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Die Erfindung betrifft ein Zwei-Gang-Getriebe für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit dessen Hilfe eine Leistung einer elektrischen Maschine gewandelt werden kann. Die Erfindung ist für elektrounterstützte oder rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge 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 Stadtbus.
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Beim Beschleunigen eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs aus dem Stand kann eine elektrische Maschine zunächst aus dem Stillstand mit einem im Wesentlichen konstanten Drehmoment bis zu einer Grunddrehzahl beschleunigen. Wenn die Grunddrehzahl erreicht ist, bleibt die Antriebsleistung der elektrischen Maschine im Wesentlichen konstant, so dass für eine höhere Drehzahl das Drehmoment abnimmt.
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Batterieelektrische Fahrzeuge (Battery Electric Vehicles, BEV), wie Zwei- oder Dreiräder sind häufig mit einem Getriebe mit einer festen, nicht änderbaren Übersetzung oder mit einem Radnabenmotor ausgestattet, um die Masse des Antriebsstrangs, sein Volumen, die Verluste oder die Kosten zu minimieren. Aufgrund der Drehmoment- und der Geschwindigkeitscharakteristik von bürstenlosen Gleichstrommotoren (Brushless Direct Current (BLDC) Motors) haben diese Fahrzeuge ein gutes Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten, aber auf Kosten der Höchstgeschwindigkeit. Um beides zu erreichen (Steigfähigkeit bei niedrigen Drehzahlen und höhere Höchstgeschwindigkeit) kann einfach ein größerer, stärkerer Motor eingesetzt werden, der bezüglich des Gewichts und der Kosten aber wieder nachteilig ist.
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Um eine große Drehmoment- und Drehzahlspreizung, also eine gute Beschleunigung, gute Steigfähigkeit und hohe Endgeschwindigkeit zu erreichen, wird daher oft ein Zwei-Gang-Getriebe vorgesehen, 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 und kommen mit einem relativ kleinen und leichten Elektromotor aus. Dies sorgt auch für weniger Verbrauch und Emissionen, falls zusätzlich ein Verbrennungsmotor oder ein Hybrid eingesetzt werden.
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In Fahrzeugen mit fester Übersetzung sind die Antriebsräder häufig über Ketten, Riemen oder Seilscheiben mechanisch mit dem Antrieb verbunden. Während des Langsamerwerdens ist der Motor fest mit den Rädern verbunden. Während des Schubbetriebs (coasting oder Fahren im Leerlauf) drehen die Räder den Motor, der dann als Generator arbeiten kann und elektrische Energie erzeugt, die dann in der Batterie gespeichert werden kann (Rekuperationsbetrieb). Währen des Rückwärtsfahrens dreht sich der Motor in Gegenrichtung und bewegt das Fahrzeug nach hinten.
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Aus der
WO 2019/149 312 A1 ist ein 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, einem Freilauf, der der ersten Gangstufe zugeordnet ist, und einer Reibungskupplung, die der zweiten Gangstufe zugeordnet ist. Dieses Getriebe bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Dieses Zwei-Gang-Getriebe des Standes der Technik erlaubt ein sanftes, ruckfreies Anfahren. Im ersten Gang sperrt der Freilauf und überträgt das Drehmoment von der Eingangswelle auf die Ausgangswelle, während die Reibungskupplung offen gehalten wird. Zum Hochschalten in den zweiten Gang wird dann die Kupplung geschlossen und überträgt das Drehmoment auf die Ausgangswelle, während der Freilauf überholt wird und kein Drehmoment weiterleitet. Im Schiebebetrieb im ersten Gang - also wenn Drehmoment bei offener Reibungskupplung vom Antriebsrad auf das Getriebe fließt - ist der Freilauf offen und überträgt kein Drehmoment. Es gibt also keine Rekuperation im ersten Gang. Auch ist dieses Getriebe eher nicht für ein Rückwärtsfahren ausgelegt.
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Ein weiteres Zwei-Gang-Getriebe ist in der nach dem Anmeldetag vorliegender Anmeldung veröffentlichten
DE 10 2018 130 089 A1 der Anmelderin beschrieben. In dieser wird das Zwei-Gang-Getriebe für elektrische Fahrzeuge vorgeschlagen. Ein Freilauf ist einem antreibenden oder angetriebenen Zahnrad der ersten Gangstufe zugeordnet. Über eine Reibungskupplung kann ein zweites angetriebenes Zahnrad mit der Ausgangswelle des Zwei-Gang-Getriebes verbunden werden. Der erste Freilauf und die Reibungskupplung sitzen beide entweder auf der Eingangs- oder auf der Ausgangswelle. Außerdem ist ein zweiter Freilauf vorgesehen, welcher beim normalen Fahrbetrieb freiläuft, also kein Drehmoment überträgt und koaxial in der Reibungskupplung angeordnet ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen aufzuzeigen, die bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug ein Zweiganggetriebe wirtschaftlich weiter verbessern.
