersten und des zweiten Schaltelements geschaltet werden. Der dritte Gang kann in einer zweiten Variante durch Schließen des zweiten Schaltelements und des fünften Schaltelements geschaltet werden. Der dritte Gang kann in einer dritten Variante durch Schließen des dritten Schaltelements und des füfnten Schaltelements geschaltet werden. In einer vierten Variante kann der dritte Gang durch Betätigen des zweiten und des dritten Schaltelements getätigt werden. Schließlich kann in einer fünften Variante der dritte Gang durch Betätigen des zweiten Schaltelements und des sechsten Schaltelements geschaltet werden.
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Ein vierter Gang kann in einer ersten Variante durch Betätigen des ersten und des vierten Schaltelements geschaltet werden. Der vierte Gang kann in einer zweiten Variante durch Schließen des vierten Schaltelements und des fünften Schaltelements geschaltet werden. Der vierte Gang kann in einer dritten Variante durch Schließen des fünften Schaltelements und des sechsten Schaltelements geschaltet werden. In einer vierten Variante kann der vierte Gang durch Betätigen des dritten und vierten Schaltelements getätigt werden. Schließlich kann in einer fünften Variante der vierte Gang durch Betätigen des vierten Schaltelements und des sechsten Schaltelements geschaltet werden.
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Bei geeigneter Wahl von Standgetriebeübersetzungen der Planetenradsätze wird hierdurch eine für die Anwendung im Bereich eines Kraftfahrzeugs geeignete Übersetzungsreihe realisiert. Dabei können Schaltungen zwischen den Gängen verwirklicht werden, bei welchen stets nur der Zustand von je zwei Schaltelementen zu variieren ist, indem eines der am vorhergehenden Gang beteiligten Schaltelemente zu öffnen und ein anderes Schaltelement zur Darstellung des nachfolgenden Ganges zu schließen ist. Dies hat dann auch zur Folge, dass ein Schalten zwischen den Gängen sehr zügig ablaufen kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass für rein elektrisches Fahren keine Trennkupplung erforderlich ist.
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Aufgrund der Verbindung der Elektromaschine mit der zweiten Antriebswelle des Getriebes lassen sich unterschiedliche Betriebsmodi auf einfache Art und Weise verwirklichen: So kann ein erster Gang zwischen der zweiten Antriebswelle und der Abtriebswelle für ein rein elektrisches Fahren genutzt werden, wobei sich dieser erste Gang durch Betätigen des ersten Schaltelements ergibt. Dadurch ist der Rotor der Elektromaschine über den ersten Planetenradsatz mit einer konstanten Übersetzung mit der Abtriebswelle verbunden, wobei eine Übersetzung dieses ersten elektrischen Ganges einer Übersetzung des ersten, zwischen der ersten Antriebswelle und der Abtriebswelle wirksamen Ganges entspricht.
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Außerdem kann noch ein zweiter Gang zwischen der zweiten Antriebswelle und der Abtriebswelle für ein rein elektrisches Fahren realisiert werden. Dabei ist zum Schalten dieses zweiten Ganges das fünfte Schaltelement zu betätigen, sodass dann der Rotor der Elektromaschine ebenfalls über den ersten Planetenradsatz, aber aufgrund der Verblockung direkt mit der Abtriebswelle in Verbindung steht. Dies entspricht einem Direktgang. Eine Übersetzung dieses zweiten zwischen der zweiten Antriebswelle und Abtriebswelle wirksamen Ganges entspricht dabei einer Übersetzung des dritten, zwischen der ersten Antriebswelle und der Abtriebswelle wirksamen Ganges.
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Ausgehend von einem rein elektrischen Fahren im ersten, zwischen der zweiten Antriebswelle und der Abtriebswelle wirksamen Gang, kann dann die vorgeschaltete Antriebsmaschine in den ersten oder in den zweiten oder in die erste Variante des dritten, oder in die erste Variante des vierten, zwischen der ersten Antriebswelle und der Abtriebswelle wirksamen Ganges zugestartet werden, da an diesen jeweils das erste Schaltelement beteiligt ist.
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Ausgehend von einem rein elektrischen Fahren im zweiten, zwischen der zweiten Antriebswelle und der Abtriebswelle wirksamen Gang kann dann die vorgeschaltete Antriebsmaschine in die zweite Variante des dritten Ganges oder in die dritteVariante des dritten oder in die zweite Variante des vierten oder in die dritte Variante des vierten, zwischen der ersten Antriebswelle und der Abtriebswelle wirksamen Ganges zugestartet werden, da an diesen jeweils das fünfte Schaltelement beteiligt ist.
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Als weiterer Betriebsmodus kann zudem ein Ladebetrieb eines elektrischen Energiespeichers verwirklicht werden, indem lediglich das dritte oder das sechste Schaltelement geschlossen und damit eine Verbindung der ersten Antriebswelle mit der Elektromaschine und damit auch der vorgeschalteten Antriebsmaschine mit der Elektromaschine hergestellt wird. Gleichzeitig ist dabei kein Kraftschluss zur Abtriebswelle hergestellt, sodass sich das Getriebe in einer Neutralstellung befindet. Abgesehen von einem Ladebetrieb kann hierdurch auch ein Starten der vorgeschalteten Antriebsmaschine über die Elektromaschine verwirklicht werden.
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Ist das dritte Schaltelement betätigt, so dreht das dritte Element des ersten Planetenradsatzes gleich schnell wie die erste Antriebswelle, da die Verbrennungskraftmaschine direkt mit der Elektromaschine verbunden ist. Ist hingegen das sechste Schaltelement betätigt, so dreht das dritte Element des ersten Planetenradsatzes schneller als die erste Antriebswelle, da über die konstante Übersetzung des zweiten Planetenradsatzes ins Schnelle übersetzt wird.
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Des Weiteren können Lastschaltungen mit Zugkraftstützung dargestellt werden: beim Gangwechsel zwischen dem ersten, zwischen der ersten Antriebswelle und der Abtriebswelle wirksamen Gang und dem zweiten, zwischen der ersten Antriebswelle und Abtriebswelle wirksamen Gang kann die Zugkraft bei geschlossenem, ersten Schaltelement über die Elektromaschine gestützt werden, wobei die Synchronisation des zu schließenden Schaltelements dabei über eine Drehzahlregelung der vorgeschalteten Antriebsmaschine erfolgt. Alternativ kann dies aber auch durch synchronisierte Schaltelemente oder auch durch eine andere, separate Synchronisationseinrichtung erfolgen, wie zum Beispiel eine Getriebebremse oder auch eine weitere Elektromaschine, die direkt oder indirekt mit der ersten Antriebswelle wirkverbunden sein kann. Wird antriebsseitig der Antriebswelle zudem ein weiteres Schaltelement als Trennkupplung vorgesehen, kann die Trägheitsmasse der vorgeschalteten Antriebsmaschine während der Synchronisierung abgekoppelt werden.
