DE10358114A1

DE10358114A1 - Getriebe mit stufenlos verstellbarer Übersetzung, mit oder ohne Leistungsverzweigung sowie mit und ohne E-Maschine

Info

Publication number: DE10358114A1
Application number: DE10358114A
Authority: DE
Inventors: Martin Vornehm; Christian Dr. Lauinger; Hartmut Dr. Faust; Michael Reuschel
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2004-07-01
Also published as: JP2004205046A; US7704177B2; CN1514148A; JP4686734B2; US20080146398A1; CN100436876C; US7311629B2; US20040224811A1; CN101392825B; CN101392825A

Abstract

Ein leistungsverzweigtes Getriebe mit mehreren Übersetzungsbereichen mit stufenlos verstellbarer Übersetzung enthält eine Antriebswelle (2), die über ein Verteilergetriebe (12) mit den beiden Wellen (14, 16) eines Variators (4) verbunden ist, welche Wellen wiederum über je eine Kupplung (K¶13¶, K¶2R¶) mit den Eingangswellen (18, 20) eines Parallelschaltgetriebes (20) verbunden sind. Zwei Übersetzungsbereiche unterscheiden sich lediglich durch die Übersetzung zwischen einer Eingangswelle des Parallelschaltgetriebes und dessen Ausgangswelle. Zusätzlich kann das leistungserzeugte Getriebe eine elektrische Maschine (61) enthalten. Eine weitere Ausführungsform eines Getriebes mit stufenlos veränderbarer Übersetzung enthält einen Variator, ein erstes Planetengetriebe, das mit einer Antriebswelle der Eingangswelle des Variators und einer Verbindungswelle verbunden ist, sowie ein zweites Planetengetriebe, das mit der Verbindungswelle der Ausgangswelle des Variators und einer Abtriebswelle verbunden ist, und eine E-Maschine, die drehfest mit der Verbindungswelle verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein leistungsverzweigtes Getriebe mit mehreren Übersetzungsbereichen mit stufenlos verstellbarer Übersetzung sowie ein Parallelschaltgetriebe, insbesondere zur Verwendung in einem solchen Getriebe. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines leistungsverzweigten Getriebes. Zusätzlich betrifft die Erfindung Verfahren zum Steuern des Anpressdruckes bzw. der Anpresskraft zwischen den Kegelscheiben und dem Umschlingungsmittel eines Variators in einem solchen leistungsverzweigten Getriebe. Die Erfindung betrifft ferner ein solches. Getriebe, das zusätzlich eine elektrische Maschine beinhaltet. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur verlustarmen Erzeugung eines Ausgangsmomentes dieses Getriebes bei stehendem Fahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines Getriebes mit stufenlos veränderbarer Übersetzung und E-Maschine.
Automatische Getriebe mit kontinuierlich verstellbarer Übersetzung gewinnen nicht nur wegen eines hohen Fahrkomforts, sondern auch wegen des geringeren Kraftstoffverbrauches gegenüber herkömmlichen, mit Planetensätzen arbeitenden automatischen Getrieben in Kraftfahrzeugen zunehmend Interesse. Solche Getriebe enthalten beispielsweise einen Variator, der durch zwei von einem Umschlingungsmittel umschlungene Kegelscheibenpaare gebildet ist, wobei der Abstand zwischen den Kegelscheiben der Kegelscheibenpaare zur Übersetzungsverstellung gegensinnig verstellbar ist.
Ein Problem der Variatoren liegt in deren begrenztem Übersetzungsverstellbereich sowie dem begrenzten Drehmomentübertragungsvermögen. Um die Getriebespreizung, d. h. den Übersetzungsverstellbereich und das Drehmomentübertragungsvermögen zu vergrößern, wurden leistungsverzweigte automatische Getriebe geschaffen, bei denen der Variator über wenigstens eine Kupplung in unterschiedlicher Weise mit einem Zahnradgetriebe verbindbar ist, wobei der Verstellbereich des Variators je nach Kupplungsstellung beim Verändern der Übersetzung des Gesamtgetriebes in der ei nen oder anderen Richtung durchfahren wird, so dass sich eine vergrößerte Getriebespreizung bei ggf. reduzierter Variatorspreizung ergibt. Weiter muss der Variator zumindest im leistungsverzweigten Getriebe, bei dem ein Teil des Antriebsmoments parallel zum Variator über die Kupplung unmittelbar zum Zahnradgetriebe oder dem Abtrieb übertragen wird, nicht das gesamte Antriebsmoment übertragen, wodurch das Drehmomentübertragsvermögen des Getriebes vergrößert wird.

1 zeigt die Grundstruktur einer ersten Ausführungsform eines bekannten leistungsverzweigten Getriebes.

Das von einem nicht dargestellten Motor herrührende, auf eine Antriebswelle 2 übertragene Antriebsmoment wird einerseits direkt auf einen Variator 4 und andererseits über eine Kupplung 6 auf ein als Summiergetriebe oder Koppelgetriebe ausgebildetes Zahnradgetriebe 8 übertragen, von dem ein Eingang mit dem Ausgang des Variators 4 verbunden ist und dessen Ausgang durch eine Abtriebswelle 10 gebildet ist, von der aus das Fahrzeug angetrieben wird. Eine Eigenart des leistungsverzweigten Getriebes mit der Grundstruktur gemäß der 1 liegt darin, dass der Variator 4 im unverzweigten Bereich (Kupplung 6 geöffnet) das volle Motormoment übertragen muss und entsprechend auf hohe Momente und hohe Drehzahlen ausgelegt sein muss, was Aufwand bedeutet. Bekannte leistungsverzweigte Getriebe dieser Struktur haben eine maximale Spreizung von 7 und ein Drehmomentübertragungsvermögen von ca. 500 Nm.

Eine abgeänderte Grundstruktur leistungsverzweigter Getriebe ist in 2 dargestellt. Bei dieser Struktur treibt die Antriebswelle 2 unmittelbar ein eingangsseitiges Verteilergetriebe 12, beispielsweise ein Planetengetriebe an, das zwei Ausgänge hat, von denen einer mit einem Variator 8 und der andere über eine Kupplung 6 mit einer Abtriebswelle 10 verbunden ist, die zusätzlich in drehfestem Eingriff mit dem Ausgang des Variators 8 ist. Auch bei dieser Ausführungsform muss der Variator 8 bei offener Kupplung 6 die gesamte Motorleistung übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsatzmöglichkeiten von Getrieben mit stufenlos verstellbarer Übersetzung zu erweitern.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe wird mit einem leistungsverzweigten Getriebe mit mehreren Übersetzungsbereichen mit stufenloser Übersetzung erzielt, das enthält eine Antriebswelle zur drehfesten Verbindung mit einem Motor, welche Antriebswelle über ein Verteilergetriebe mit den beiden Wellen eines Variators verbunden ist und ein Parallelschaltgetriebe, dessen Eingangswellen über je eine Kupplung mit je einer Welle des Variators kuppelbar sind und dessen Ausgangswelle die Abtriebswelle des leistungsverzweigten Getriebes bildet, wobei wenigstens zwei Übersetzungsbereiche sich nur durch die Übersetzung zwischen einer Eingangswelle des Parallelschaltgetriebes und dessen Ausgangswelle unterscheiden.

Das erfindungsgemäße Getriebe hat durch Integration eines in seinem Aufbau an sich bekannten Parallelschaltgetriebes (oft auch Doppelkupplungsgetriebe genannt) mehrere Übersetzungsbereiche, die eine optimierte Auslegung ermöglichen und eine Entlastung des Variators erlauben. Das Drehmomentübertragungsverrnögen des Getriebes kann beispielsweise bei einer Variatorkapazität von 300 Nm auf über 500 Nm gesteigert werden. Die Betätigung des erfindungsgemäßen Getriebes erfolgt über Steuerung der Übersetzung des Variators, der beiden Kupplungen und die an sich bekannte Schaltung der Gänge des Parallelschaltgetriebes, die über eine unkompliziert zu betätigende Klauenschaltung möglich ist.

Mit Vorteil enthält das Verteilergetriebe ein Planetengetriebe.

Vorteilhafterweise sind durch Schließen der einen Kupplung und Verändern des Zahnradeingriffs zwischen der einen der Eingangswellen des Parallelschaltgetriebes und dessen Ausgangswelle Übersetzungsbereiche I und III und durch Schließen der anderen Kupplung und Verändern des Zahnradeingriffs zwischen der anderen der Eingangswellen des Parallelschaltgetriebes und dessen Ausgangswelle Übersetzungsbereiche II und R schaltbar. Eine Erweiterung auf noch mehr Übersetzungsbereiche ist durch Erweiterung des Parallelschaltgetriebes möglich.

Vorteilhafterweise weist die Ausgangswelle des Parallelschaltgetriebes ein für die Übersetzungsbereiche I und R und/oder II und III verwendetes Zahnrad auf. Damit wird die Anzahl der Bauteile des Getriebes vermindert.

Eine weitere Verminderung der Anzahl unterschiedlicher Komponenten bzw. Zahnräder lässt sich dadurch erreichen, dass das Parallelschaltgetriebe mit Kehrwertübersetzungen ausgeführt ist, insbesondere mit den Werten von etwa 2, etwa 1 und etwa 1/2, weil das eine gute Anpassung an die Variatorspreizung ergibt.

Der Schaltaktor des Parallelschaltgetriebes ist vorteilhafterweise als alle Schaltmuffen des Parallelschaltgetriebes betätigende Schaltwalze oder als Dreh-Schiebe-Aktor ausgebildet.

Vorteilhaft ist weiter, das Planetengetriebe als ein Plusgetriebe ohne Hohlrad auszuführen oder aber den Planetenträger selbst als Zahnrad mit einer Außenverzahnung auszuführen.

Ein Parallelschaltgetriebe, wie es vorteilhafterweise in einem der vorgenannten Getriebe verwendet werden kann, weist zwei über je eine Kupplung wahlweise antreibbare Eingangswellen auf, die über jeweils wenigstens einen Radsatz im Dreheingriff mit einer Abtriebswelle bringbar sind, wobei ein Rückwärtsgang dadurch gebildet ist, dass zwischen einem drehfest mit der Abtriebswelle verbundenen Zahnrad ein Zwischenrad angeordnet ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform eines Parallelschaltgetriebes ist ein Rückwärtsgang dadurch gebildet, dass das Parallelschaltgetriebe, zwei über je eine Kupplung wahlweise antreibbare Eingangswellen aufweist, die über jeweils wenigstens einen Radsatz im Dreheingriff mit einer Abtriebswelle bringbar sind, wobei ein Rückwärtsgang dadurch gebildet ist, dass ein drehfest mit einer über die geschlossene zugehörige Kupplung der angetriebenen Eingangswelle verbundenes Rad mit einem drehfest mit der anderen Eingangswelle verbundenem Zusatzrad kämmt, welche andere Ein gangswelle über einen Vorwärtsgangradsatz drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist.