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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 Zweiganggetriebe für elektrische Fahrzeuge 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 ersten Freilauf, der der ersten Gangstufe zugeordnet ist, und einer Reibungskupplung, die der zweiten Gangstufe zugeordnet ist, wobei der erste Freilauf und die Reibungskupplung beide auf der Ausgangswelle angeordnet sind, und wobei ein zweiter Freilauf auf der Ausgangswelle vorgesehen ist, der sich automatisch in Abhängigkeit von der Drehzahl zu- oder abschaltet.
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Die Anordnung von erstem Freilauf und Reibungskupplung auf der Ausgangswelle erlaubt das platzsparende Integrieren des zweiten Freilaufs und führt zu einer kompakten Bauform. Der zweite Freilauf erlaubt nun auch ein Rückwärtsfahren des Fahrzeugs und ein Rekuperieren im effektiveren ersten Gang, wodurch das Fahrzeug wirtschaftlicher zu betreiben ist. Unter An- und Abschalten des zweiten Freilaufes ist zu verstehen, dass er entweder eingreift (angekoppelt oder geschlossen ist) und damit wirksam ist - also das Drehmoment nur in einer Richtung weitergibt und in der Gegenrichtung nicht - oder dass er abgekoppelt (offen oder gelöst) ist und kein Drehmoment in irgendeiner Drehrichtung überträgt.
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Mit der vorgeschlagenen Erfindung kann ein batterieelektrisches Fahrzeug realisiert werden, das automatisch oder manuell schaltet und viele Vorteile bezüglich des reduzierten Energieverbrauches, der Erhöhung des Fahrkomforts, der Steigungsfähigkeit und der Höchstgeschwindigkeit bietet. Das Vermeiden einer Schaltlücke (ununterbrochener Kraftfluss beim Gangwechsel) erhöht die Leistung und bietet ein überlegenes Fahrgefühl. Die Integration von erstem Freilauf und Reibungskupplung führt zu einem ruckfreien, sanften automatischen Schaltvorgang.
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Als Reibungskupplung kann eine Mehrscheibenkupplung verwendet werden, die vom Fahrer betätigt wird, oder die abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit oder den Lastbedingungen automatisch greift oder löst. Die Kupplungsbetätigung kann auch rein elektrisch durchgeführt werden.
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Da die Kupplung und der erste Freilauf auf der Ausgangswelle vorgesehen sind, kann die Eingangswelle besonders einfach aufgebaut sein und das erste antreibende Zahnrad und das zweite antreibende Zahnrad als Festräder enthalten.
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Für den zweiten Freilauf kann jede an sich bekannte Ausführung eingesetzt werden, die nur in einer Richtung als drehmomentübertragende Kupplung wirkt, und das Rückwärtsdrehen der Welle verhindert. Zum Beispiel kann ein Rollen-Freilauf, ein Klemmkörper-Freilauf oder eine Schlingfederkupplung eingesetzt werden. Bevorzugt wird ein Sperrklinken-Freilauf (Ratsche, ratchet) eingesetzt, also ein Formricht-Gesperre oder ein Zahngesperre. Kennzeichnend dafür sind Zahnungen mit je einer steilen und einer flachen Flanke am Sperrstück. Über die flache Flanke kann die Spitze der Sperrklinke beim Vorwärtsdrehen hinweg gleiten, während sie bei versuchtem Rückwärtsdrehen gegen die steile Flanke stößt, mit ihr einen Formschluss bildet und die Drehung unterbricht. Statt einer Sperrklinke können auch mehrere Sperrklinken, bevorzugt in kreisförmiger Anordnung, eingesetzt werden. Die Zähne können radial herausragend ausgebildet sein, aber auch sich axial erstreckend. Bei axial hervorstehenden Zähnen wird bevorzugt ein entsprechend geformtes Gegenstück verwendet, in das die Zähne in einer Drehrichtung drehmomentübertragend eingreifen und in der anderen Drehrichtung nicht, also eine unabhängige Drehbewegung oder ein Stehen des Rades erlauben.
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Der zweite Freilauf kann irgendwo auf der Ausgangswelle angeordnet sein. Bevorzugt ist er in der Nähe oder direkt am ersten angetriebenen Zahnrad angeordnet und greift dort entweder direkt oder über ein entsprechendes Zwischenstück an diesem Zahnrad an. Dies ist eine besonders platzsparende Lösung.