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Ebenso kann auch ein Gangwechsel unter Last zwischen dem zweiten, zwischen der ersten Antriebswelle und der Abtriebswelle wirksamen Gang und der ersten Variante des dritten, zwischen der ersten Antriebswelle und der Abtriebswelle wirksamen Ganges bei geschlossenem, ersten Schaltelement stattfinden.
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Zudem kann ein Gangwechsel unter Last zwischen der ersten Variante des dritten Ganges und der ersten Variante des vierten Ganges bei geschlossenem, zweiten Schaltelement stattfinden.
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Zudem ergibt sich die Möglichkeit der Drehzahlabsenkung der Rotorwelle im mechanischen oder im hybriden Betriebsmodus. Nach einer elektrisch gestützten Schaltung vom dritten in den vierten Gang oder nach einem Zustart des Verbrennungsmotors in den vierten Gang ergibt sich zunächst ein Fahren im Hybridmodus in der ersten Variante des vierten Ganges, da das erste Schaltelement, welches für die vorausgegangene elektrische Zugkraftstützung bzw. für den vorausgegangenen rein elektrischen Fahrbetrieb geschlossen ist, zunächst geschlossen bleibt. Um die Rotordrehzahl im vierten Gang bei höheren Fahrgeschwindigkeiten abzusenken, kann von der ersten Variante des vierten Ganges in die zweite Variante des vierten Ganges umgeschaltet werden, da hier die Rotorwelle eine geringere Drehzahl aufweist als in der ersten Variante. Diese Umschaltung erfolgt mit Erhaltung der Zugkraft durch den Verbrennungsmotor. Es wird ein lastfreies Schaltelement ausgelegt, nämlich das erste Schaltelement und ein anderes lastfreies Schaltelement eingelegt, nämlich das fünfte Schaltelement. Die Drehzahlanpassung erfolgt durch Drehzahlregelung mit der Elektromaschine.
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Der Vorteil liegt darin, dass der Verbrennungsmotor einerseits durch Öffnung des vierten Schaltelements auch ohne eine zusätzliche Trennkupplung jederzeit abgekoppelt werden kann, während die Elektromaschine das Fahrzeug antreibt oder bremst (Rekuperation).
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Weiterhin ist ein Getriebe bevorzugt, wobei die Elektromaschine zumindest einen der beiden Planetenradsätze radial umschließt. Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn sowohl der erste als auch der zweite Planetenradsatz radial umschlossen werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Elektromaschine die zwei Planetenradsätze zudem axial übergreift. So lässt sich ein besonders axial kompakt bauendes Getriebe realisieren.
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Zudem ist es bevorzugt, ein siebtes Schaltelement (H) vorzusehen, das angeordnet und ausgebildet ist, das erste Element (E11) des ersten Planetenradsatzes (P1) drehfest mit der ersten Antriebswelle (GW1) zu verbinden.
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So kann ein sogenanntes elektrodynamisches Anfahren realisiert werden (EDA-Modus). Beim elektrodynamischen Anfahren findet über einen oder mehrere Planetenradsätze eine Drehzahlüberlagerung von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, der Drehzahl der Elektromaschine und der Drehzahl der Abtriebswelle statt. Dadurch ist ein Anfahren aus dem Stillstand bei laufendem Verbrennungsmotor möglich. Dabei stützt die Elektromaschine ein Drehmoment ab. Ist das siebte Schaltelement geschlossen, so entsteht ein EDA-Zustand an dem ersten Planetenradsatz. Der Verbrennungsmotor treibt das erste Element des ersten Planetenradsatzes an, die Elektromaschine stützt am dritten Element des ersten Planetenradsatzes das Verbrennungsmotor-Drehmoment ab und das zweite Element des ersten Planetenradsatzes ist mit dem Abtrieb verbunden. So ist EDA-Anfahren vorwärts möglich.
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Es ist eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung, dass eine weitere Elektromaschine vorgesehen ist, deren Rotor mit der Antriebswelle in Verbindung steht. Eine derartige Ausgestaltung hat dabei den Vorteil, dass hierdurch weitere Fahrzustände verwirklicht werden können. Zudem kann hierdurch gegebenenfalls unmittelbar ein Starten der vorgeschalteten Antriebsmaschine realisiert werden, wenn diese als Verbrennungskraftmaschine ausgestaltet ist. Darüber hinaus kann die zusätzliche Elektromaschine die vorgeschaltete Antriebsmaschine bei der Synchronisation von Schaltelementen unterstützen. Auch die weitere Elektromaschine kann koaxial oder achsversetzt angeordnet sein, wobei auch hier die Zwischenschaltung einer oder auch mehrerer Übersetzungsstufen denkbar ist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die erste Antriebswelle über ein achtes Schaltelement drehfest mit einer Anschlusswelle verbindbar ist. Die Anschlusswelle wiederum ist mit der dem Getriebe vorgeschalteten Antriebsmaschine gekoppelt. Das achte Schaltelement kann dabei prinzipiell als kraftschlüssiges oder auch als formschlüssiges Schaltelement ausgeführt sein, liegt aber besonders bevorzugt als Klauenkupplung vor. Über das achte Schaltelement kann die vorgeschaltete Antriebsmaschine dementsprechend auch vollständig vom Getriebe abgekoppelt werden, sodass ein rein elektrischer Betrieb problemlos realisierbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist ein oder sind mehrere Schaltelemente jeweils als formschlüssiges Schaltelement realisiert. Hierbei ist das jeweilige Schaltelement bevorzugt entweder als Klauenschaltelement oder als Sperrsynchronisation ausgeführt. Formschlüssige Schaltelemente haben gegenüber kraftschlüssigen Schaltelementen den Vorteil, dass im geöffneten Zustand geringere Schleppverluste auftreten, sodass sich ein besserer Wirkungsgrad des Getriebes erreichen lässt. Insbesondere sind bei dem erfindungsgemäßen Getriebe alle Schaltelemente als formschlüssige Schaltelemente verwirklicht, sodass sich möglichst geringe Schleppverluste erreichen lassen.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das erste Schaltelement und das fünfte Schaltelement zu einem Schaltelementenpaar zusammengefasst, welchem ein Betätigungselement zugeordnet ist. Dabei kann über das Betätigungselement aus einer Neutralstellung heraus einerseits das erste Schaltelement und andererseits das füfnte Schaltelement betätigt werden. Dies hat den Vorteil, dass durch dieses Zusammenfassen die Anzahl an Betätigungselementen reduziert und damit auch der Herstellungsaufwand gemindert werden kann.