Beim Betreiben des leistungsverzweigten Getriebes wird ein neuer Übersetzungsbereich vorteilhaftervveise durch Schalten des Parallelschaltgetriebes lange vor der entsprechenden Kupplungsumschaltung eingelegt.

Weiter ist es zweckmäßig, bei stehendem Fahrzeug und neutraler Wählhebelstellung beide Kupplungen offen und die Übersetzungsbereiche I und R eingelegt zu haben. Damit kann durch Schließen einer Kupplung sofort in der richtigen Richtung losgefahren werden.

Zur Steuerung des Anpressdruckes zwischen den Kegelscheiben und dem Umschlingungsmittel bei einem Variator wird häufig das von dem Umschlingungsmittel übertragene Drehmoment verwendet. Dieses Drehmoment kehrt sich bei derartigen leistungsverzweigten Getrieben mit mehreren Übersetzungsbereichen bei einem Umschalten zwischen den Übersetzungsbereichen um, so dass die Verwendung eines Drehmomentfühlers, der einen Anpressdruck durch mehr oder weniger weites, vom Drehmoment abhängiges Öffnen eines Steuerventils steuert, auf Schwierigkeiten stößt und aufgrund seiner Umschlaglose sich nachteilig auf den Komfort im Umschaltpunkt auswirken kann.

Endungsgemäß wird daher ein leistungsverzweigtes Getriebe mit mehreren Übersetzungsbereichen mit stufenlos verstellbarer Übersetzung geschaffen, das enthält eine Antriebswelle zur drehfesten Verbindung mit einem Motor, welche Antriebswelle über ein Verteilergetriebe mit den beiden Wellen eines Variators verbunden ist, wenigstens zwei Kupplungen, mit denen je eine der Wellen des Variators über ein Getriebe mit einer Abtriebswelle des leistungsverzweigten Getriebes kuppelbar ist, und eine Drehmomentfühleinrichtung zum Erfassen des an der Antriebswelle bzw. einer mit dem Verteilergetriebe verbundenen Welle wirksamen Drehmoments und zum Steuern eines an mindestens einer Wegscheibe des Variators wirksamen Grundanpressdruckes.

Auf diese Weise kann ein vom Eingangsmoment abhängiger Grundanpressdruck von einer in ihrem Aufbau an sich bekannten Drehmomentfühleinrichtung erzeugt werden.

Vorteilhaft ist weiter ein Verfahren zum Steuern der Anpresskräfte zwischen den Kegelscheiben und dem Umschlingungsmittel eines Variators in einem leistungsverzweigten Getriebe mit mehreren Übersetzungsbereichen mit stufenlos verstellbarer Übersetzung, bei welchem Verfahren das an der Antriebswelle des leistungsverzweigten Getriebes wirksame Drehmoment gemessen wird und mindestens ein Anpressdruck entsprechend dem wirksamen Drehmoment gesteuert wird.

Das vorgenannte Verfahren wird vorteilhaft derart durchgeführt, dass der Grundanpressdruck erfasst wird und zur Steuerung weiterer, zur erforderlichen Gesamtanpresskraft beitragender Drücke verwendet wird.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird der Grundanpressdruck erfasst und zur Steuerung bzw. Regelung der Drucke von zur Umschaltung zwischen den Übersetzungsbereichen vorgesehenen Kupplungen verwendet.

In vielerlei Hinsicht vorteilhaft ist es, wenn ein leistungsverzweigtes Getriebe wie vorstehend beschrieben, zusätzlich umfasst eine elektrische Antriebs/Generatormaschine und eine weitere Kupplung. Die Kupplung kann z.B. dazu dienen, ein weiteres Planetengetriebe, mit dessen einer Komponente die elektrische Maschine drehfest verbunden ist, zu verblocken, wobei im blockierten Zustand die elektrische Maschine drehfest mit der Getriebestruktur verbunden ist und im nichtverblockten Zustand das Gesamtgetriebe einen erweiterten Betriebsbereich besitzt, indem die elektrische Maschine betätigt wird. Die Kupplung kann aber auch nur dazu dienen, die Leistungsverzweigung aufzuheben, indem eine drehfeste Verbindung geöffnet wird.

Die zusätzliche elektrische Maschine ermöglicht zahlreiche weitere Betriebszustände, je nach Ansteuerung der elektrischen Maschine und der Blockadekupplung. Bei spielsweise können Verlustleistungen bei stehendem Fahrzeug, bei dem ein Ankriechen erwünscht ist, verringert werden.

Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Betreiben eines solchen leistungsverzweigten Getriebes treibt im Stillstand des Fahrzeugs dessen Antriebsmotor über das leistungsverzweigte Getriebe die elektrische Maschine an, wodurch elektrische Leistung erzeugt wird, und werden die Reibkupplungen des Getriebes, die Übersetzung des Variators sowie die elektrische Maschine derart angesteuert, dass ein Moment am Getriebeausgang entsteht, wobei die Reibleistung der Kupplungen kleiner ist als die Generatorleistung der Maschine. Das so erzeugte Moment am Getriebeausgang ist anschaulich das Abstützmoment der Getriebeübersetzung zwischen Verbrennungsmotor und Generator. Dieses Moment am Getriebeausgang kann also im Idealfall ohne Reibschlupf an einer Anfahrkupplung erzeugt und zum Anfahren verwendet werden.

Eine weitere Lösung der Erfindungsaufgabe wird mit einem Getriebe mit stufenlos veränderbarer Übersetzung erzielt, das enthält: einen Variator mit einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle, deren Übersetzung stufenlos verstellbar ist, ein erstes Planetengetriebe, das mit einer Antriebswelle, der Eingangswelle des Variators und einer Verbindungswelle verbunden ist, ein zweites Planetengetriebe, das mit der Verbindungswelle, der Ausgangswelle des Variators und einer Abtriebswelle verbunden ist, und eine E-Maschine, die drehfest mit der Verbindungswelle verbunden ist.

Eine wichtige Eigenschaft der erfindungsgemäßen Getriebestruktur ist, dass der Variator, der beispielsweise als Kegelscheibenumschlingungsgetriebe oder als Reibradgetriebe ausgebildet sein kann, und die E-Maschine, die vorteilhafterweise im motorischen und generatorischen Betrieb betreibbar ist, im "Inneren des Getriebes" angeordnet sind.

Mit Vorteil ist die Antriebswelle über eine Kupplung mit dem ersten Planetengetriebe und über eine weitere Kupplung mit der Eingangswelle des Variators kuppelbar.

Bei einer vorteilhaften Konfiguration des erfindungsgemäßen Getriebes sind bei dem ersten Planetengetriebe das Hohlrad mit der Kupplung, das Sonnenrad mit der Eingangswelle und der Träger mit der Verbindungswelle verbunden und bei dem zweiten Planetengetriebe der Träger mit der Verbindungswelle, das Sonnenrad mit der Ausgangswelle und das Hohlrad mit der Abtriebswelle verbunden.

Bei einer alternativen vorteilhaften Konfiguration des erfindungsgemäßen. Getriebes sind bei dem ersten Planetengetriebe dar Planetenträger mit der Antriebswelle, das Sonnenrad mit der Eingangswelle und des Hohlrad mit der Verbindungswelle verbunden und bei dem zweiten Planetengetriebe der Träger mit der Abtriebswelle, das Sonnenrad mit der Ausgangswelle des Variators und das Hohlrad mit der Verbindungswelle verbunden. Dieses Getriebe stellt eine Erweiterung der in 3 abgebildeten erfindungsgemäßen Struktur dar, wenn ein zweites Planetengetriebe eingeführt wird.

Bevorzugt enthält das Getriebe eine Bremse, mit der der Rotor der E-Maschine festbremsbar ist.

Das erfindungsgemäße Getriebe lässt eine Vielzahl von Betriebszuständen zu und kann nach unterschiedlichsten Verfahren gesteuert werden.

Bei einem vorteilhaften Vefhahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Getriebes wird ein leistungsverzweigter Fahrbereich durch gleichzeitiges Schließen der beiden Kupplungen gebildet.

Vorteilhafterweise wird bei drehangetriebener Antriebswelle und stillstehender Abtriebswelle ein Kriechmoment mittels Steuerung der Bremse und/oder Steuerung eines Generatormoments der E-Maschine eingestellt.

Der Variator kann bei stillstehendem Fahrzeug und über die Bremse und/oder das Generatonnoment der E-Maschine gesteuertem Kriechmoment verstellt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe kann die Übersetzung des Variators derart eingestellt werden, dass die Übersetzung des Getriebes unabhängig von der Drehzahl der Verbindungswelle ist und die Drehzahl der Verbindungswelle mittels der E-Maschine derart eingestellt wird, dass der Variator in einem Bereich verminderter Schädigung seines Umschlingungsmittels dreht.

Weiter ist es möglich, die Spreizung des Variators durch Steuerung der Drehzahl der E-Maschine zu erhöhen.

Wenn das Getriebe wenigstens eine zusätzliche Kupplung zum Umschalten zwischen zwei Übersetzungsbereichen aufweist, kann die Umschaltung zwischen den Übersetzungsbereichen vorteilhafterweise unter Steuerung der Drehzahl der E-Maschine erfolgen.

Mit dem erfindungsgemäßen Getriebe ist es möglich, im Schubbetrieb des Getriebes die Drehzahl der E-Maschine durch Einstellen der Übersetzung des Variators zu steuern und dadurch beim Abbremsen des Fahrzeuges freiwerdende mechanische Energie in Form elektrischer Energie mit gutem Wirkungsgrad zu speichern.

Das Anlassen eines Antriebsmotors zum Antreiben. der Antriebswelle des erfindungsgemäßen Getriebes kann mittels der E-Maschine erfolgen, wobei nach deren Anlauf der Antriebsmotor an das Getriebe gekuppelt wird., Bei der in den 12 bis 14 oder 23 dargestellten Struktur erfolgt diese Ankopplung durch Betätigung der Kupplung KB.