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Für das automatische Zu- und Abschalten - oder Eingreifen und Lösen - in Abhängigkeit von der Drehzahl empfehlen sich als Kräfte einerseits die Federkraft, die eine Relativbewegung zweier Bauteile erlaubt, und andererseits die Fliehkraft, die ja quadratisch zur Drehzahl ansteigt und so ein sicheres Auslösen erzwingt. Die Relativbewegung der entweder eingreifenden oder sich lösenden Bauteile kann radial verlaufen, indem zum Beispiel dadurch, dass sich verschwenkbare Arme radial durch die Fliehkraft angetrieben nach außen bewegen und in entsprechend geformte Gegenstücke eines radial weiter außen angeordneten Elements eingreifen. Bei axialer Bewegung können bevorzugt eine oder mehrere Feder(n) vorgesehen sein, die eine Zahnscheibe mit axial vorstehenden Zähnen und ihr Gegenstück axial gegeneinander drückt/drücken, und so für den Eingriff sorgen. Zur Ausnutzung der Fliehkraft sind dann bewegliche - auch verschwenkbare - Elemente vorgesehen, die die Zahnscheibe und ihr Gegenstück mittels Fliehkraft axial auseinander drücken.
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Dies können bevorzugt sich radial bewegende Fliehgewichte sein, die sich bei schnellerer Drehung nach radial außen bewegen und den zweiten Freilauf öffnen oder schließen (an- oder abschalten). Die Bewegung nach radial außen kann ein Schwenken einseitig beweglicher, verschwenkbarer Fliehgewichte sein. Bevorzugt werden aber als Fliehgewichte frei bewegliche Körper (Kugeln, Rollen oder ähnliche) verwendet, die in besonders geformten Kammern geführt werden, die bei radialen Nachau-ßen-Bewegung der Körper eine Axialbewegung der Zahnscheibe und/oder dessen Gegenstücks gegen die Federkraft erzwingen.
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Bevorzugt sind dazu in der Zahnscheibe und/oder im Gegenstück Kammern mit Rollbahnen für Fliehgewichte vorgesehen, wobei die Kammern sich entweder nach außen verengen, so dass die Fliehgewichte bei ihrer Radialbewegung eine axiale Kraft auslösen, oder wobei die Kammerwände oder Laufbahnen schräg verlaufen, so dass die Fliehgewichte bei ihrer Radialbewegung ebenfalls eine axiale Kraft bewirken.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann neben der automatischen Auslösung des zweiten Freilaufes über die Drehzahl eine willentliche Auslösung durch den Fahrer vorgesehen sein, der damit die Automatik außer Kraft setzt und selbst bestimmt, ob der zweite Freilauf zu- und abgeschaltet wird. Der willentliche Eingriff - oder das Lösen - kann über Hebel, über an sich bekannte Mechanik, wie Bowdenzug, oder über elektrische, hydraulische oder pneumatische Stellelemente erfolgen. Damit kann der Fahrer zum Beispiel einen Rückwärtsgang einlegen, also in einer Drehrichtung Kraftschluss schaffen, der sonst nicht vorliegt. Ebenso kann er zum Beispiel im Schiebebetrieb bergab zwischen Segeln und Rekuperieren umschalten, also einmal die Drehbewegung des Antriebsrades nicht an den Motor weiterleiten (energiesparend segeln) oder doch weiterleiten (elektrische Energie erzeugen), um die Drehbewegung des Antriebsrades über das Getriebe an den Elektromotor weiterzuleiten, der dann als Generator wirkt und die zurückgewonnene Energie in elektrische Energie umwandelt, um die Batterie nachzuladen. Mit der Erfindung kann er sogar wählen, ob er im ersten oder im zweiten Gang rekuperieren will, wobei im ersten Gang eine besonders hohe Energierückführung - zum Beispiel bei steilen Bergabfahrten - möglich ist. Auch kann so die mechanische Bremse unterstützt oder entlastet werden.