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Alternativ oder auch ergänzend zu der vorgenannten Variante sind das zweite Schaltelement und das vierte Schaltelement zu einem Schaltelementpaar zusammengefasst, welchem ein Betätigungselement zugeordnet ist. Über dieses Betätigungselement kann dabei aus einer Neutralstellung heraus einerseits das zweite Schaltelement und andererseits das vierte Schaltelement betätigt wird. Hierdurch kann der Herstellungsaufwand reduziert werden, indem durch das Zusammenfassen der beiden Schaltelemente zu einem Schaltelementpaar eine Betätigungseinrichtung für beide Schaltelemente verwendet werden kann.
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Alternativ oder auch ergänzend zu der vorgenannten Variante sind das dritte Schaltelement und das sechste Schaltelement zu einem Schaltelementpaar zusammengefasst, welchem ein Betätigungselement zugeordnet ist. Über dieses Betätigungselement kann dabei aus einer Neutralstellung heraus einerseits das dritte Schaltelement und andererseits das sechste Schaltelement betätigt wird. Hierdurch kann der Herstellungsaufwand reduziert werden, indem durch das Zusammenfassen der beiden Schaltelemente zu einem Schaltelementpaar eine Betätigungseinrichtung für beide Schaltelemente verwendet werden kann.
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Besonders bevorzugt sind aber alle drei vorgenannten Schaltelementpaare realisiert, sodass die sechs Schaltelemente des Getriebes über drei Betätigungselemente betätigt werden können. Hierdurch lässt sich ein besonders niedriger Herstellungsaufwand verwirklichen.
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Die Planetenradsätze können, sofern es eine Anbindung der Elemente ermöglicht, im Rahmen der Erfindung jeweils als Minus-Planetensatz vorliegen, wobei es sich bei dem ersten Element des jeweiligen Planetenradsatzes um ein Sonnenrad, bei dem zweiten Element des jeweiligen Planetenradsatzes um einen Planetensteg und bei dem dritten Element des jeweiligen Planetenradsatzes um ein Hohlrad handelt. Ein Minus-Planetensatz setzt sich auf dem Fachmann prinzipiell bekannte Art und Weise aus den Elementen Sonnenrad, Planetensteg und Hohlrad zusammen, wobei der Planetensteg mindestens ein, bevorzugt aber mehrere Planetenräder drehbar gelagert führt, die im Einzelnen jeweils sowohl mit dem Sonnenrad, als auch dem umliegenden Hohlrad kämmen.
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Im Rahmen der Erfindung kann dem Getriebe ein Anfahrelement vorgeschaltet sein, beispielsweise ein hydrodynamischer Drehmomentwandler oder eine Reibkupplung. Dieses Anfahrelement kann dann auch Bestandteil des Getriebes sein und dient der Gestaltung eines Anfahrvorgangs, indem es eine Schlupfdrehzahl zwischen der insbesondere als Brennkraftmaschine gestalteten Antriebsmaschine und der ersten Antriebswelle des Getriebes ermöglicht. Hierbei kann auch eines der Schaltelemente des Getriebes oder die evtl. vorhandene Trennkupplung als ein solches Anfahrelement ausgebildet sein, indem es bzw. sie als Reibschaltelement vorliegt. Zudem kann auf jeder Welle des Getriebes prinzipiell ein Freilauf zum Getriebegehäuse oder zu einer anderen Welle angeordnet werden.
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Das erfindungsgemäße Getriebe ist insbesondere Teil eines Kraftfahrzeugantriebsstranges für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug und ist dann zwischen einer als Verbrennungskraftmaschine oder als Elektromaschine gestalteten Antriebsmaschine des Kraftfahrzeuges und weiteren, in Kraftflussrichtung zu Antriebsrädern des Kraftfahrzeuges folgenden Komponenten des Antriebsstranges angeordnet. Hierbei ist die erste Antriebswelle des Getriebes entweder permanent drehfest mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Rotorwelle der Elektromaschine gekoppelt oder über eine zwischenliegende Trennkupplung bzw. ein Anfahrelement mit dieser verbindbar, wobei zwischen einer Verbrennungskraftmaschine und dem Getriebe zudem ein Torsionsschwingungsdämpfer vorgesehen sein kann. Abtriebsseitig ist das Getriebe innerhalb des Kraftfahrzeugantriebsstranges dann bevorzugt mit einem Differentialgetriebe 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 Differentialgetriebe bzw. das Längsdifferential kann dabei mit dem Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Ebenso kann auch ein ggf. vorhandener Torsionsschwingungsdämpfer mit in dieses Gehäuse integriert sein.
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Dass zwei Bauelemente des Getriebes drehfest „verbunden“ bzw. „gekoppelt“ sind bzw. „miteinander in Verbindung stehen“, meint im Sinne der Erfindung eine permanente Koppelung dieser Bauelemente, so dass diese nicht unabhängig voneinander rotieren können. Insofern ist zwischen diesen Bauelementen, bei welchen es sich um Elemente der Planetenradsätze und/oder auch Wellen und/oder ein drehfestes Bauelement des Getriebes handeln kann, kein Schaltelement vorgesehen, sondern die entsprechenden Bauelemente sind starr miteinander gekoppelt.