Vorteilhafterweise treibt die E-Maschine bei noch nicht laufendem Antriebsmotor eine Hydraulikpumpe zur Versorgung der entsprechenden Systeme des Fahrzeugantriebsstrang an.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Zeichnungen stellen dar:
1 eine Grundstruktur eines bekannten leistungsverzweigten Getriebes,
2 eine Grundstruktur einer weiteren Ausführungsform eines bekannten leistungsverzweigten Getriebes,
3 ein Beispiel einer Grundstruktur eines erfindungsgemäßes Getriebes,
4 und 5 zwei Beispiele für die Drehzahlumkehr im Rückwärtsgang eines Parallelschaltgetriebes,
6 ein Parallelschaltgetriebe für Allradantrieb,
7 ein Beispiel des Aufbaus eines im Getriebe gemäß 3 enthaltenen Verteilergetriebes,
8 Kurven zur Erläuterung der Funktionsweise des Getriebes gemäß 7, 9 eine abgeänderte Ausführungsform eines Verteilergetriebes,
10 einen Ausschnitt eines .Schnittes durch ein Getriebe mit integriertem Drehmomentfühler,
11 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der hydraulischen Ansteuerung eines Variators, Fig. 12bis 14 Strukturen von stufenlos verstellbaren Getrieben mit Leistungsverzweigung und Parallelschaltgetriebe am Ausgang mit zusätzlicher Elektromaschine,
15 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Steuerung eines Getriebes gemäß den 12-14 und 23.
16 die Struktur eines erfindungsgemäßen Getriebes zusammen mit Elementen seiner Steuereinrichtung,
17 ein Kugeldiagramm zur Erläuterung der Freiheitsgrade und der Funktion des erfindungsgemäßen Getriebes,
18 ein Kugeldiagramm, das für eine beispielhafte Getriebestruktur die erforderliche Übersetzung des Variators angibt,
19. ein Kugeldiagramm zur Erläuterung verschiedener Betriebsweisen des Getriebes,
20 ein Kugeldiagramm zur Erläuterung weiterer Eigenschaften des Getriebes,
21 zwei Beispiele von Getriebestrukturen, bei denen die E-Maschine mit umschaltbarer Übersetzung drehfest mit der Verbindungswelle verbindbar ist.
22 zeigt einen vereinfachten Aufbau, bei dem ein Planetensatz entfallen kann.
Gemäß 3 bildet die mit einem nicht dargestellten Antriebsmotor verbundene Antriebswelle 2 eines leistungsverzweigten Getriebes die Eingangswelle eines Verteilergetriebes 12, dessen Ausgangswellen drehfest mit Wellen 14 und 16 eines Variators 4 verbunden sind. Die Welle 14 des Variators 4 ist über eine Kupplung K₁₃ mit einer Eingangswelle 18 eines Parallelschaltgetriebes 20 verbunden. Die Welle 16 ist über eine weitere Kupplung K_2R mit einer weiteren Eingangswelle 22 des Parallelschaltgetriebes verbunden.
Auf der Eingangswelle 18 des auch Doppelkupplungsgetriebe genannten Parallelschaltgetriebes sind zwei Zahnräder 24₃ und 24₁ angeordnet. Die Zahnräder 24₃ und 24₁ sind über einen Schaltmechanismus 26 in an sich bekannter Weise mit je einem von zwei Zahnrädern 28 und 30 derart in Eingriff bringbar, dass eine drehfeste Kopplung zwischen der Welle 18 und der Abtriebswelle 10 besteht.
In ähnlicher Weise sind auf der Eingangswelle 22 angeordnete Zahnräder 24₂ und 24_R über einen an sich bekannten Schaltmechanismus 31 mit je einem der beiden Zahnräder 28 und 30 derart in Eingriff bringbar, dass eine drehfeste Kopplung zwischen der Eingangswelle 22 und der Abtriebswelle 10 besteht.
Im dargestellten Beispiel ist bei drehfester Kopplung zwischen der Eingangswelle 18 und der Abtriebswelle 10 über die Zahnräder 24₁ und 30 eine Übersetzungsstufe 1 geschaltet, bei Kopplung über die Zahnräder 24₃ und 28 eine Übersetzungsstufe II geschaltet, bei Kopplung über die Zahnräder 24₂ und 28 eine Übersetzungsstufe III geschaltet und bei Kopplung über die Zahnräder 24_R und 30 eine Rückwärtsfahrstufe R geschaltet, bei der in an sich bekannter Weise ein Zwischenrad wirksam ist. Bei geschlossener Kupplung K₁₃ ist einer der Übersetzungsbereiche 1 oder III aktiviert, bei geschlossener Kupplung K_2R ist einer der Übersetzungsbereiche II oder R aktiviert.
Die Schaltmechanismen 26 und 31 können in einfacher Weise wie eine Klauenschaltung, ggf. mit Synchronisierungen, ausgebildet sein. Zur Betätigung sind an sich bekannte Aktoren geeignet, beispielsweise ein Schaltwalzenaktor, der aus einer Drehbewegung die Schiebebetätigungen beider Schaltklauen bzw. Schiebemuffen der Schaltmechanismen 26 und 32 erzeugt.
Wie ersichtlich, werden die Zahnräder 28 und 30 jeweils in zwei Übersetzungsstufen benutzt, wodurch ein einfacher Aufbau des Parallelschaltgetriebes gegeben ist. Zur weiteren Verminderung der Zahnradvielfalt ist es möglich, die Übersetzungsstufen 1 und III mit reziproken bzw. Kehrwertübersetzungen auszuführen.
Der Rückwärtsgang kann mit sehr kurzer Übersetzung ausgeführt werden.
Für den Rückwärtsübersetzungsbereich R notwendige Drehzahlumkehr gibt es verschiedene Möglichkeiten, von denen zwei anhand der 4 und 5 erläutert werden.
Bei der Ausführungsform gemäß 4 ist zwischen dem Zahnrad 24R und dem mit der Abtriebswelle 10 drehfest verbundenen Zahnrad 30 eine Zwischenwelle bzw. ein Zwischenrad 32₁ angeordnet, über das bei drehfester Kupplung des Zahnrades 24_R mit der Eingangswelle 22 die Drehrichtungsumkehr der Abtriebswelle 10 erfolgt. Diese Ausführungsform ist auch in 3 schematisch dargestellt.
Das in 4 angegebene Schaltschema zeigt für die einzelnen Übersetzungsbereiche 1, 2, 3 und R die Schaltzustände der Kupplungen K13 und K2R sowie die Kupplung der jeweiligen Zahnräder 24₁ , 24₂ , 24₃ und 24_R mit den zugehörigen Wellen, wobei 1 den gekuppelten Zustand bezeichnet, 0 den nicht gekuppelten Zustand bezeichnet und X aussagt, dass es gleichgültig ist, welcher Kupplungszustand vorliegt.
5 zeigt eine weitere Möglichkeit der Drehzahlumkehr für Rückwärtsfahrt. Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist mit der Eingangswelle 18 ein Zusatzrad 322 drehfest verbunden, das mit dem Rückwärtsrad 24R kämmt. Wie das Schaltschema der 5 aussagt, ist bei eingelegter Rückwärtsfahrstufe die Kupplung K_2R angeschlossen, so dass die Eingangswelle 18 bei offener Kupplung K_1R über das Zusatzrad 32₂ drehangetrieben ist und über den geschalteten ersten Gang (Zahnrad 24₁) und das drehfest mit der Abtriebswelle 10 verbundene Zahnrad 30 die Abtriebswelle 10 mit gegenüber der Vorwärtsfahrt umgekehrter Drehrichtung antreibt. Es versteht sich, dass auch ein anderer Radsatz geschaltet sein könnte.
6 zeigt ein Paralellschaltgetriebe gemäß 4 in seiner Anwendung für einen Allradantrieb, wobei die Ausführungsform des Rückwärtsgangs der der 4 entspricht. Die Abtriebswelle 10 ist hohl ausgeführt und bildet die Eingangswelle für ein Differential 33, beispielsweise ein TorSendifferential, dessen Abtriebswellen zu den Vorderrädern und den Hinterrädern führen, wobei aus Raumgründen die zu den Vorderrädern führende Abtriebswelle vorteilhafterweise durch die hohl ausgeführte Abtriebswelle 10 hindurchgeführt ist.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verteilergetriebes 12 mit nachgeschaltetem, als Kegelscheibenumschlingungsgetriebe ausgebildeten Variator 4 und Parallelschaltgetnebe 20.
Die Antriebswelle 2 ist drehfest mit dem Träger T einer Planetenstufe 34 verbunden, dessen Planetenräder mit dem Sonnenrad S kämmen, das drehfest mit der Welle 14 des Variators 4 verbunden ist. Das Hohlrad H der Planetenstufe 34 ist über ein Zahnrad X2 und ein Zwischenrad mit einem weiteren Zahnrad Y2 in Dreheingriff, das drehfest mit der Welle 16 des Variators 4 verbunden ist. Die Planetenübersetzung beträgt beispielsweise – 1,5 und die Übersetzung zwischen dem Hohlrad und Y2 beträgt + 0,7. Die Übersetzungen des Parallelschaltgetriebes 20, die über die Kupplung K₁₃ geschaltet werden, betragen – 0,5 und – 2; über die Kupplung K_2R werden die Übersetzungen – 1 oder + 3 geschaltet. Mit der beschriebenen Struktur lässt sich bei einer Variatorspreizung von 4 (0,5 bis 2) eine Gesamtspreizung von 8,1 (0,91 bis 7,44) erzeugen, die an einem nicht dargestellten DifFerential noch an das jeweilige Fahrzeug anpassbar ist. Das auf der Zugseite des Variators 4 auftretende maximale Moment beträgt 42 % des maximalen Motormoments. Die maximalen Drehzahlen der Scheibenpaare des Variators betragen etwa 163 % der Motordrehzahl. Bei Erhöhung der Variatorspreizung auf 6 (0,4 bis 2,4) liefert die gleiche Struktur ein Getriebe mit einer Gesamtspreizung von 10,1.
In 8 zeigen die Kurven R, I, II und III die Übersetzungen i des Gesamtgetriebes (Ordinate), abhängig von der jeweiligen Übersetzung des Variators i_var (Abszisse) für den in den Übersetzungsbereichen R (rückwärts), I, II und III. Bei den Übersetzungen UD__VAR und OD__VAR erfolgen die Umschaltungen zwischen den Bereichen durch Umschalten der jeweiligen Kupplungen K₁₃ und K_2R, wobei die jeweiligen Übersetzungsstufen in dem Parallelschaltgetriebe jeweils bereits vorher eingelegt werden.
Die gestrichelten, waagerechten Geraden geben die auf das Motormoment bezogenen Zugmomente am Variator an, die in den Bereichen I und III 42 % sowie in den Bereichen R und II 40 % betragen.
Die strichpunktierten Kurven geben die auf Motorleistung bezogenen Variatorleistungen an und betragen maximal 70 % in den Fahrstufen 1 und 3 bzw. maximal 73 in den Fahrstufen 2 und 3. Die mittlere Leistung beträgt etwa 50 % der Motorleistung.
Mit dem geschilderten Getriebe lassen sich sehr hohe Momente übertragen, beim derzeitigen Entwicklungsstand mit einem zulässigen Variatormoment von etwa 400 Nm, etwa 800 Nm Motormoment.
Bei einer weiteren vorteilhaften Struktur des mit einer Planetenstufe ausgerüsteten Verteilergetriebes 12 ist die Antriebswelle 2 über das Hohlrad und das Sonnenrad drehfest mit der Welle 14 des Variators 4 verbunden über den Träger und zwei Zahnräder mit der Welle 16 drehfest verbunden. Die Planetenübersetzung beträgt dann vorteilhafterweise – 2,5 und die Übersetzung der Zahnradstufe beträgt – 0,3. Die Übersetzungen des Parallelschaltgetriebes könnten wie anhand der 2 detailliert beschrieben ausgeführt sein. Ein solches Getriebe hat den Vorteil, dass die Übersetzung X2/Y2 ohne Zwischenrad (starr mit dem Hohlrad H verbundenes Zahnrad, wie beider Ausführungsform gem. 7) ausgeführt werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verteilergetriebes ist in 9 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Antriebswelle 2 über einen Träger TR, der zwei Zahnradsätze trägt, mit der Welle 14 des Variators gekoppelt und ebenfalls über den Träger TR mit dem Sonnenrad S gekoppelt, das über Zahnräder X2 und Y2 mit der Welle 16 gekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Planetenübersetzung beispielsweise 1,7 und die Zahnradübersetzung X2/Y2 0,7. Das Planetengetriebe ist ein Plusgetriebe, dass konstruktiv als Getriebe ohne Hohlrad ausgeführt werden kann, was bezüglich des Bauraums vorteilhaft sein kann, da der Bauraum ein längerer Zylinder mit kleinem Durchmesser ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verteilergetriebes 4 ist die Antriebswelle 2 über das Hohlrad und das Sonnenrad des Planetensatzes mit der Welle 14 gekoppelt und über den Träger und eine Zahnradstufe X2, Y2 mit der Welle 16 gekoppelt. Die Planetenübersetzung beträgt dann vorteilhäfterweise 2,5 und die Zahnradübersetzung X2/Y2 + 0,7. Das Planetengetriebe ist ebenfalls ein Plusgetriebe, wobei sich als Option anbietet, dessen Träger selbst als Zahnrad mit einer Außenverzahnung (für die Übersetzung X2/Y2) auszubilden.
Bei einer nochmals abgeänderten, ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform des Verteilergetriebes ist die Antriebswelle 2 über das Sonnenrad und den Träger der Planetenstufe mit der Welle 14 verbunden und über das Hohlrad und eine Übersetzungsstufe X2/Y2 mit der Welle 16 verbunden. Die Planetenübersetzung beträgt dann vorteilhaftennreise + 1,4; die Übersetzung der Zahnradstufe beträgt – 0,3. Das Planetengetriebe ist bei dieser Ausführungsform ebenfalls ein Plusgetriebe und die Übersetzung X2/Y2 kann wiederum ohne Zwischenrad ausgeführt werden. Eine Besonderheit dieser Ausführungsform liegt darin, die Festscheibe des Variators 4 direkt als Planetenträger zu verwenden. Aufgrund des Momentenvorzeichens sind allerdings erhöhte Anpresskräfte erforderlich.
Die Kupplungen K13 und K2R sind vorteilhafterweise in drucklosem Zustand offen, so dass bei gelöster Parksperre ein Abschleppen des Fahrzeugs möglich ist.
Weiter ist es mit dem erfindungsgemäßen Getriebe möglich, die Übersetzung innerhalb eines Bereiches stufenlos und komfortabel mit Hilfe des Variators zu verändern. Auch eine „sportliche" stufenweise Übersetzungsveränderung, beispielsweise bei einer Kick-down-Betätigung, mit Hilfe der Kupplungen ist möglich.
Die Kupplungen können vorteilhafterweise schlupfgeregelt betrieben werden, um beispielsweise Momentenstöße abzufangen oder den Komfort durch Schwingungsisolation zu steigern.