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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: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebes,
- 2: eine andere Ansicht des Zwei-Gang-Getriebes aus 1,
- 3: eine Explosionsdarstellung des Zwei-Gang-Getriebes aus 1,
- 4: den Kraftfluss eines erfindungsgemäßen Getriebes im ersten Gang
- 5: den Kraftfluss eines erfindungsgemäßen Getriebes im ersten Gang beim Rekuperieren,
- 6: den Kraftfluss eines erfindungsgemäßen Getriebes im zweiten Gang,
- 7 und 8: Details eines erfindungsgemäßen zweiten Freilaufs,
- 9: einen erfindungsgemäßen zweiten Freilauf im 1. Gang rekuperierend,
- 10: einen erfindungsgemäßen zweiten Freilauf im Rückwärtsgang,
- 11: einen erfindungsgemäßen zweiten Freilauf im zweiten Gang,
- 12: detaillierter einen erfindungsgemäßen zweiten Freilauf im zweiten Gang,
- 13: den Kraftfluss eines erfindungsgemäßen Getriebes im Rückwärtsgang,
- 14 und 15: den Kraftfluss eines erfindungsgemäßen Getriebes im Rückwärtsgang mit manueller Bedienung des zweiten Freilaufes,
- 16 und 17: den Kraftfluss eines erfindungsgemäßen Getriebes im ersten und zweiten Gang mit manueller Bedienung des zweiten Freilaufes,
- 18: ein erfindungsgemäßes Getriebe im zweiten Gang,
- 19: eine Strategie zum Starten eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebe,
- 20: eine Strategie zum Hochschalten des Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebe,
- 21: eine Strategie zum Rekuperieren des Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebe und
- 22: eine Strategie zum Rückwärtsfahren des Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebe.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebes 10. Das in 1 dargestellte Zwei-Gang-Getriebe 10 weist eine Eingangswelle 12 auf, die drehfest mit einer Motorwelle einer elektrischen Maschine 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. Die erste Gangstufe 14 weist ein erstes antreibendes 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. Auf der Ausgangswelle 18 befinden sich nun erfindungsgemäß ein (in 1 nicht sichtbarer) erster Freilauf 28, eine Reibungskupplung 30 und ein (in 1 nicht sichtbarer) zweiter Freilauf 32. Die Reibungskupplung 30 weist zu ihrer Betätigung einen Kupplungsbetätigungsmechanismus 44 auf.
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2 zeigt eine andere Ansicht des Zwei-Gang-Getriebes aus 1. In dieser Ansicht ist auf der Ausgangswelle 18 der zweite Freilauf 32 zu erkennen, der direkt an dem ersten angetriebenen Zahnrad 22 angeordnet ist, und in dieses direkt oder über ein Gegenstück eingreifen kann.
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3 zeigt eine Explosionsdarstellung des Zwei-Gang-Getriebes aus 1, wobei nunmehr auch der erste Freilauf 28 zu erkennen ist, der sich auf der Abtriebswelle 18 befindet und zwischen Reibungskupplung 30 und erstem angetriebenen Zahnrad 22 angeordnet ist. In der Vergrößerung rechts ist der Aufbau des zweiten Freilaufes 32 gut zu erkennen: Eine Zahnscheibe 34 weist an ihrem radialen Umfang Zähne auf, die in beiden Drehrichtungen unterschiedlich steile Flanken haben. Radial weiter innen befinden sich Kammern, die Fliehgewichte 40 aufnehmen können. Gehalten werden sie im zusammengebauten Zustand von einem sich auf der Ausgangswelle 18 befindlichen Gegenstück. Im zusammengebauten Zustand drückt eine Feder 38 die Zahnscheibe 34 gegen das Gegenstück und in Richtung des ersten angetriebenen Zahnrads 22.
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Zur Erläuterung der Funktion des erfindungsgemäßen Getriebes 10 zeigt 4 den Kraftfluss im ersten Gang. Ein nicht gezeigter Motor treibt (gekrümmter Pfeil oben links) die Eingangswelle 12 mit dem ersten antreibenden Zahnrad 20, welches mit dem ersten angetriebenen Zahnrad 22 kämmt. Der Pfeil oben links zeigt den Kraftfluss zum ersten antreibenden Zahnrad 20. Der nach unten gerichtete Pfeil zeigt den Kraftfluss zu dem ersten Freilauf 28. Das Drehmoment des Motors fließt über die ersten Zahnräder 20 und 22. Das Zahnrad 22 leitet die Drehbewegung über den in dieser Richtung sperrenden Freilauf 28 über eine Innenverzahnung auf die Ausgangswelle 18, die darauf in Drehbewegung versetzt wird, wie der gekrümmte Pfeil unten rechts zeigt. Der nach rechts zeigende Pfeil auf 18 zeigt den Kraftfluss zum Ausgang des Getriebes 10. Die Reibungskupplung 30 ist offen und überträgt kein Drehmoment. Dass sich das Innere der Kupplung 30 mit einer anderen Drehzahl dreht als ihr Kupplungsgehäuse, spielt keine Rolle, da die Kupplung 30 ja offen ist, also kein Moment überträgt. Der zweite Freilauf 32 ist hier durch die Federkraft geschlossen und dreht sich einfach mit der Ausgangswelle 18 mit. Die Zähne seiner Zahnscheibe 34 greifen in das Gegenstück 36. Die Zähne sind so angeordnet, dass sie bei Drehung in Schubrichtung und beim Rückwärtsfahren drehmomentübertragend in das Gegenstück 36 oder direkt in das erste angetriebene Zahnrad 22 eingreifen und der zweite Freilauf 32 also Drehmoment überträgt. Bei Drehung in die Gegenrichtung überträgt der zweite Freilauf 32 kein Drehmoment.