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Ist hingegen ein Schaltelement zwischen zwei Bauelementen vorgesehen, so sind diese Bauelemente 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 Bauelemente in ihren Drehbewegungen aneinander angleicht. Im Falle einer Ausgestaltung des betreffenden Schaltelements als formschlüssiges Schaltelement werden die hierüber unmittelbar drehfest miteinander verbundenen Bauelemente unter gleicher Drehzahl laufen, während im Falle eines kraftschlüssigen Schaltelements auch nach einem Betätigen desselbigen Drehzahlunterschiede zwischen den Bauelementen bestehen können. Dieser gewollte oder auch ungewollte Zustand wird im Rahmen der Erfindung dennoch als drehfeste Verbindung der jeweiligen Bauelemente über das Schaltelement bezeichnet.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen
- 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugantriebsstranges entsprechend einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Ansicht eines Getriebes, wie es bei dem Kraftfahrzeugantriebsstrang aus 1 zur Anwendung kommen kann;
- 3, 4 jeweils eine schematische Ansicht je eines Getriebes, wie es ebenfalls bei dem Kraftfahrzeugantriebsstrang aus 1 zur Anwendung kommen kann;
- 5 ein beispielhaftes Schaltschema der Getriebe aus den 2 bis4;
- 6 bis 11 jeweils eine schematische Darstellung je einer Abwandlungsmöglichkeit der vorstehenden Getriebe.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugantriebsstranges eines Kraftfahrzeugs entsprechend einer ersten Ausführungsform, wobei in dem Kraftfahrzeugantriebsstrang eine Verbrennungskraftmaschine VKM über einen zwischenliegenden Torsionsschwingungsdämpfer TS mit einem Getriebe G verbunden ist. Dem Getriebe G ist abtriebsseitig ein Differenzialgetriebe AG nachgeschaltet, über welches eine Antriebsleistung auf Antriebsräder DW einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs verteilt wird. Das Getriebe G und der Torsionsschwingungsdämpfer TS sind dabei in einem gemeinsamen Gehäuse des Getriebes G angeordnet, in welches dann auch das Differenzialgetriebe AG integriert sein kann. Wie zudem in 1 zu erkennen ist, sind die Verbrennungskraftmaschine VKM, der Torsionsschwingungsdämpfer TS, das Getriebe G und auch das Differenzialgetriebe AG quer zu einer Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges ausgerichtet (Front/Querbauweise oder Heck/Querbauweise).
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Aus 2 geht eine schematische Darstellung des Getriebes G gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung hervor. Wie in 2 zu erkennen ist, weist das Getriebe G eine erste Antriebswelle GW1, eine zweite Antriebswelle GW2 und eine Abtriebswelle GWA auf, die koaxial zueinander liegen. Zudem verfügt das Getriebe G über zwei Planetenradsätze P1 und P2, die sich jeweils aus je einem ersten Element E11 bzw. E12, je einem zweiten Element E21 bzw. E22 sowie einem dritten Element E31 bzw. E32 zusammensetzen und ebenfalls koaxial zu den Antriebswellen GW1 und GW2 sowie der Abtriebswelle GWA angeordnet sind. Das jeweilige erste Element E11 bzw. E12 des jeweiligen Planetenradsatzes P1 bzw. P2 ist dabei durch ein jeweiliges Sonnenrad gebildet, während das jeweilige zweite Element E21 bzw. E22 des jeweiligen Planetenradsatzes P1 bzw. P2 als ein jeweiliger Planetensteg vorliegt. Schließlich wird noch das jeweilige dritte Element E31 bzw. E32 des jeweiligen Planetenradsatzes P1 bzw. P2 durch ein jeweiliges Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes P1 bzw. P2 gebildet.
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Die beiden Planetenradsätze P1 und P2 sind vorliegend jeweils als Minus-Planetenradsätze ausgestaltet, indem der jeweilige Planetensteg mindestens ein Planetenrad drehbar gelagert führt, welches sowohl mit dem jeweiligen, radial innen liegenden Sonnenrad, als auch dem jeweiligen, umliegenden Hohlrad im Zahneingriff steht. Bevorzugt werden aber sowohl bei dem ersten Planetenradsatz P1 als auch bei dem zweiten Planetenradsatz P2 jeweils mehrere Planetenräder durch den jeweiligen Planetensteg geführt, die dann im Einzelnen mit dem jeweiligen Sonnenrad und auch dem jeweiligen Hohlrad kämmen.
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Wie aus 2 ferner hervorgeht, ist die erste Antriebswelle drehfest mit dem zweiten Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden. Zudem ist die zweite Antriebswelle GW2 drehfest mit dem dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden. Schließlich ist die Abtriebswelle GWA drehfest mit dem zweiten Element E22 des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden. Ferner ist das erste Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 an einem drehfesten Bauelement GG festgesetzt und damit permanent an einer Drehbewegung gehindert. Bei dem drehfesten Bauteil GG handelt es sich vorliegend um das Getriebegehäuse des Getriebes G.
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Ist das erste Schaltelement A betätigt, so ist das erste Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 an dem drehfesten Bauelement GG festgesetzt. Im festgesetzten Zustand wird das Element E11 permanent an einer Drehbewegung gehindert.
Ist das zweite Schaltelement B betätigt, so ist zweite Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 mit der ersten Antriebswelle GW1 verbunden.
Ist das dritte Schaltelement C betätigt, so ist zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 drehfest mit der zweiten Antriebswelle GW2 verbunden.,
Ist das vierte Schaltelement D betätigt, so ist zweite Element E21 des ersten drehfest mit dem dritten Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden.
Ist das sechste Schaltelement F betätigt, so ist dritte Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 drehfest mit der zweiten Antriebswelle GW2 verbunden.
Ist das fünfte Schaltelement E betätigt, so ist der erste Planetenradsatz P1 verblockt und läuft als Ganzes um. Die Verblockung erfolgt dadurch, dass das zweite Element E21 und das erste Element E11 des ersten Planetenradsatzes miteinander verbunden werden. Nicht dargestellt, aber denkbar ist die Verblockung durch Verbinden des dritten Elementes E31 mit dem zweiten Element E21.
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Die zweite Antriebswelle GW2 ist drehfest mit einem Rotor R1 einer Elektromaschine EM1 des Getriebes G verbunden, wobei die Elektromaschine EM1 koaxial zu den beiden Planetenradsätzen P1 und P2 vorgesehen ist. Die Elektromaschine EM1 axial im Wesentlichen auf Höhe der beiden Planetenradsätze P1 und P2 sowie radial umliegend zu diesen platziert. Gut zu erkennen ist, wie die Elektromaschine EM1 den zweiten Planetenradsatz vollständig und den ersten Planetenradsatz zumindest teilweise übergreift.
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Ein Stator S1 der Elektromaschine EM1 ist an einem drehfesten Bauelement GG des Getriebes G festgesetzt, bei welchem es sich insbesondere um das Gehäuse des Getriebes G oder einen Teil des Gehäuses handelt. Ferner ist die zweite Antriebswelle GW2 ständig drehfest mit dem dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden, sodass auch der Rotor R1 der Elektromaschine EM1 permanent drehfest mit dem dritten Element E31 in Verbindung steht.