Allen geschilderten Ausführungsformen des leistungsverzweigten Getriebes mit kontinuierlich veränderbarer Übersetzung gemeinsam ist, dass in dem Variator eine ausreichende Anpressung zwischen den in gegenseitigem Reibeingriff befindlichen Bauteilen zur Drehmomentübertragung gewährleistet sein muss. Bekannt ist, diese aus reichende Anpressung bei Kegelscheibenumschlingungsgetrieben durch einen Momentenfühler oder durch eine gesteuerte Anpressung zu gewährleisten, bei der eine elektronische Steuereinheit durch elektromagnetische Ventile die erforderlichen Drucke und damit Anpresskräfte erzeugt. Ein Problem liegt in der schwankenden Qualität des Momentensignals, wodurch eine für die Funktionstüchtigkeit und Dauerhaltbarkeit des Variators gefährliche Unteranpressung bewirkt werden kann. Die Verwendung eines Momentenfühlers zur Gewährleistung der Anpressung ist bei einem in einem leistungsverzweigten Getriebe eingesetzten Variator dadurch schwierig, dass am jeweiligen Umschaltpunkt zwischen den Übersetzungsbereichen (Umschaltung zwischen den Kupplungen) das am Variator wirksame Moment sein Vorzeichen ändert. Das bedeutet, dass ein Momentenfühler mit entsprechendem Spiel von der Zug- auf die Schubflanke wechseln müsste, wodurch ein zufriedenstellender Umschaltkomfort nur mit zusätzlichem Aufwand realisierbar ist.
10 stellt einen Schnitt durch einen Teil eines leistungsverzweigten Getriebes gemäß 7 dar, mit dem das geschilderte Problem gelöst wird. Die in Lagern 36 gelagerte Antriebswelle 2 ist über eine insgesamt mit 40 bezeichnete Drehmomentfühleinrichtung mit dem Träger T der Planetenstufe verbunden, dessen Planetenräder PI mit dem Hohlrad N und dem Sonnenrad S kämmen, das drehfest mit einer Festscheibe 42 eines Kegelscheibenpaares verbunden ist.
Die Drehmomentfühleinrichtung enthält, wie an sich bekannt (Beispiele sind in der DE 199 57 950 A und DE 42 34 294 A beschrieben) Kugeln 44, über die sich ein starr mit dem Träger T verbundenes Rampenblech 46 an einem drehfest, jedoch axial verschiebbar mit der Antriebswelle 2 verbundenem Rampenblech 48 abstützt.
Einem Hohlraum 50 wird über einen durch die Antriebswelle 2 und die Festscheibe 42 hindurch geführten Kanal 51 von gemäß 5 links her von einer Pumpe unter Druck gesetzte Hydraulikflüssigkeit zugeführt (mit 54 sind Dichtelemente bezeichnet). Je nach von der Antriebswelle 2 übertragenem Drehmoment ändert sich die axiale Position des Rampenblechs 48 relativ zur Antriebswelle 2 und damit der Durchlassquerschnitt einer von einer am Rampenblech 48 ausgebildeten Steuerkante 56 gesteuer ten Steueröffnung, durch die hindurch aus dem Hohlraum 50 Hydraulikflüssigkeit durch einen Abströmkanal 58 abströmt. Auf diese Weise hängt der gemäß 5 rechtsseitig aus dem Kanal 52 austretende bzw. beidseitig wirksame Druck der Hydraulikflüssigkeit von dem von der Antriebswelle 2 übertragenen Drehmoment ab. Dieser Druck wird durch das Verteilergetriebe hindurch mittels eines drehbaren Röhrchens oder durch Gleitringdichtungen abgedichtet der nicht dargestellten, der Festscheibe 42 gegenüberliegenden Wegscheibe zugeleitet und zur Erzeugung einer Grundanpressung benutzt, die unabhängig von der Übersetzung des Variators ist. Dieser ebenfalls linksseitig in 5 anliegende Druck wird von dort aus auch der Wegscheibe des anderen in 5 nicht dargestellten Kegelscheibenpaars zugeführt. Die Grundanpressung reicht bei einigen Übersetzungen nicht aus und wird durch entsprechende Beaufschlagung weiterer Kammern mit Hydraulikmitteldruck ergänzt. Bei der vom Drehmomentfühler gesteuerten Anpressung besteht der Vorteil, dass ein einfach und präzise messbarer vom übertragenden Drehmoment abhängiger Druck verfügbar ist.
Aufgrund der erforderlichen geringen Fühlerübersetzung (bar/Nm) sind Bauweisen mit vergleichsweise steilen Rampenprofilen oder großen Radien zweckmäßig, wie sie in direkter Nähe des Planeten ohnehin vorliegen.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform fühlt die Momentenfühlereinrichtung das Drehmoment, das aus dem Planetengetriebe in die Variatorwelle geleitet wird und das zumindest in einem Teilbereich nicht identisch mit dem vom Umschlingungsmittel übertragenem Moment ist, da über die Kupplungen ebenfalls Moment abgegriffen wird.
Der Drehmomentfühler kann an einer anderen als der in 10 dargestellten Anschlusswelle des Verteilergetriebes verbaut sein, sofern das Moment durch diese Welle in einem festen Verhältnis zum Antriebswellenmoment steht, wie es bei Planetengetrieben der Fall ist. Insbesondere kann der Drehmomentfühler an einer Zwischenwelle verbaut sein (zur Überbrückung des Achsversatzes zwischen den Kegelscheibenwellen) oder auf der nicht koaxial zum Verteilergetriebe liegenden Kegelscheibenwelle, die über ein Zwischenrad in Verbindung mit dem Verteilergetriebe steht.
Alternativ ist es möglich, den Variator derart zu konstruieren, dass dessen Wegscheibe sich näher am Planetengetriebe befindet und die Druckzuführung über axial kürzere Bohrungen möglich ist.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das von der Antriebswelle 2 übertragene Drehmoment in anderer Weise bestimmt werden, beispielsweise aus einem Kennfeld, das das vom Motor abgegebene Drehmoment abhängig von dessen Drehzahl und der Stellung eines Leistungsstellgliedes angibt, und zur Erzeugung eines Grundanpressdruckes verwendet werden.
Der vom übertragenen Drehmoment abhängige Grundanpressdruck kann seinerseits erfasst werden und zur Steuerung weiterer, zur Gesamtanpresskraft zwischen dem Umschlingungsmittel und den Kegelscheiben beitragender Drucke verwendet werden. Weiterhin kann der Grundanpressdruck zur Steuerung bzw. Regelung der Drucke der zur Umschaltung zwischen den Übersetzungsbereichen vorgesehenen Kupplungen verwendet werden. Ein Verfahren, den gemessenen Grundanpressdruck zur Vervollständigung der erforderlichen Anpressung des Variators heranzuziehen ist in der 11 dargestellt.
In einem ersten Schritt S1 wird der Druck gemessen. In Schritten S1 und S2 werden die daraus direkt resultierenden physikalischen Größen Fühlermoment und Grundanpresskräfte berechnet. Dabei handelt es sich um einfache lineare Zusammenhänge. In einem Schritt S3 wird das Drehzahlverhältnis des Variators bestimmt, z.B. aus den mittels Drehzahlsensoren erfassten Drehzahlen beider Variatorwellen 14 und 16. In einem Schritt S4 wird das von der Kette bzw. dem Riemen zu übertragende Moment berechnet. Dieses Moment steigt linear mit dem Fühlermoment, wobei die Steigung abhängig von der Übersetzung ist. Ein von einer ggf. im Getriebe angeordneten elektrischen Maschine erzeugtes Moment ist ebenfalls für das Kettenmoment zu berücksichtigen. In den folgenden Schritten werden die Klemmkräfte berechnet, die zur rutschfreien Übertragung des Kettenmomentes absolut erforderlich sind (S5), bzw. die hierzu noch fehlenden Zusatzkräfte (S6). Im Schritt S7 wird ein Übersetzungs- Regelkreis berücksichtigt, wie er erforderlich ist, damit das Getriebe seine Übersetzung an veränderte Fahrsituationen anpassen kann. Der Schritt S7 erzeugt sog. Verstellkräfte, um die Übersetzung in gewünschter Weise zu verändern. In einem letzten Schritt S8 werden die nun berechneten Kräfte tatsächlich auf die Scheiben des Variators aufgebracht, indem zwei Ventile elektrisch angesteuert werden und jeweils einen hydraulischen Druck erzeugen. Dieser Druck wird über Rohre bzw. Leitungen in entsprechende Kammern der verschiebbaren Scheiben des Variators geleitet.
Ein weiteres Problem der bekannten Getriebe ist die Reduzierung der Verluste bei stehendem Fahrzeug. Diese Verluste resultieren daraus, dass in dieser Fahrsituation vom Getriebe erwartet wird, ein Moment auf die Antriebswelle zu übertragen, mit welchem Moment ein Ankriechen oder Anfahren des Fahrzeuges ermöglicht wird. Bei den bekannten Getrieben ist die Erzeugung dieses Momentes mit Verlusten verbunden, die entweder an einer Reibkupplung oder in einem Wandler entstehen.
Bei weitergebildeten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Getriebes kann ein solches Moment mit geringen Reibverlusten erzeugt werden. Dazu ist eine elektrische Maschine an das Getriebe angeschlossen, welche sowohl als Generator als auch als Zusatzmotor betrieben werden kann. Ein weiterer Freiheitsgrad des Getriebes ergibt sich, wenn diese E-Maschine nicht direkt drehfest an einer der vorhandenen Abtriebswellen oder der Antriebswelle angeordnet ist, sondern indirekt über ein mittels einer Blockadekupplung blockierbares Planetengetriebe. In diesem Fall entsteht bei schlupfender oder vollständig offener Blockadekupplung ein weiterer stufenloser Freiheitsgrad des Getriebes und der Übersetzungsbereich kann noch erweitert werden. Somit kann das Getriebe als „Geared Neutral" betrieben werden, d.h. bei stehendem Fahrzeug ohne schlupfende Kupplungen ein Moment am Abtrieb bereitstellen.
Ausführungsbeispiele dieses weiterentwickelten Getriebes werden anhand der 12, 13, 14 oder 22 erläutert, die jeweils die Struktur der Ausführungsbeispiele mit deren Schaltschemata zeigen. Aus den Schaltschemata ist ersichtlich, dass die Getriebe zusätzliche Übersetzungsbereiche ermöglichen.
Eine erste Ausführung des Getriebes mit elektrischer Maschine wird am Beispiel der Struktur in 12 näher erklärt:
Der Rotor einer elektrischen Maschine 61 (EM) ist drehfest mit einer Verbindungswelle 64 zwischen, dem Verteilergetriebe 12 und dem zusätzlichen Planetengetriebe 60 verbunden. Eine zum Parallelschaltgetriebe 20 führende Abtriebswelle 62 ist drehfest mit einer anderen Verzahnung des Planetengetriebes 60 verbunden. Der Variator 4 und das Planetengetriebe 60 sind ebenfalls in drehfester Verbindung über eine Variatorwelle 63. Eine Blockadekupplung KB verbindet zwei der Wellen des Planetengetriebes – ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind diese im Beispiel die Wellen 62 und 63.
Bei geschlossener Blockadekupplung KB reduziert sich die Funktion des Planetengetriebes 60 darauf, dass die elektrische Maschine 61 starr mit der Abtriebswelle 62, starr mit einer Variatorwelle 63 und starr mit einer Welle 64 des Verteilergetriebes verbunden ist. Die elektrischen Maschine wird von dem an sich bereits beschrebenen Getriebe mit den Bereichen 1, II, III und R mitgeschleppt und kann dabei elektrische Leistung erzeugen oder umgekehrt auch zusätzliche mechanische Antriebsleistung erzeugen.
Sofern die Blockadekupplung KB geöffnet ist und die elektrische Maschine 61 durch geeignete Bestromung z.B. in Form einer Drehzahlregelung die gleiche Drehzahl annimmt wie die Variatorwelle 63, liegen die gleichen Drehzahlverhältnisse vor wie bei geschlossener Blockadekupplung. Dieser Zustand stellt einen aktiv erzeugbaren Übergangszustand zum nachfolgend beschriebenen Zustand dar:
Sofern die Blockadekupplung KB geöffnet ist, kann die elektrische Maschine 61 durch geeignete Bestromung eine variable Drehzahl annehmen. Dadurch entsteht ein Drehzahlunterschied zur Abtriebswelle 62, die über das Parallelschaltgetrebe 10 zumindest in einigen Übersetzungsbereichen mit dem Abtrieb 10 verbunden ist. Dadurch ist es möglich, diese Welle 62 sogar stillstehen zu lassen, was bedeutet, dass das Getriebe als „Geared Neutral" betrieben wird. Dazu muss die elektrische Maschine 61 sich drehen und erzeugt Energie, z.B. zum Aufladen einer Batterie. Eine Besonderheit dieses „Geared Neutral" ist die Tatsache, dass der Variator 4 sich dreht und auf unterschiedliche
Übersetzungen eingestellt werden kann. Die Wirkung dieser Übersetzung ist im „Geared Neutral", dass das Drehzahlverhältnis zwischen Antriebsmotor (nicht dargestellt) und elektrischer Maschine 61 verändert werden kann. Dadurch kann das Getriebe stufenlos auf einen veränderlichen elektrischen Leistungsbedarf eingehen, z.B. als Folge einer elektrischen Zusatzheizung. Statt einer Verlangsamung/Stillstand der Welle 62 kann diese auch beschleunigt werden, was bedeutet, dass eine höhere Fahrzeuggeschwindigkeit möglich wird, d.h. das Getriebe eine größere Spreizung aufweist. Eine weitere Besonderheit dieses Getriebes liegt in der Tatsache begründet, dass bei geöffneter Blockadekupplung KB die Drehzahlverhältnisse auch so eingestellt werden können, dass im Parallelschaltgetriebe 20 zwei Gänge gleichzeitig eingelegt und die Kupplungen K13 und K2R gleichzeitig eingerückt sein können. Wenn die Gänge I und II gleichzeitig eingelegt sind, entsteht der im Schaltschema als 12E bezeichnete Übersetzungsbereich. Die Punkte im Schaltschema bedeuten mögliche zusätzliche Gänge bzw. Übersetzungsbereiche, z.B. 3, R usw.
Eine andere Ausführungsform des Getriebes mit elektrischer Maschine wird am Beispiel der Struktur gemäß 13 näher erklärt:
Der Rotor der elektrischen Maschine 61 (EM) ist drehfest mit einer der Wellen des zusätzlichen Planetengetriebes 60 verbunden. Die zum Parallelschaltgetriebe 20 führende Welle 62 ist drehfest mit der Variatorwelle 63 sowie einer anderen Verzahnung des Planetengetriebes 60 verbunden. Das Verteilergetriebe 12 ist und das Planetengetriebe 60 sind ebenfalls in drehfester Verbindung über eine Welle 63. Eine Blockadekupplung KB verbindet zwei der Wellen des Planetengetriebes – ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind diese im Beispiel die Wellen der elektrischen Maschine 61 und die Abtriebswelle 63.
Bei geschlossener Blockadekupplung KB reduziert sich die Funktion des Planeten darauf, dass die elektrische Maschine 61 starr mit einer Variatorwelle 63 und starr mit einer Welle 64 des Verteilergetriebes verbunden ist. Die elektrischen Maschine wird von dem an sich bereits beschriebenen Getriebe mit den Bereichen I, II, III und R mit geschleppt und kann dabei elektrische Leistung erzeugen oder umgekehrt auch zusätzliche mechanische Antriebsleistung erzeugen.
Sofern die Blockadekupplung KB geöffnet ist und die elektrische Maschine 61 durch geeignete Bestromung z.B. in Form einer Drehzahlregelung die gleiche Drehzahl annimmt wie die Variatorwelle 63, liegen die gleichen Drehzahlverhältnisse vor wie bei geschlossener Blockadekupplung. Dieser Zustand stellt einen aktiv erzeugbaren Übergangszustand zum nachfolgend beschriebenen Zustand dar:
Sofern die Blockadekupplung KB geöffnet ist, kann die elektrische Maschine 61 durch geeignete Bestromung eine variable Drehzahl annehmen. Dadurch entsteht ein Drehzahlunterschied zur Abtriebswelle 62, die über das Parallelschaltgetriebe zumindest in einigen Übersetzungsbereichen mit dem Abtrieb 10 verbunden ist. Dadurch ist es möglich, diese Welle 62 sogar stillstehen zu lassen, was bedeutet, dass das Getriebe als „Geared Neutral" betrieben wird. Dazu muss die elektrische Maschine 61 sich drehen und erzeugt Energie, z.B. zum Aufladen einer Batterie. Statt einer Verlangsamung/Stillstand der Welle 62 kann diese auch beschleunigt werden, was bedeutet, dass eine höhere Fahrzeuggeschwindigkeit möglich wird, d.h. das Getriebe eine größere Spreizung aufweist.
Eine weitere Ausführungsform des Getriebes mit elektrischer Maschine ist in 14 abgebildet. Die Funktion ist nahezu identisch zur Funktion der Getriebestruktur in 12, lediglich die elektrische Maschine 61 befindet sich auf einer anderen Welle des Zusatzplaneten 60. Je nach den Eigenschaften der elektrischen Maschine, z.B. ihrem maximalen Drehmoment oder ihrer maximalen Drehzahl ist der Einbau auf der Welle 63 vorteilhaft.
Zum Betrieb eines Getriebes mit elektrischer Maschine 61 entsprechend der 12 bis 14 ist es vorteilhaft, die elektrische Maschine sowie die Reibungskupplungen und den Variator über ein nicht dargestelltes Steuergerät derart anzusteuern, dass ein Moment am Getriebeausgang entsteht. Dieses Moment kann zum Ankriechen oder Anfahren genutzt werden.
Anhand von 15 wird dieses Verfahren beispielhaft erläutert. Das Parallelschaltgetrieb befindet sich im 1. Bereich und die Kupplung K13 sei eingerückt. In einem ersten Schritt 70 wird festgestellt, ob das Fahrzeug weiterhin im Stillstand bleiben soll. Ist dies nicht der Fall, wird das Getriebe derart betätigt, dass in einen Fahrzustand gewechselt wird. Dazu wird im Schritt 72 zunächst aufgrund gemessener Drehzahlsignale ermittelt, wie groß der Drehzahlunterschied im Planetengetriebe 60 ist. Im Schritt 64 wird die elektrische Maschine 61 derart angesteuert, dass der Drehzahlunterschied in dem Planetengetriebe abnimmt. Weiter wird im Schritt 76 der Variator 4 derart angesteuert, dass der Drehzahlunterschied im Planetengetriebe weiter abnimmt. Zusätzlich wird im Schritt 78 die Blockadekupplung KB derart eingerückt, dass der Drehzahlunterschied weiter abnimmt. Bei der Abnahme des Drehzahlunterschieds am Planetengetriebe 60 beschleunigt sich die Drehzahl der Abtriebswelle 62 und das Fahrzeug fährt an.
Wenn nach der Fallunterscheidung im Schritt 70 das Fahrzeug weiter im Stillstand bleiben soll, wird im Schritt 80 ermittelt, ob aktuell ein hoher oder niedriger elektrischer Leistungsbedarf besteht. Dieser Leistungsbedarf kann z.B. aus dem Batterieladezustand oder dem Schaltzustand großer Stromverbraucher, wie einer Heckscheibenheizung, ermittelt werden. Bei geringem Leistungsbedart wird in den Schritten 82, 84 und 86 die Drehzahl der elektrischen Maschine 61 durch entsprechende Betätigung des Variators 4, durch unmittelbare Ansteuerung der elektrischen Maschine und durch geringfügiges Einrücken der Blockadekupplung KB die Drehzahl der elektrischen Maschine vermindert, so dass diese nur wenig Leistung erzeugt. Wenn ein hoher elektrischer Leistungsbedarf vorliegt, wird in den Schritten 88, 90 und 92 die Drehzahl der elektrischen Maschine bzw. die von ihr erzeugte elektrische Leistung erhöht, indem der Variator entsprechend betätigt wird, die elektrische Maschine unmittelbar entsprechend angesteuert wird und die Blockadekupplung KB nicht eingerückt wird. Die elektrische Leistung wird verbrennungsmotorisch im Leerlauf erzeugt, wobei der nicht dargestellte Verbrennungsmotor entweder über seinen Leerlaufdrehzahlregler das abgegebene Moment dem Bedarf entsprechend erhöht oder mit Vorteil ein entsprechendes Signal erhält, so dass sich seine Leistungsabgabe entsprechend der höheren erforderlichen Generatorleistung vergrößert.
Im folgenden werden anhand der 16 bis 22 weitere vorteilhafte Möglichkeiten erläutert, ein Getriebe mit stufenlos veränderbarer Übersetzung auch ohne ein Parallelschaltgetriebe an dessen Ausgang, wie es bei den bisher geschilderten Ausführungsforrnen vorhanden war, mit einer E-Maschine zu versehen und dadurch die Nutzungsmöglichkeiten sowohl des Getriebes als auch der E-Maschine zu erweitern.
Gemäß der 16 ist eine von einem nicht dargestellten Antriebsmotor, vorteilhaft einer Brennkraftmaschine, angetriebene Antriebswelle 102 eines Fahrzeugantriebstrangs mit einem ersten Planetengetriebe P1 verbunden. Eine Kupplung D ermöglicht ein Anfahren in Vorwärtsrichtung. Diese Kupplung D kann funktionsäquivalent an der Abtriebswelle 108 angebracht sein und entspräche dann der als K13 bezeichneten Kupplung in 7. Das Planetengetriebe P1 ist mit der Eingangswelle 4 eines Variators Var und über eine Verbindungswelle 106 mit einem zweiten Planetengetriebe P2 verbunden. Die Verbindungswelle kann funktionsäquivalent eine Stimradübersetzung beinhalten und entspräche dann der Verbindung von X2 zu Y2 in 7. Das Planetengetriebe P2 treibt eine zu angetriebenen Rädern eines Fahrzeuges führende Abtriebswelle 108 an. Die Verbindungswelle 106 ist drehfest mit einer E-Maschine verbunden, deren Rotor über eine Bremse B festsetzbar ist.
Die Ausgangswelle 110 des Variators Var ist mit dem zweiten Planetengetriebe P2 verbunden.
In Drehmomentflussrichtung vor der Kupplung D ist mit der Antriebswelle 102 eine weitere Kupplung R verbunden, mittels der die Antriebswelle 102 mit der Eingangswelle 104 drehfest verbindbar ist. Diese Kupplung R kann funktionsäquivalent an der Abtriebswelle 108 angebracht sein und entspräche dann der als K2R bezeichneten Kupplung in 7.
Aufbau und Funktion der beschriebenen Baugruppen sind an sich bekannt und werden daher nicht im Einzelnen erläutert. Jedes der Planetengetriebe P1 und P2 hat in an sich bekannter Weise ein Sonnenrad, das über auf einem Träger gelagerte Planetenräder mit einem Hohlrad in Dreheingriff ist. Die dargestellten, jeweils drei Ein- bzw. Ausgänge der Planetengetriebe können durch deren Sonnenrad, deren Träger und deren Hohlrad gebildet sein, wobei die beiden Planetengetriebe in insgesamt 36 verschiedenen Konfigurationen mit den zugehörigen Wellen verbunden werden können.
Eine vorteilhafte Konfiguration ist in der 16 durch Eintrag der jeweiligen Buchstaben für Sonnenrad S, Träger T und Hohlrad H angegeben. Das Hohlrad H des ersten Planetengetriebes P1 ist mit der Kupplung D verbunden, das Sonnenrad S ist drehfest mit der Eingangswelle 104 verbunden und der Träger T ist mit der Verbindungswelle 6 verbunden, mit der auch der Träger T des Planetengetriebes P2 verbunden ist. Das Sonnenrad des Planetenträgers P2 ist mit der Ausgangswelle 110 und das Hohlrad H mit der Abtriebswelle 108 verbunden.
Das erfindungsgemäße Getriebe kann in vielfältigen Konfigurationen aufgebaut werden, wobei Beispiele für weitere vorteilhafte Konfigurationen symbolisch wie folgt beschrieben werden können:
Bei dieser Beschreibung stehen S1 bzw. S2 für die Sonnenräder der Planetengetrebe 1 und 2, T1 und T2 für die Planetenträger, N1 und H2 für die Hohlräder, P1 und P2 für die Scheibensätze des Variators, sowie AN für Antrieb, AB für Abtrieb und EM für E-Maschine. Minuszeichen symbolisieren, dass die jeweiligen Massen drehfest miteinander verbunden sind. Die angegebenen Zahlenwerte sind beispielhafte Übersetzungen der Planetengetriebe oder Stimradstufen.
Ebenfalls bevorzugt werden die beiden Planetengetriebe als ein reduziertes Koppelplanetengetriebe ausgeführt, was dazu führt, dass die Verbindungswelle gar nicht alle „Welle" ausgeführt werden muss. Dies ist z.B. möglich, wenn die Verbindungswelle den Planetenträger beider Planetengetriebe darstellt, oder wenn die Verbindungswelle ein breites Sonnenrad darstellt, das gleich mit zwei nebeneinander angeordneten Planeten der beiden Planetengetriebe kämmt.
Zur Betätigung der Kupplungen D und R, der Bremse B und des Variators Var sind Aktoren 112, 114, 116 und 118 vorgesehen. Der Betrieb der E-Maschine wird mittels einer Steuereinheit 120 gesteuert. Aufbau und Funktion der Aktoren und der Steuereinrichtung sind an sich bekannt.
Zur Steuerung der Aktoren und der Steuereinheit 120 ist eine Steuereinrichtung 122 mit wenigstens einem Mikroprozessor 124 und zugehörigem Programmspeicher 126 und Datenspeicher 128 vorgesehen.
Eingänge der Steuereinrichtung 122 sind mit nicht dargestellten Sensoren zur Erfassung der Last- und Drehzahl der nicht dargestellten Brennkraftmaschine, der Drehzahl der Abtriebswelle, der Drehzahlen der Wellen 104, 106 und 110 sowie einem Sensor 133 zur Erfassung der Stellung eines Fahrpedals 134, einem Sensor 136 zur Erfassung der Stellung eines Bremspedals 138 oder der Kraft K, mit der das Bremspedal betätigt wird, einem Sensor 140 zur Erfassung des Zustandes einer manuell betätigbaren Betätigungseinheit 142 zur Anwahl bestimmter Getriebeübersetzungen oder Getriebeprogramme. Einzelne der genannten Sensoren könnten fehlen. Weitere Sensoren können vorgesehen sein.
Ausgänge 144 der Steuereinheit 122 sind mit den genannten Aktoren und der Steuereinheit 120 sowie weiteren Aktoren, wie beispielsweise einem Leistungsstellglied der Brennkraftmaschine verbunden.
Aufbau und Funktion der genannten Baugruppen sind an sich bekannt und werden daher nicht im Einzelnen erläutert. Die Steuereinrichtung 122 kann auf verschiedene Geräte aufgeteilt sein, beispielsweise ein Steuergerät für den Motor und ein Steuergerät für das Getriebe, die miteinander über einen Bus verbunden sind. Weiter können die Aktoren bzw. deren Stellglieder mit Sensoren versehen sein, über die die jeweilige Stellung an die Steuereinrichtung zurückgemeldet wird, so dass eine präzise Betätigung möglich ist.
Die beschriebene erfindungsgemäße Konfiguration des Getriebes, bei der die E-Maschine im "Inneren" des durch die Planetengetriebe P1 und P2 und den Variator Var gebildeten Getriebes angeordnet ist, hat vielfältig nutzbare Betriebsstellungen und Funktionen. Für die Planetenstandardübersetzungen von -1,5 bis -2,5 ergeben sich übliche Übersetzungsbereiche, der über eine nachgeschaltete Übersetzungsstufe an jeweilige Erfordernisse weiter angepasst werden kann.
Für das Gesamtverständnis der Funktion eines erfindungsgemäßen Getriebes ist aufgrund der zahlreichen Freiheitsgrade eine Darstellung in Form von Kugeldiagrammen zweckmäßig.
Eine solche Kugel ist in 17 mit einigen hervorgehobenen Bereichen skizziert. Die Punkte auf einer Einheits-Kugeloberfläche um den Ursprung haben charakteristische Koordinaten, nämlich Motordrehzahl n_mot, E-Maschinendrehzahl n_em und Abtriebsdrehzahl n_ab. Jeder Punkt auf der Oberfläche kann auch durch zwei der drei Polarwinkel n_mot/n_ab = i_ges; n_mot/n_em = i_quer oder n_em/n_ab = i_em beschrieben werden. Die Getriebefunktion kann dargestellt werden, indem an jedem Punkt auf der Kugeloberfläche diejenige Variatorübersetzung i_var (z.B. als Höhenlinie) festgehalten wird, die zum Fahren dieses Punktes eingestellt werden muss. Wenn nicht alle Punkte auf der Kugeloberfläche fahrbar sind (es gibt z.B. eine größte und eine kleinste mögliche Variatorübersetzung), sind die Nutzungsgrenzen auf der Kugel ebenfalls festzuhalten. Ein Beispiel eines die Variatorübersetzung anzeigenden Kugeldiagramms gibt 3. Eine einfachere Darstellung als in Kugeldiagrammen ist nur schwer möglich, denn die Getriebegleichung verknüpft vier Größen, n_mot, n_em, n_ab und i_var miteinander und kann nur aufgrund der Linearität in den Drehzahlen überhaupt noch dreidimensional dargestellt werden.