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5 zeigt den Kraftfluss des erfindungsgemäßen Getriebes 10 im ersten Gang beim Rekuperieren, also dem Rückgewinnen elektrischer Energie durch Einleiten von Bewegungsenergie von den Rädern über das Getriebe 10 zum Motor an der Eingangswelle 12, der jetzt als Generator wirkt und Strom erzeugt. Die Reibungskupplung 30 ist im ersten Gang - wie zu 4 beschrieben - offen. Die Kraft fließt nun von den nicht gezeigten Rädern über ihre unten rechts angedeuteten Achsen und einem Differential über eine Untersetzung (in dieser Kraftrichtung Übersetzung) zur Ausgangswelle 18 (Pfeile unten rechts). Die Kraft fließt über den zweiten Freilauf 32, der ja - wie zu 4 beschrieben - geschlossen ist, also sperrt und Drehmoment überträgt, ins erste angetriebene Zahnrad 22 und von dort über das kämmende erste antreibende Zahnrad 20 in die Antriebswelle 12 und von dort zum Motor (Pfeile oben). In der Vergrößerung rechts ist zu sehen, dass die Zähne 48 des zweiten Freilaufes 32 in ihr Gegenstück eingreifen und so die Drehbewegung auf das erste angetriebene Zahnrad 22 übertragen.
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6 zeigt den Kraftfluss des erfindungsgemäßen Getriebes im zweiten Gang (Super Boost). Der Motor treibt die Eingangswelle 12 mit den beiden Festrädern 20 und 24, wobei das zweite antreibende Zahnrad 24 mit dem zweiten angetriebenen Zahnrad 26 kämmt. Die Reibungskupplung 30 nun geschlossen und überträgt das Drehmoment. Das Drehmoment des Motors fließt nun über die Reibungskupplung 30 von den zweiten Zahnrädern 24 und 26 ins Kupplungsgehäuse und von dort über eine Innenverzahnung auf die Ausgangswelle 18, wie die Pfeile links zeigen. Der erste Freilauf 28 wird nun überholt, da die Drehzahl über die zweite Gangstufe der Zahnräder 24 und 26 schneller ist als die Drehzahl der ersten Gangstufe. Der erste Freilauf 28 wird hier von außen - überrollend oder überholend - angetrieben und überträgt kein Drehmoment. Die Kraft fließt von der Ausgangswelle 18 über die Untersetzung zum Differential, die Achsen und die nicht gezeigten Räder (Pfeile rechts unten). Der zweite Freilauf 32 ist nun - wegen der bei den höheren Drehzahlen des zweiten Ganges stärker gewordenen Fliehkraft - geöffnet, das heißt, die Zähne der Zahnscheibe greifen nicht mehr in ihr Gegenstück. Vom zweiten Freilauf 32 wird kein Drehmoment übertragen. In der Vergrößerung rechts ist der Abstand gut zu erkennen.
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7 und 8 zeigen Details eines erfindungsgemäßen zweiten Freilaufs 32. Gezeichnet sind jeweils die Zahnscheibe 34 oder das Gegenstück 36, wobei in 8 auch die Zähne 48 gezeichnet sind. Die Elemente 34 und 36 enthalten mehrere - hier neun - Kammern 42 mit Laufbahnen 50. In den Kammern 42 befindet sich je ein frei bewegliches Fliehgewicht 40.
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7 zeigt den Ort der Fliehgewichte 40 im Stillstand oder bei niedrigen Drehzahlen. Dann befinden sich die Fliehgewichte am radial inneren Ende der Kammern 42. Die Federkraft hat die Elemente 34 und 36 zusammengedrückt und die Fliehgewichte nach radial innen verschoben. Der zweite Freilauf ist geschlossen, greift in einer Drehrichtung und überträgt Drehmoment.
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8 zeigt den Ort der Fliehgewichte 40 bei hohen Drehzahlen. Dann befinden sich die Fliehgewichte am radial äußeren Ende der Kammern 42. Die Fliehkraft hat die Federkraft überstiegen, die Fliehgewichte 40 haben sich nach radial außen verschoben und haben über ihre besonders geformten Laufbahnen 50 die Elemente 34 und 36 auseinandergedrückt. Der zweite Freilauf ist offen und überträgt in beiden Drehrichtungen kein Drehmoment.