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Die Schaltelemente B, C, D, E und F sind vorliegend jeweils als formschlüssige Schaltelemente ausgeführt und liegen konkret jeweils als Klauenkupplungen vor. Das Schaltelement A liegt in der Form einer Bremse vor.
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Das zweite Schaltelement B sowie das vierte Schaltelement D sind axial zwischen dem ersten Planetenradsatz und dem zweiten Planetenradsatz angeordnet. Das erste Schaltelement A sowie das fünfte Schaltelement E sind jeweils axial gesehen an einer dem Getriebeeingang zugewandten Seite des ersten Planetenradsatzes P1 angeordnet. Das dritte und sechste Schaltelement C, F hingegen sind axial gesehen an einer dem Getriebeeingang abgewandten Seite des zweiten Planetenradsatzes P2 angeordnet.
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Das erste Schaltelement A und das fünfte Schaltelement E sind zu einem Schaltelementpaar SP1 zusammengefasst, indem dem ersten Schaltelement A und dem fünften Schaltelement E ein gemeinsames Betätigungselement zugeordnet ist. Über dieses kann aus einer Neutralstellung heraus zum einen das erste Schaltelement A und zum anderen das fünfte Schaltelement E betätigt werden.
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Das zweite Schaltelement B und das vierte Schaltelement D sind axial unmittelbar nebeneinanderliegend platziert und ebenfalls zu einem Schaltelementpaar zusammengefasst, nämlich zu einem Schaltelementpaar SP2, indem dem zweiten Schaltelement B und dem vierten Schaltelement D ein gemeinsames Betätigungselement zugeordnet ist. Über dieses kann aus einer Neutralstellung heraus zum einen das zweite Schaltelement B und zum anderen das vierte Schaltelement D betätigt werden.
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Das dritte Schaltelement C und das sechste Schaltelement F sind axial unmittelbar nebeneinanderliegend platziert und ebenfalls zu einem Schaltelementpaar zusammengefasst, nämlich zu einem Schaltelementpaar SP3, indem dem dritten Schaltelement C und dem sechsten Schaltelement F ein gemeinsames Betätigungselement zugeordnet ist. Über dieses kann aus einer Neutralstellung heraus zum einen das dritte Schaltelement C und zum anderen das sechste Schaltelement F betätigt werden.
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Die Zusammenfassung zu einem Schaltelementpaar ist deswegen möglich, da die Schaltelemente nicht in einem Gang gleichzeitig geschaltet werden müssen.
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In 3 ist ein beispielhaftes Schaltschema für die Getriebe der Kraftfahrzeugantriebsstränge aus 1 tabellarisch dargestellt. Wie zu erkennen ist, können hierbei zwischen der ersten Antriebswelle GW1 und der Abtriebswelle GWA jeweils insgesamt vier Gänge 1 bis 4 realisiert werden, wobei in den Spalten des Schaltschemas mit einem x jeweils gekennzeichnet ist, welches der Schaltelemente A, B, C, D, E und F in welchem der Gänge 1 bis 4 jeweils geschlossen ist. In jedem der Gänge 1 bis 4 sind dabei jeweils zwei der Schaltelemente A, B, C, D, E und F geschlossen.
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Wie in 3 zu erkennen ist, wird ein erster Gang 1 zwischen der ersten Antriebswelle GW1 und der Abtriebswelle GWA durch Betätigen des ersten und dritten Schaltelements A bzw. C geschaltet. Hiervon ausgehend wird ein zweiter Gang 2 gebildet, indem das zweite dritte Schaltelement C geöffnet wird und das sechste Schaltelement F geschlossen wird.
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Der dritte, zwischen der ersten Antriebswelle GW1 und der Abtriebswelle GWA wirksame Gang 3 kann in fünf Varianten geschaltet werden. In einer ersten Variante 3.1 sind das erste und zweite Schaltelement A, B betätigt. In einer zweiten Variante 3.2 sind das zweite und fünfte Schaltelement B, E betätigt. In einer dritten Variante 3.3 sind das dritte und fünfte Schaltelement C, E betätigt. In einer vierten Variante 3.4 sind das zweite und dritte Schaltelement B, C betätigt. In einer fünften Variante 3.5 sind das zweite und sechste Schaltelement B, F betätigt.
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Der vierte, zwischen der ersten Antriebswelle GW1 und der Abtriebswelle GWA wirksame Gang 4 kann in fünf Varianten geschaltet werden. In einer ersten Variante 4.1 sind das erste und vierte Schaltelement A, D betätigt. In einer zweiten Variante 4.2 sind das vierte und fünfte Schaltelement D, E betätigt. In einer dritten Variante 4.3 sind das fünfte und sechste Schaltelement E, F betätigt. In einer vierten Variante 4.4 sind das dritten und vierte Schaltelement C, D betätigt. In einer fünften Variante 4.5 sind das vierte und sechste Schaltelement D, F betätigt.
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Obwohl die Schaltelemente jeweils als formschlüssige Schaltelemente ausgeführt sind, kann ein Schalten zwischen dem ersten Gang 1 und dem zweiten Gang 2 sowie zwischen dem zweiten Gang 2 und der ersten Variante 3.1 des dritten Ganges 3 sowie zwischen der ersten Variante 3.1 des dritten Ganges und der ersten Variante 4.1 des vierten Ganges 4 unter Last realisiert werden. Dabei wird bei einem Gangwechsel zwischen dem ersten Gang 1 und dem zweiten Gang 2 bei geschlossenem ersten Schaltelement A die Zugkraft über die Elektromaschine EM1 gestützt. Bei einem Wechsel zwischen dem zweiten Gang 2 und der ersten Variante 3.1 des dritten Ganges wird bei geschlossenem ersten Schaltelement A die Zugkraft ebenfalls über die Elektromaschine EM1 gestützt. Bei einem Wechsel von der ersten Variante 3.1 des dritten Ganges 3 in die erste Variante 4.1 des vierten Ganges 4 wird bei geschlossenem ersten Schaltelement A die Zugkraft ebenfalls über die Elektromaschine EM1 gestützt. Die Synchronisation des jeweils zu schließenden Schaltelements wird mittels einer Drehzahlregelung der Verbrennungskraftmaschine VKM realisiert. Die zuvor beschriebenen Gänge 1 bis 4 sind hybridische Gänge, da sie unter Zuhilfenahme der Verbrennungskraftmaschine VKM und der Elektromaschine EM1 realisiert werden.