In 17 bezeichnet die Linie 1 Betriebspunkte, bei denen die E-Maschine steht bzw. festgebremst ist. Die verschiedenen Punkte auf der Linie unterscheiden sich durch die Antriebs- und Abtriebsdrehzahlen, d.h. auch durch die Übersetzung i_ges, mit der gefahren wird. II gibt Betriebspunkte an, bei denen das Fahrzeug steht (geared-neutral) und der Motor und die E-Maschine in einem beliebigen Drehzahlverhältnis i_quer stehen. III bezeichnet Betriebspunkte, bei denen der Verbrennungsmotor steht und beispielsweise mittels des E-Motors gefahren werden kann, wobei unterschiedliche Übersetzungen i_em möglich sind. IV bezeichnet Betriebspunkte konstanter Motor-Gesamtübersetzung i_ges. Die Betriebspunkte ergeben Kreise, deren verschiedene Punkte sich durch die Drehzahl der E-Maschine voneinander unterscheiden.
Im Folgenden werden einige Eigenschaften der beispielhaften oder ähnlicher Konfigurationen anhand der 17 bis 22 erläutert:
a) D-Fahrbereich bei festgebremster E-Maschine
Die Kupplung R (Rückwärts-Kupplung) ist offen und die Kupplung D (Vorwärts-Kupplung) ist geschlossen. Die Bremse B ist angelegt, d.h. die Verbindungswelle 6 steht. Der auf diese Weise fahrbare Bereich ist in 18 mit „a" hervorgehoben. Er besitzt eine minimale und eine maximal mögliche Übersetzung.
Das erste Planetengetriebe P1 wirkt als reversierende Eingangsübersetzung (I = –1/1,5). Nach einer in der 16 nicht dargestellten Vorgelegeübersetzung leicht iris Langsame, die wegen des Achsversatzes ohnehin zweckmäßig ist, folgt der Variator Var und danach über ein Nachgelege das zweite Planetengetriebe P2 als reversierende Ausgangsübersetzung zur Abtriebswelle 108.
Die Anpassung an die Motorisierung (z.B. langsamdrehender Dieselmotor oder schnelldrehender Benzinmotor) kann über die Planetengetriebe und/oder die Vorgelege/Nachgelege erfolgen.
b) Rückwärtsfahrbereich bei festgebremster E-Maschine
Bei geöffneter Kupplung D und geschlossener Kupplung R wird von der Antriebswelle 102 direkt der Variator Var angetrieben. Die Reversien.ing erfolgt durch das Planetengetriebe P2.
c) Verzweigter Fahrbereich
Bei offener Bremse B erfolgt über das blockierte Planetengetriebe P1 eine Leistungsverzweigung. Die Blockade des Planetengetriebes 1 kann zum Beispiel durch gleichzeitiges Betätigen der Kupplungen D und R erfolgen. Das Planetengetriebe P2 bildet ein Summiergetriebe. Der auf diese Weise fahrbare Bereich ist in 18 mit „c" skizziert und das Getriebe besitzt hier ebenfalls eine minimale und maximale Übersetzung, die in 18 einen anderen Bereich abdeckt, als der Fahrbereich mit festgebremster E-Maschine.
Alternativ kann an eine Blockade am Planetengetriebe 2 mit Hilfe einer Kupplung vorgesehen sein. Dies ermöglicht den Betrieb in einem anderen leistungsverzweigten Bereich, der in 18 dem nicht hervorgehobenen, anderen winkelhalbierenden Bogen entspricht.
d) Generatorfunktion der E-Maschine bei Stillstand-Kriechen und Stillstand-Verstellung
Bei Vorwärts-Kriechen im Stillstand erfolgt der Aufbau eines Kriechmomentes an der Kupplung D, um ein gegen die Fußbremse wirkendes Moment an der Abtriebswelle 8 einzustellen. Wenn an der Bremse B Schlupf zugelassen wird, kann der an der Kupplung D vorhandene Schlupf bei unverändertem Kriechmoment in den Schlupf der Bremse B verlegt werden, d.h. die Kupplung D kann geschlossen werden. In dieser Situation besteht die Möglichkeit, den Schlupf an der Bremse B entweder unmittelbar über deren Betätigung einzustellen oder über das Generatormoment der E-Maschine einzustellen. Wenn das Kriechmoment ausschließlich durch das Generatormoment der E-Maschine erfolgt, erfolgt ein Leistungsfluss von der Brennkraftmaschine zum Generator, wobei die Abtriebswelle 108 der Abstützung dient und das Kriechmoment aufrecht erhält.
Dieser Betriebsbereich ist in 20 mit „d" hervorgehoben.
In diesem Zustand dreht der Variator Var mit, so dass seine Übersetzung verstellt werden kann. Damit ist es möglich, bei Fahrzeugstillstand die Variatorübersetzung zu stellen, was beispielsweise bei einer vorausgehenden ABS-Bremsung vorteilhaft ist, um in die Anfahrübersetzung zurückzuschalten.
e) Freie Variatordrehzahlwahl im Fahrbetrieb
Die dargestellte Getriebestruktur besitzt bei einer speziellen Variatorübersetzung die Eigenschaft, dass die zwischen der Antriebswelle 102 und der Abtriebswelle 108 wirksame Übersetzung, d.h. die Übersetzung des Gesamtgetriebes, von der Drehzahl der Verbindungswelle 106, d.h. der Drehzahl der E-Maschine unabhängig ist. In 20 sind die bei dieser Übersetzung des Getriebes fahrbaren Punkte mit „e" hervorgehoben. Bei der entsprechenden Übersetzung des Variators Var erfolgt keine Abstützung des Getriebes über die Bremse B. Die E-Maschine ist auf diese Wiese "logisch" vom restlichen Getriebe abgekoppelt, d.h. es ist möglich, bei dieser Übersetzung zu fahren und gleichzeitig die Drehzahl der E-Maschine nach Zweckmäßigkeitsgründen über die Steuereinheit 120 einzustellen. Die Drehzahl der E-Maschine ist über die Planetengetriebe gekoppelt mit der Drehzahl des Variators, d.h. im Falle eines Kegelscheiben-Umschlingungsgetriebes, mit der Drehzahl von dessen Kegelscheibenpaaren unter Beibehaltung von deren Drehzahlverhältnis. Damit läßt sich die Variatordrehzahl senken, wodurch die Belastung sinkt bzw. die Betriebsdauer des Umschlingungsmittels, beispielsweise einer Laschenkette, sich erhöht. Bei der dargestellten Getriebestruktur liegt die Übersetzung des Variators bzw. des Gesamtgetriebes, bei der die Drehzahl der Verbindungswelle 106 ohne Einfluß auf die Getriebeübersetzung ist, nahe dem auf Autobahnen oft verwendeten höchsten Gang, also in einem für die Kettenschädigung relevanten Bereich.
Ein weiterer Vorteil beim soeben geschilderten Betrieb des Getriebes mit reduzierter Variatordrehzahl besteht darin, dass die Verlustleistung im Getriebe sinkt, und ein Teil dieser eingesparten Verluste sogar als generierte elektrische Leistung an der E-Maschine abfällt. Das Getriebe besitzt den „inneren Drang", den verlustreicheren Variator langsamer drehen zulassen, und dabei die Verbindungswelle schneller drehen zu lassen.
Grundsätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Getriebe die Variatordrehzahl bei allen Übersetzungen beeinflußt werden, wobei es dann erforderlich sein kann, größere E-Maschinen-Momente zu erzeugen, um die Abstützung über die Bremse B zu ersetzen.
f) Erhöhung der Spreizung
Über die Drehzahl der E-Maschine kann die Eingangsdrehzahl des Getriebes bei vorgegebener Abtriebsdrehzahl in begrenztem Umfang verändert werden, was sich für den Fahrer eines Fahrzeuges ähnlich darstellt, wie eine größere Spreizung. Die Betriebspunkte, die diesem Effekt bewirken, sind in 19 mit „f" hervorgehoben. Da die kleinste Übersetzung in der Regel im Schub benötigt wird, ist in diesem Fall kein aktives Beschleunigen der E-Maschine erforderlich, sondern das Fahrzeug treibt selbst den Verbrennungsmotor und die E-Maschine an. Die E-Maschine erhöht also gleichzeitig die Spreizung und arbeitet dabei im Generatorbetrieb. Eine ähnliche Ausweitung des Spreizung ist bei den Anfahrübersetzungen möglich.
g) Über die E-Maschine geführter Bereichswechsel
Das erfindungsgemäße Getriebe kann in an sich bekannter Weise mittels wenigstens einer zusätzlichen Kupplung zu einem Getriebe mit mehreren Übersetzungsbereichen mit kontinuierlich verstellbarer Übersetzung ausgebaut werden. Insbesondere stellt das Getriebe in 7 ein solches Getriebe dar. Ein Bereichswechselpunkt bzw. eine Bereichswechselübersetzung ist dann dadurch vorgegeben, dass die Gesamtübersetzung des Getriebes und die Übersetzung des Variators vor und nach dem Umschalten der Kupplungen) gleich sind. Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe kann die E-Maschine dazu verwendet werden, den Bereichswechsel durchzuführen. Ein solcher Bereichswechsel entspricht dem in 19 mit „g" hervorgehobenen Übergang. Durch Regelung der E-Maschinen-Drehzahl kann der Bereichswechsel genauer kontrolliert werden, als dies bei einem durch Kupplungen geregelten Bereichswechsel möglich ist. Zudem wird bei einem durch Kupplungen geregelten Bereichswechsel stets Leistung in Reibung umgewandelt, welche Reibleistung durch Verwendung der E-Maschine zumindest teilkompensiert oder auch erhöht werden kann.
Als neuartige Freiheit kann der Bereichswechsel dabei aber auch entfernt vom eigentlichen Bereichswechselpunkt erfolgen, wobei der stufenlose Bereichswechsel bei einem solchen Bereichswechsel ohne Schlupfen der Kupplung möglich ist. Damit läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Getriebe die Problematik herkömmlicher leistungsverzweigter Getriebe mit umschaltbaren Übersetzungsbereichen lösen, die darin liegt, dass die Umschaltung entweder in unmittelbarer Nähe des Umschaltpunktes erfolgt, wozu eine hohe Verstelldynamik, schnelle und präzise Kupplungsbetätigungen und komplexe Kompensation von Drehmasseneffekten erforderlich ist, oder aber ein schlupfender Übergang außerhalb des Bereichswechselpunktes erfolgt, für den zur Sicherstellung eines ausreichenden Komforts eine schwierige Schlupf-Gradienten-Regelung erforderlich ist, die Kupplungen gekühlt werden müssen und Maßnahmen gegen einen Mißbrauch erforderlich sind.
h) Freie Rekuparationswahl
Für jeden durch die Drehzahlen der Antriebswelle 102 und der Abtriebswelle 108 definierten Fahrzustand existieren mehrere stufenlos einstellbare Betriebsparameter des Getriebes, nämlich die Übersetzung des Variators Var und die Drehzahl der E-Maschine. Damit ist es, nach außen hin "unsichtbar", möglich, zum Beispiel im Schub durch eine Variatorverstellung die Drehzahl der E-Maschine zu erhöhen und dadurch die Energierückgewinnung zu steigern. Dieser Vorgang kann durch die Kraft K, mit der der Fahrer das Bremspedal betätigt, gesteuert werden. Weiter ist es möglich, bei einer geringfügigen Änderung des Leistungswunsches des Fahrers eine verbrauchsgünstige Drehzahl der Brennkraftmaschine oder einen verbrauchsgünstigen Betriebspunkt aufrechtzuerhalten, und die Differenzleistung durch die E-Maschine zu steuern. Dies stellt einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Generatoren dar, weil die Generation gezielt in verbrauchsgünstigen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine erfolgen kann.
j) Motorstart in P
Für das Anlassen der Brennkraftmaschine in der Stellung P des Getriebes ist es mit dem erfindungsgemäßen Getriebe möglich, die E-Maschine andrehen zu lassen, bis eine Hydraulik arbeitet, die insbesondere die Aktoren 112, 114, 116 und 118 mit Energie versorgt. Eine nicht dargestellte Hydraulikpumpe kann beispielsweise über zwei Freiläufe alternativ von der E-Maschine oder der Brennkraftmaschine angetrieben werden. Wenn die E-Maschine läuft, kann die Brennkraftmaschine durch Einrücken der Kupplung D oder durch Einrücken beider Kupplungen D und R angelassen werden. Der die Brennkraftmaschine mitnehmende Einrückvorgang kann auch an einer Kupplung zwischen E-Maschine und Verbindungswelle erfolgen, wenn das Getriebe eine Struktur wie in 21 besitzt.
Die drehfeste Verbindung der E-Maschine mit der Verbindungswelle kann im einfachsten Fall starr sein (Rotor direkt auf Verbindungswelle), oder unter Verwendung einer Übersetzung (Rotor kämmt über ein Zahnrad mit der Verbindungswelle) oder auch unter Verwendung einer schaltbaren Stimradübersetzung (Rotor kämmt über zwei Zahnräder, von denen eines mittels einer Klauenkupplung geschaltet ist mit der Verbindungswelle) oder auch unter Verwendung einer schaltbaren Planetenübersetzung (z.B. Rotor dreht über eine blockierbares Planetengetriebe direkt oder bei nicht blockiertem Planetengetriebe übersetzt mit der Verbindungswelle mit). Diese zwei weiterentwickelten Abwandlungen sind in 21 dargestellt.
Bei den in 21 dargestellten beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Getriebes sind jeweils zwei Reibelemente (Kupplungen K bzw. Bremsen B) vorhanden, mit denen vier Zustände realisiert werden können:
A: E-Maschine und Verbindungswelle 106 sind beide festgebremst;
B: E-Maschine und Verbindungswelle 106 sind beide unabhängig voneinander frei drehbar;
C: E-Maschine und Verbindungswelle stehen in einer ersten Übersetzung, sind aber zusammen drehbar und
D: E-Maschine und Verbindungswelle 6 stehen in einer zweiten Übersetzung (mit anderem Wert und/oder anderem Vorzeichen), sind aber zusammen drehbar.
Das geschilderte Getriebe kann in vielfältiger Weise abgeändert werden, wobei bei symmetrischer Verbindung der Planetengetriebe mit dem Variator und der E-Maschine sowie einander gleichen Planetengetrieben eine einfache und mit wenigen Bauteilen auskommende Ausführungsform erzielt wird.