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Die 9, 10 und 11 zeigen nochmals die verschiedenen Arbeitszustände des zweiten Freilaufes 32 auf der Ausgangswelle 18.
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9 zeigt den zweiten Freilauf im 1. Gang fahrend oder rekuperierend. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist kleiner als die Hochschaltgeschwindigkeit. Da die Drehzahl deshalb niedrig ist, ist die Zentrifugalkraft kleiner als die Federkraft. Das erste angetriebene Zahnrad 22 mit dem Gegenstück 36 und die Zahnscheibe 34 rotieren in Fahrtrichtung (Pfeil). Im ersten Gang angetrieben (4) kann der zweite Freilauf 32 eigentlich durchrutschen, aber der erste Freilauf 28 überträgt das Drehmoment auf die Ausgangswelle 18. Im ersten Gang rekuperierend (5) ist der Kraftfluss umgekehrt, der zweite Freilauf greift jetzt und überträgt Drehmoment auf das Zahnrad 22.
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10 zeigt den zweiten Freilauf im 1. Gang im Rückwärtsgang fahrend. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist kleiner als die Hochschaltgeschwindigkeit. Da die Drehzahl deshalb niedrig ist, ist die Zentrifugalkraft kleiner als die Federkraft. Das erste angetriebene Zahnrad 22 mit dem Gegenstück 36 und die Zahnscheibe 34 rotieren in Gegenrichtung zu 9 (Pfeile). Das erste angetriebene Zahnrad 22 schließt mit der Zahnscheibe 34 des zweiten Freilaufs kraftschlüssig und überträgt das Drehmoment. Der erste Freilauf 28 rutscht in Rückwärtsrichtung durch. Die Reibungskupplung 30 ist offen und überträgt auch kein Drehmoment.
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11 zeigt den zweiten Freilauf im zweiten Gang, wie in 6 gezeigt mit geschlossener Reibungskupplung 30. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist größer als die Hochschaltgeschwindigkeit. Da die Drehzahl hoch ist, ist die Zentrifugalkraft größer als die Federkraft. Die Fliehgewichte 40 trennen die Zahnscheibe 34 vom Gegenstück 36 in dem ersten angetriebenen Zahnrad 22. Das erste angetriebene Zahnrad 22 überträgt kein Drehmoment auf den zweiten Freilauf, er ist offen. Der zweite Freilauf würde bei dieser Drehrichtung wegen der flachen Zahnflanken auch durchrutschen, auch wenn er nicht getrennt wäre. Dies schützt das Getriebe vor unbeabsichtigtem Verklemmen oder weiteren Schäden.
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12 zeigt detaillierter den erfindungsgemäßen zweiten Freilauf 32 im zweiten Gang des Getriebes 10 bei höheren Geschwindigkeiten. Die Kraft fließt, wie in 6 gezeigt, von der Eingangswelle 12 über das zweite antreibende Zahnrad 24 auf das zweite angetriebene Zahnrad 26 und über die geschlossene Reibungskupplung 30 auf die Ausgangswelle 18. Der erste Freilauf 28 wird überholt. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist höher als die Hochschaltgeschwindigkeit. Also ist auch die Fliehkraft in dem zweiten Freilauf 32 höher als die Kraft der Feder 38 (Federkraft durch den nach links zeigenden Pfeil rechts oben gezeigt). Genauer gesagt wirkt in der Kammer 42 auf der Laufbahn 50 die Fliehkraft Cf auf das Fliehgewicht 40 und drückt es auf der schräg nach außen führenden Laufbahn 50 (Pfeil in dem Fliehgewicht 40) mit der Kraft Cf cos alpha (rechts oben Pfeil nach rechts) nach rechts. Mit alpha ist der Winkel des Pfeiles in dem Fliehgewicht 40 gegen die Waagrechte bezeichnet. Wenn diese Kraft stärker ist als die Federkraft (rechts oben Pfeil nach links), bewegen sich die Zahnscheibe 34 und das Gegenstück 36 voneinander weg, der zweite Freilauf 32 öffnet und überträgt keine Drehmomente mehr in beiden Richtungen.