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Das Getriebe G der 2 kann zudem noch in anderweitigen Betriebsmodi unter Zuhilfenahme der Elektromaschine EM1 betrieben werden:
- So kann ein rein elektrisches Fahren in einem ersten Gang E1 stattfinden, welcher zwischen der zweiten Antriebswelle GW2 und der Abtriebswelle GWA wirksam ist und zu dessen Darstellung das erste Schaltelement A in einen geschlossenen Zustand zu überführen ist. Durch Schließen des ersten Schaltelements A ist die erste Elektromaschine EM1 mit einer konstanten Übersetzung mit dem Abtrieb verbunden. Das heißt, die Drehzahl des Rotors R1 wird bei festgehaltenem ersten Element E11 vom dritten Element E31 auf das zweite Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 übertragen.
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Das rein elektrische Fahren im ersten Gang E1 wird dann mit einer Übersetzung realisiert, die einer Übersetzung des ersten Ganges 1 entspricht. In diesem Betriebsmodus ist, da lediglich das erste Schaltelement aktiviert ist, die Verbrennungskraftmaschine vom Antriebsstrang abgekoppelt. Ausgehend vom ersten Gang E1 kann ein Zustarten der Verbrennungskraftmaschine VKM in jeden der vier Gänge erfolgen (Gänge 1, 2, 3.1, 4.1), da auch an diesen jeweils das erste Schaltelement A beteiligt ist. Insofern kann zügig vom rein elektrischen Fahren in ein Fahren über die Verbrennungskraftmaschine bzw. ein hybridisches Fahren übergegangen werden.
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Zudem kann ein zweiter Gang E3 für ein rein elektrisches Fahren genutzt werden, welcher ebenfalls zwischen der zweiten Antriebswelle GW2 und damit dem Rotor R1 der Elektromaschine EM1 und der Abtriebswelle GWA wirksam ist. Zum Schalten des zweiten Ganges E3 ist das fünfte Schaltelement E zu schließen, sodass dann der Rotor R1 direkt mit dem Abtrieb, d.h. der Abtriebswelle GWA, verbunden ist. Das heißt, die Drehzahl des Rotors R1 entspricht der Drehzahl der Abtriebswelle (GWA). Das rein elektrische Fahren wird dann mit einer Übersetzung realisiert, die dem dritten Gang entspricht. In diesem Betriebsmodus ist die Verbrennungskraftmaschine VKM vom Antriebsstrang abgekoppelt. Ausgehend vom zweiten Gang E3 kann ein Zustarten der Verbrennungskraftmaschine VKM in die Gänge 3.2, 3.3, 4.2 sowie 4.3 erfolgen, da auch an diesen jeweils das fünfte Schaltelement E beteiligt ist.
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Schließlich kann durch Schließen des dritten oder sechsten Schaltelements C bzw. F eine Lade- oder Startfunktion realisiert werden. Denn im geschlossenen Zustand des dritten oder sechsten Schaltelements C bzw. F ist die erste Antriebswelle GW1 direkt mit der zweiten Antriebswelle GW2 und damit auch dem Rotor R1 der Elektromaschine EM1 gekoppelt, sodass innerhalb des jeweiligen Antriebsstranges auch die Verbrennungskraftmaschine VKM mit der Elektromaschine EM1 gekoppelt ist.
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Gleichzeitig besteht dabei aber kein Kraftschluss zur Abtriebswelle GWA, wobei der Rotor R1 und die erste Antriebswelle GW1 bei betätigtem dritten Schaltelement C gleich schnell laufen, d.h. rotieren. Im generatorischen Betrieb der Elektromaschine EM1 kann dabei ein elektrischer Energiespeicher über die Verbrennungskraftmaschine VKM geladen werden, während im elektromotorischen Betrieb der Elektromaschine EM1 ein Starten der Verbrennungskraftmaschine VKM über die Elektromaschine EM1 realisierbar ist.
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Ist hingegen das sechste Schaltelement betätigt, so rotiert der Rotor R1 schneller als die erste Antriebswelle, da über die konstante Übersetzung des zweiten Planetenradsatzes P2 ins Schnelle übersetzt wird.
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4 zeigt eine schematische Ansicht eines Getriebes gemäß einer weiteren Variante, wobei im Unterschied zu der Variante nach 2
- - eine zweite Elektromaschine EM2 sowie
- - ein siebtes Schaltelement H vorgesehen sind.
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Der Rotor R2 der zweiten Elektromaschine steht demnach drehfest mit der ersten Antriebswelle GW1 und über die Antriebswelle An mit der Verbrennungskraftmaschine VKM in Verbindung. Der Stator S2 der Elektromaschine EM2 ist am drehfesten Bauelement GG festgesetzt.
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Das siebte Schaltelement H ist derart angeordnet, dass es im betätigten Zustand die erste Antriebswelle GW1 mit dem ersten Element E11 des ersten Planetenradsatzes drehfest verbindet. Ist das siebte Schaltelement H betätigt, d.h. geschlossen, so entsteht ein sogenannter EDA-Zustand an dem ersten Planetenradsatz P1. Die Verbrennungskraftmaschine VKM treibt dabei das Element E11 des ersten Planetenradsatzes P1 an, während die Elektromaschine EM1 am dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 das Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine VKM abstützt. Da das zweite Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 mit der Abtriebswelle GWA drehfest verbunden ist, ist ein sogenanntes EDA-Anfahren vorwärts möglich.
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Durch das direkte Anbinden der zweiten Elektromaschine EM2 an die Verbrennungskraftmaschine sind folgende Funktionen realisierbar:
- - Start der Verbrennungskraftmaschine aus rein elektrischer Fahrt
- - Bordnetzversorgung
- - serielles Fahren vorwärts sowie rückwärts (EM2 liefert Strom für EM1 und VKM weist keine mechanische Verbindung zur Abtriebswelle GWA auf)
- - Unterstützung der Drehzahlregelung der Verbrennungskraftmaschine VKM beim Ankoppeln und bei Schaltungen
- - leistungsverzweigter Betrieb im EDA-Modus (nur Schaltelement H geschlossen). Dabei teilt sich die Leistung der VKM in einen mechanischen Pfad über P1 und einen elektrischen Pfad über EM2 auf.
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Im Übrigen entspricht die Variante nach 4 der Ausgestaltung nach 2, sodass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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5 zeigt eine schematische Ansicht eines Getriebes gemäß einer weiteren Variante, wobei im Vergleich zur Ausführung gemäß 4 zusätzlich ein achtes Schaltelement in Form einer Trennkupplung K0 vorgesehen ist.