2: Antriebswelle
4: Variator
6: Kupplung
8: Summiergetriebe
10: Abtriebswelle
12: Verteilergetriebe
14: Welle
16: Welle
18: Eingangswelle
20: Parallelschaltgetriebe
22: Eingangswelle
24: Zahnrad
26: Schaltmechanismus
28: Zahnrad
30: Zahnrad
31: Schaltmechanismus
32₁: Zwischenrad
32₂: Zusatzrad
33: Differential
34: Planetenstufe
36: Lager
40: Drehmomentfühleinrichtung
42: Festscheibe
44: Kugel
46: Rampenblech
48: Rampenblech
50: Hohlraum
52: Kanal
54: Dichtelement
56: Steuerkante
58: Abströmkanal
60: Planetengetriebe
61: elektrische Maschine
62: Abtriebswelle
63: Variatorwelle
64: Verbindungswelle
64: Welle
102: Antriebswelle
104: Eingangswelle
106: Verbindungswelle
108: Abtriebswelle
110: Ausgangswelle
112: Aktor
114: Aktor
116: Aktor
118: Aktor
120: Steuereinheit
122: Steuereinrichtung
124: Mikroprozessor
126: Programmspeicher
128: Datenspeicher
130: Eingänge
132: Sensor
134: Fahrpedal
136: Sensor
138: Bremspedal
140: Sensor
142: Betätigungseinheit