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13 zeigt den Kraftfluss eines erfindungsgemäßen Getriebes 10 im Rückwärtsgang. Ein Motor M treibt (gekrümmter Pfeil oben links) die Eingangswelle 12 mit dem ersten antreibenden Zahnrad 20, welches mit dem ersten angetriebenen Zahnrad 22 kämmt. Die Pfeile oben links zeigen den Kraftfluss zum ersten antreibenden Zahnrad 20. Der nach unten gerichtete Pfeil zeigt den Kraftfluss zu dem ersten Freilauf 28. Das Drehmoment des Motors M fließt über die ersten Zahnräder 20 und 22. Das Zahnrad 22 leitet die Drehbewegung über den in dieser Richtung sperrenden ersten Freilauf 28 über eine Innenverzahnung auf die Ausgangswelle 18, die darauf in Drehbewegung versetzt wird, wie der gekrümmte Pfeil unten rechts zeigt. Der nach rechts zeigende Pfeil auf 18 zeigt den Kraftfluss zum Ausgang des Getriebes 10. Die Reibungskupplung 30 ist offen und überträgt kein Drehmoment. Der zweite Freilauf 32 ist hier durch die Federkraft geschlossen und überträgt das Drehmoment auf die Ausgangswelle 18. Die Zähne seiner Zahnscheibe greifen in ihr Gegenstück.
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14 und 15 zeigen den Kraftfluss eines erfindungsgemäßen Getriebes 10 im Rückwärtsgang mit manueller Bedienung des zweiten Freilaufes 32. In dieser Ausführung ist eine manuelle Betätigung des zweiten Freilaufes 32 vorgesehen, die ein Ein- und Ausschalten oder ein Lösen und Schließen manuell erlaubt und die Fliehkraftautomatik aufhebt. Öffnen und Schließen kann nun willentlich vom Fahrer betätigt werden und unabhängig von der Drehzahl erfolgen. Hier ist nun der zweite Freilauf 32 willentlich geschlossen worden. Die Kraft fließt vom Motor M über die Eingangswelle 12 und das Zahnradpaar 20, 22 zum zweiten Freilauf 32. Die gekrümmten Pfeile zeigen die Drehrichtungen an. Die Reibungskupplung 30 ist offen. Der erste Freilauf 28 schlupft im Rückwärtsgang. Der zweite Freilauf 32 ist jetzt manuell geschlossen (greifend) und überträgt das Drehmoment von dem ersten angetriebenen Zahnrad 22 auf die Ausgangswelle 18 (Pfeile in 14 und Doppelpfeile im 15).
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16 und 17 zeigen den Kraftfluss eines erfindungsgemäßen Getriebes 10 im ersten und zweiten Gang mit manueller Bedienung des zweiten Freilaufes 32. Hier ist nun der zweite Freilauf 32 willentlich geöffnet worden. Die Zahnscheibe 34 und das Gegenstück 36, dessen möglicher Aufbau - dem der Zahnscheibe 34 komplementär - hierzu erkennen ist, berühren sich nicht. Kein Drehmoment wird übertragen. Die Kraft fließt vom Motor M über die Eingangswelle 12 auf die Ausgangswelle 18 (gekrümmte Pfeile).
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18 zeigt schließlich ein erfindungsgemäßes Getriebe 10 im zweiten Gang, wobei der zweite Freilauf 32 offen ist und kein Drehmoment überträgt.
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19 zeigt eine Strategie zum Starten eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebe. Als Erstes wird der Elektromotor angeschaltet. Dann wird geprüft, ob das Gas (bei einem Elektromotor ist das Wort „Gas“ unzutreffend, da dort kein Gasgemisch, sondern Strom zum Motor geleitet wird. Trotzdem wird „Gasgeben“ auch für elektrische Fahrzeuge verwendet.) kleiner gleich 0% ist und/oder ob die Geschwindigkeit größer gleich einem bestimmten Wert, von zum Beispiel 1 km/h, ist. Falls „Nein“, geht es „Weiter im ersten Gang“. Falls „Ja“, geht es weiter mit Reibungskupplungsbetätigung an. Dann wird geprüft, ob die Reibungskupplung voll geöffnet ist. Ist sie es nicht, geht die Schleife zurück zur Reibungskupplungsbetätigung. Ist sie voll offen, wird die Reibungskupplungsbetätigung ausgeschaltet und es führt zum Start des Fahrzeugs im ersten Gang.
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Nach dem Kästchen „Weiter im ersten Gang“ wird geprüft, ob die Fliehkraft Cf kleiner gleich der Federkraft Sf ist und/oder ob die aktuelle Geschwindigkeit No kleiner gleich der Hochschaltgeschwindigkeit Nu ist. Falls „Nein“, wird die Reibungskupplungsbetätigung angeschaltet. Falls „Ja“, bleibt der zweite Freilauf 32 mit dem ersten angetriebenen Zahnrad 22 kraftschlüssig verbunden. Der erste Freilauf 28 verbindet das erste angetriebene Zahnrad 22 mit der Ausgangswelle 18. Ergebnis: Das Fahrzeug startet im ersten Gang.