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Die erste Antriebswelle GW1 kann an der Anschlussstelle GW1-A über ein achtes Schaltelement K0 drehfest mit einer Anschlusswelle AN verbunden werden. Diese steht dann mit der vorgeschalteten Verbrennungskraftmaschine VKM im Kraftfahrzeugantriebsstrang in Verbindung. Das achte Schaltelement K0 ist dabei als formschlüssiges Schaltelement gestaltet und liegt besonders bevorzugt als Klauenschaltelement vor.
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Bei dieser Ausführungsform ist also der Rotor R2 direkt mit der ersten Antriebswelle verbunden, wobei die Verbrennungskraftmaschine VKM über K0 abkoppelbar ist.
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Bei abgekoppelter VKM sind zusätzlich folgende Funktionen realisierbar: Zum einen ist ein rein elektrischer EDA-Betrieb (nur Schaltelement H geschlossen) möglich. Von Vorteil ist dabei, dass beim Anfahren aus dem Stillstand beide E-Maschinen drehen können und ein sogenanntes „Stillstands-Derating“ vermieden wird. Mit „Stillstands-Derating“ ist gemeint, dass eine E-Maschine zu heiß werden kann, wenn sie Drehmoment bei sehr geringer Drehzahl liefern muss.
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Zum anderen sind rein elektrische Lastschaltung der elektrischen Gänge E1 und E3 möglich. Hierzu wird zusätzlich zum Schaltelement A (für den ersten elektrischen gang E1) das siebte Schaltelement H geschlossen. Dadurch stützt die zweite Elektromaschine EM2 das Drehmoment des ersten Elementes E11 am ersten Planetenradsatz P1 ab - anstelle Schaltelement A. Das Schaltelement A kann geöffnet werden. Die Drehmomentabstützung ist dabei von Drehzahl 0 bis zum Blockumlauf am ersten Planetenradsatz P1 möglich. Anschließend kann Schaltelement E geschlossen werden, um die Schaltung abzuschließen.
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Im Übrigen entspricht die Variante nach 5 der Ausgestaltung nach 4, sodass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Die Elektromaschinen EM1 und EM2 können entweder koaxial zum Radsatz als auch achsparallel zur Antriebswelle positioniert sein. Die Elektromaschinen können mit der jeweiligen Getriebewelle direkt oder über weitere Übersetzungsstufen, wie beispielsweise einem Planetenradsatz oder einer Stirnradstufe, verbunden sein. Eine zusätzliche Übersetzungsstufe kann deswegen sinnvoll sein, um eine günstigere Auslegung der jeweiligen Elektromaschine zu erhalten. So kann beispielsweise eine höhere Drehzahl und ein geringeres Drehmoment erreicht werden.
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So zeigen noch die 6 bis 11 Abwandlungsmöglichkeiten der Getriebe G aus den 2, 4 und 5. Diese Abwandlungsmöglichkeiten betreffen dabei anderweitige Einbindungsmöglichkeiten der Elektromaschine EM1 können aber bei den Getrieben G nach den 4 und 5 in analoger Weise auch bei der weiteren Elektromaschine EM2 Anwendung finden.
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So ist in 6 die Elektromaschine EM1 nicht koaxial zu dem jeweiligen - vorliegend nicht weiter im Detail dargestellten - Radsatz RS des Getriebes G platziert, sondern achsversetzt angeordnet. Eine Anbindung erfolgt dabei über eine Stirnradstufe SRS, die sich aus einem ersten Stirnrad SR1 und einem zweiten Stirnrad SR2 zusammensetzt. Das erste Stirnrad SR1 ist dabei seitens des jeweiligen Radsatzes RS drehfest an der zweiten Antriebswelle GW2 angebunden. Das Stirnrad SR1 steht dann mit dem Stirnrad SR2 im Zahneingriff, welches drehfest auf einer Eingangswelle EW der Elektromaschine EM1 platziert ist, die innerhalb der Elektromaschine EM1 die Anbindung an den - vorliegend nicht weiter dargestellten - Rotor der Elektromaschine EM1 herstellt.
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Auch bei der Abwandlungsmöglichkeit nach 7 ist die Elektromaschine EM1 achsversetzt zu dem jeweiligen Radsatz RS des jeweiligen Getriebes G platziert. Im Unterschied zu der vorhergehenden Variante nach 6 ist eine Anbindung dabei aber nicht über eine Stirnradstufe SRS, sondern über einen Zugmitteltrieb ZT vorgenommen. Dieser Zugmitteltrieb ZT kann dabei als Riemen- oder auch Kettentrieb ausgestaltet sein. Seitens des jeweiligen Radsatzes RS ist der Zugmitteltrieb ZT dann an der zweiten Antriebswelle GW2 angebunden. Über den Zugmitteltrieb ZT wird dabei dann eine Koppelung zu einer Eingangswelle EW der Elektromaschine EM1 hergestellt, die wiederum innerhalb der Elektromaschine EM1 eine Anbindung an den Rotor der Elektromaschine vornimmt.
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Im Fall der Abwandlungsmöglichkeit nach 8 ist eine Einbindung der achsversetzt zu dem jeweiligen Radsatz RS platzierten Elektromaschine EM1 über eine Planetenstufe PS und eine Stirnradstufe SRS realisiert. Dabei ist die Planetenstufe PS dem Radsatz RS nachgeschaltet, wobei abtriebsseitig der Planetenstufe PS dann die Stirnradstufe SRS vorgesehen ist, über welche die Verbindung zu der Elektromaschine EM1 hergestellt ist. Die Planetenstufe PS setzt sich dabei aus einem Hohlrad HO, einem Planetensteg PT und einem Sonnenrad SO zusammen, wobei der Planetensteg PT mindestens ein Planetenrad PR drehbar gelagert führt, welches sowohl mit dem Sonnenrad SO als auch dem Hohlrad HO im Zahneingriff steht.
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Vorliegend ist der Planetensteg PT seitens des Radsatzes RS aus den 2, 4, 5 drehfest an der zweiten Antriebswelle GW2 angebunden. Dagegen ist das Hohlrad HO permanent am drehfesten Bauelement GG festgesetzt, während das Sonnenrad SO drehfest mit einem ersten Stirnrad SR1 der Stirnradstufe SRS verbunden ist. Das erste Stirnrad SR1 kämmt dann mit einem zweiten Stirnrad SR2 der Stirnradstufe SRS, welches drehfest auf einer Eingangswelle EW der Elektromaschine EM1 vorgesehen ist. In diesem Fall ist die Elektromaschine EM1 also seitens des Radsatzes RS über zwei Übersetzungsstufen angebunden.
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Auch bei der Abwandlungsmöglichkeit aus 9 ist eine Einbindung der Elektromaschine EM1 seitens des Radsatzes RS über eine Planetenstufe PS und eine Stirnradstufe SRS vorgenommen. Dabei entspricht die Abwandlungsmöglichkeit weitestgehend der Variante nach 8, mit dem Unterschied, dass bei der Planetenstufe PS nun das Sonnenrad SO am drehfesten Bauelement GG festgesetzt ist, während das Hohlrad HO drehfest mit dem ersten Stirnrad SR1 der Stirnradstufe SRS verbunden ist. Konkret sind dabei das Hohlrad HO und das erste Stirnrad SR1 bevorzugt einstückig ausgebildet, indem das Hohlrad HO an einem Außenumfang mit einer Verzahnung ausgestattet ist. Im Übrigen entspricht die Abwandlungsmöglichkeit nach 9 sonst der Variante nach 8, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Des Weiteren zeigt 10 eine weitere Abwandlungsmöglichkeit der Getriebe G aus den 2, 4, 5, wobei auch hier eine Einbindung der Elektromaschine EM1 über eine Stirnradstufe SRS und eine Planetenstufe PS vorgenommen. Im Unterschied zu der vorhergehenden Variante nach 9 folgt auf den Radsatz RS hierbei aber zunächst die Stirnradstufe SRS, während die Planetenstufe PS im Kraftfluss zwischen Stirnradstufe SRS und Elektromaschine EM1 vorgesehen ist. Die Planetenstufe PS umfasst ebenfalls wieder die Elemente Hohlrad HO, Planetensteg PT und Sonnenrad SO, wobei der Planetensteg PT mehrere Planetenräder PR1 und PR2 drehbar gelagert führt, die jeweils sowohl mit dem Sonnenrad SO als auch dem Hohlrad HO im Zahneingriff stehen.
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Wie in 10 zu erkennen ist, ist ein erstes Stirnrad SR1 der Stirnradstufe SRS seitens des Radsatzes RS der Getriebe G aus den 2, 4, 5 drehfest angebunden, wobei diese Anbindung dabei an der zweiten Antriebswelle GW2 vollzogen ist. Das erste Stirnrad SR1 kämmt mit einem zweiten Stirnrad SR2 der Stirnradstufe SRS, welches drehfest mit dem Planetensteg PT der Planetenstufe PS verbunden ist. Das Hohlrad HO ist permanent am drehfesten Bauelement GG festgesetzt, während das Sonnenrad SO drehfest auf einer Eingangswelle EW der Elektromaschine EM1 vorgesehen ist.
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Schließlich zeigt noch 11 eine weitere Abwandlungsmöglichkeit der Getriebe G aus den 2, 4, 5, wobei diese Abwandlungsmöglichkeit im Wesentlichen der vorhergehenden Variante nach 10 entspricht. Einziger Unterschied ist dabei, dass nun das Sonnenrad SO der Planetenstufe PS permanent am drehfesten Bauelement GG festgesetzt ist, während das Hohlrad HO der Planetenstufe PS drehfest mit der Eingangswelle EW der Elektromaschine EM1 verbunden ist. Im Übrigen entspricht die Abwandlungsmöglichkeit nach 11 sonst der Variante nach 10, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann ein Getriebe mit kompaktem Aufbau und mit gutem Wirkungsgrad realisiert werden.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche. So ist sind insbesondere die Verblockungsvarianten für das zweite Schaltelement mit den Verblockungsvarianten für das sechste Schaltelement beliebig kombinierbar.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- G
- Getriebe
- RS
- Radsatz
- GG
- Drehfestes Bauelement
- P1
- Erster Planetenradsatz
- E11
- Erstes Element des ersten Planetenradsatzes
- E21
- Zweites Element des ersten Planetenradsatzes
- E31
- Drittes Element des ersten Planetenradsatzes
- P2
- Zweiter Planetenradsatz
- E12
- Erstes Element des zweiten Planetenradsatzes
- E22
- Zweites Element des zweiten Planetenradsatzes
- E32
- Drittes Element des zweiten Planetenradsatzes
- A
- Erstes Schaltelement
- B
- Zweites Schaltelement
- C
- Drittes Schaltelement
- D
- Viertes Schaltelement
- E
- Fünftes Schaltelement
- F
- Sechstes Schaltelement
- H
- Siebtes Schaltelement
- K0
- Achtes Schaltelement
- SP1
- Schaltelementpaar
- SP2
- Schaltelementpaar
- SP3
- Schaltelementpaar
- 1
- Erster Gang
- 2
- Zweiter Gang
- 3.1
- Dritter Gang, erste Variante
- 3.2
- Dritter Gang, zweite Variante
- 3.3
- Dritter Gang, dritte Variante
- 3.4
- Dritter Gang, vierte Variante
- 3.5
- Dritter Gang, fünfte Variante
- 4
- Vierter Gang
- 4.1
- Dritter Gang, erste Variante
- 4.2
- Dritter Gang, zweite Variante
- 4.3
- Dritter Gang, dritte Variante
- 4.4
- Dritter Gang, vierte Variante
- 4.5
- Dritter Gang, fünfte Variante
- E1
- Erster Gang, elektrisch
- E3
- Zweiter Gang, elektrisch
- V1
- Erster Gang, verbrennungsmotorisch
- V3
- Dritter Gang, verbrennungsmotorisch
- GW1
- Erste Antriebswelle
- GW1-A
- Anschlussstelle
- GW2
- Zweite Antriebswelle
- GWA
- Abtriebswelle
- GWA-A
- Anschlussstelle
- AN
- Anschlusswelle
- EM1
- Elektromaschine, erste
- S1
- Stator
- R1
- Rotor
- EM2
- Elektromaschine, zweite
- S2
- Stator
- R2
- Rotor
- SRS
- Stirnradstufe
- SR1
- Stirnrad
- SR2
- Stirnrad
- PS
- Planetenstufe
- HO
- Hohlrad
- PT
- Planetensteg
- PR
- Planetenrad
- PR1
- Planetenrad
- PR2
- Planetenrad
- SO
- Sonnenrad
- ZT
- Zugmitteltrieb
- VKM
- Verbrennungskraftmaschine
- TS
- Torsionsschwingungsdämpfer
- AG
- Differentialgetriebe
- DW
- Antriebsräder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212257 A1 [0003]