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20 zeigt eine Strategie zum Hochschalten des Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebe. Begonnen wird mit Fahren im ersten Gang. Dann wird geprüft, ob das Gas kleiner gleich einem bestimmten Prozentsatz (x%) ist und/oder ob die Geschwindigkeit No größer gleich der Hochschaltgeschwindigkeit Nu ist. Falls „Nein“, geht es „Weiter im ersten Gang“. Falls „Ja“, wird der Hochschaltvorgang begonnen. Dazu wird die Reibungskupplungsbetätigung angeschaltet und geprüft, ob die Reibungskupplung voll geschlossen ist. Bei „Nein“ geht eine Schleife zurück zur Reibungskupplungsbetätigung. Bei „Ja“ befindet sich das Fahrzeug im zweiten Gang.
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Nach dem Kästchen „Weiter im ersten Gang“ wird geprüft, ob die Fliehkraft Cf größer gleich der Federkraft Sf ist und/oder ob die aktuelle Geschwindigkeit No größer gleich der Hochschaltgeschwindigkeit Nu ist. Falls „Ja“, wird das Hochschalten begonnen. Bei „Ja“ ist hat aber auch die Fliehkraft den zweiten Freilauf 32 vom ersten angetriebenen Zahnrad 22 abgekoppelt. Der erste Freilauf 28 wird von den höheren Drehzahlen überrollt und erlaubt ein schnelleres Fahren im zweiten Gang. Das Fahrzeug befindet sich im zweiten Gang, der Motor treibt es an. Sollte sich versehentlich der zweite Freilauf nach dem Hochschalten in den zweiten Gang nicht gelöst haben, wäre das auch nicht schlimm, weil dann der zweite Freilauf 32 vom zweiten angetriebenen Zahnrad 22 „durchrutscht“ und verhindert, dass das Getriebe klemmt.
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21 zeigt eine Strategie zum Rekuperieren des Fahrzeugs auch im ersten Gang mit einem erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebe. Begonnen wird mit Fahren im ersten Gang. Dann wird geprüft, ob das Fahrzeug langsamer wird und/oder ob die Gasstellung größer gleich als ein bestimmter Wert x% ist. Bei „Nein“ geht es weiter im ersten Gang. Bei „ja“ wird geprüft, ob die Fliehkraft Cf kleiner gleich der Federkraft Sf ist und/oder ob die aktuelle Geschwindigkeit No kleiner gleich der Hochschaltgeschwindigkeit Nu ist. Bei „Ja“ greift der ist der zweite Freilauf 32. Er ist mit dem ersten angetriebenen Zahnrad 22 kraftschlüssig verbunden, da jetzt ja das Drehmoment in Schubrichtung (coast direction) vom Rad her kommt. Es erfolgt ein hoch effektives Rekuperieren im ersten Gang, der Motor wirkt als Generator. Bei „Nein“ wird die Reibungskupplung 30 betätigt. Die Kraft fließt über die zweite Gangstufe 16, das Fahrzeug rekuperiert im zweiten Gang, der Motor wirkt wieder als Generator.
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22 zeigt eine Strategie zum Rückwärtsfahren des Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Zwei-Gang-Getriebe. Als Erstes wird der Motor angeschaltet. Dann wird geprüft, ob das Gas größer gleich 0 % ist und/oder ob die Geschwindigkeit No kleiner gleich Nu ist. Bei „Nein“ geht es weiter zu „Motorgeschwindigkeit so setzen, dass No kleiner gleich Nu ist“. Dann koppelt sich der zweite Freilauf 32 an das erste angetriebene Zahnrad 22. Bei „ja“ wird geprüft, ob die Fliehkraft Cf kleiner gleich der Federkraft Sf ist und/oder ob die aktuelle Geschwindigkeit No kleiner gleich der Hochschaltgeschwindigkeit Nu ist. Bei „Nein“ geht es zu „Motorgeschwindigkeit so setzen, dass No kleiner gleich Nu ist“, bei „Ja“ koppelt sich der zweite Freilauf 32 an das erste angetriebene Zahnrad 22. Der zweite Freilauf 32 koppelt also das erste angetriebene Zahnrad 22 mit der Ausgangswelle 18. Das Fahrzeug startet im Rückwärtsgang durch die erste Gangstufe 14 und den zweiten Freilauf 32.
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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
- erster Freilauf
- 30
- Reibungskupplung
- 32
- zweiter Freilauf
- 34
- Zahnscheibe
- 36
- Gegenstück
- 38
- Feder
- 40
- Fliehgewicht
- 42
- Kammer
- 44
- Kupplungsbetätigungsmechanismus
- 46
- Keilverzahnung
- 48
- Zahn
- 50
- Laufbahn