Claims

Leistungsverzweigtes Getriebe mit mehreren Übersetzungsbereichen mit stufenlos verstellbarer Übersetzung, enthaltend eine Antriebswelle (2)(2) zur drehfesten Verbindung mit einem Motor, welche Antriebswelle über ein Verteilergetriebe (12) (12) mit den beiden Wellen (14, 16) (14, 16) eines Variators (4)(4) verbunden ist, und ein Parallelschaltgetriebe (20) (20), dessen Eingangswellen (18, 22) (18, 22) über je eine Kupplung (K₁₃, K_2R) mit je einer Welle des Variators kuppelbar sind und dessen Ausgangswelle die Abtriebswelle (10)(10) des leistungsverzweigten Getriebes bildet, wobei wenigstens zwei Übersetzungsbereiche sich nur durch die Übersetzung zwischen einer Eingangswelle des Parallelschaltgetriebes und dessen Ausgangswelle unterscheiden.
Leistungsverzweigtes Getriebe nach Anspruch 1, wobei das Verteilergetriebe (12) (12) ein Planetengetriebe (34) (34) enthält.
Leistungsverzweigtes Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, wobei durch Schließen der einen Kupplung und Verändern des Zahnradeingriffs zwischen der einen der Eingangswellen des Parallelschaltgetriebes und dessen Ausgangswelle Übersetzungsbereiche I und III und durch Schließen der anderen Kupplung und Verändern des Zahnradeingriffs zwischen der anderen der Eingangswellen des Parallelschaltgetriebes und dessen Ausgangswelle Übersetzungsbereiche II und R schaltbar sind.
Leistungsverzweigtes Getriebe nach Anspruch 3, wobei die Ausgangswelle des Parallelschaltgetriebes (20) (20) ein für die Übersetzungsbereiche I und R und/oder ein für die Übersetzungsbereiche II und III verwendetes Zahnrad (28) (28) aufweist.
Leistungsverzweigtes Getriebe nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Parallelschaltgetriebe (20) (20) mit Kehrwertübersetzungen ausgeführt ist, insbesondere mit den Werten von etwa 2, etwa 1 und etwa 1/2.
Leistungsverzweigtes Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Schaltaktor des Parallelschaltgetriebes(20) (20) als alle Schaltmuffen des Parallefschaltgetriebes betätigende Schaltwalze oder als Dreh-Schiebe-Aktor ausgebildet ist oder mehrere Schiebemuffen umfasst.
Leistungsverzweigtes Getriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Planetengetriebe (34) (34) als Plusgetriebe ohne Hohlrad ausgeführt ist.
Leistungsverzweigtes Getriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Planetengetriebe (34) (34) als Plusgetriebe ausgeführt ist, dessen Planetenträger selbst als Zahnrad mit einer Außenverzahnung ausgeführt ist.
Parallelschaltgetriebe, insbesondere für ein leistungsverzweigtes Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches Parallelschaltgetriebe zwei über je eine Kupplung (K₁₃, K_2R) wahlweise antreibbare Eingangswellen (18, 22) aufweist, die über jeweils wenigstens einen Radsatz (24₃ , 28; 24₁ , 30; 24₂ , 28, 24_R , 30) im Dreheingriff mit einer Abtriebswelie (10) bringbar sind, wobei ein Rückwärtsgang dadurch gebildet ist, dass zwischen einem drehfest mit der Abtriebswelle (10) verbundenen Zahnrad (30) ein Zwischenrad (25₁ ) angeordnet ist.
Parallelschaltgetriebe, insbesondere für ein leistungsverzweigtes Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches Parallelschaltgetriebe zwei über je eine Kupplung (K₁₃, K_2R) wahlweise antreibbare Eingangswellen (18, 22) aufweist, die über jeweils wenigstens einen Radsatz (24₃ , 28; 24₁ , 30; 24₂ , 28, 24_R , 30) im Dreheingriff mit einer Abtriebswelle (10) bringbar sind, wobei ein Rückwärtsgang dadurch gebildet ist, dass ein drehfest mit einer über die geschlossene zugehörige Kupplung (K_2R) derhangetriebenen Eingangswelle (22) verbundenes Rad (24_R ) mit einem drehfest mit der anderen Eingangswelle (18) verbundenem Zu satzrad (25₂ ) kämmt, welche andere Eingangswelle über einen Vorwärtsgangradsatz (24₁ , 30) drehfest mit der Abtriebswelle (10) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben eines leistungsverzweigten Getriebes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein neuer Übersetzungsbereich durch Schalten des Parallelschaltgetriebes (20) (20) vor der entsprechenden Kupplungsumschaltung eingelegt wird.
Verfahren zum Betreiben eines leistungsverzweigten Getriebes nach Anspruch 3, wobei bei stehendem Fahrzeug und neutraler Wählhebelstellung beide Kupplungen (K₁₃, K_2R) offen und die Übersetzungsbereiche I und R eingelegt sind.
Verfahren zum Betreiben eines leistungsverzweigten Getriebes nach Anspruch 3, wobei bei Wählhebelstellung R der Übersetzungsbereich 1 im Parallelschaltgetriebe eingelegt bleibt.
Leistungsverzweigtes Getriebe mit mehreren Übersetzungsbereichen mit stufenlos verstellbarer Übersetzung, enthaltend – eine Antriebswelle (2) (2) zur drehfesten Verbindung mit einem Motor, welche Antriebswelle über ein Verteilergetriebe (12) (12) mit den beiden Wellen (14, 16) (14, 16) eines Variators (4) verbunden ist, – wenigstens zwei Kupplungen (K₁₃, K_2R), mit denen je eine der Wellen des Variators über ein Getriebe (20) (20) mit einer Antriebswelle (2) (2) des leistungsverzweigten Getriebes kuppelbar ist, – und eine Drehmomentfühleinrichtung (40) (40) zum Erfassen des einer mit dem Verteilergetriebe verbundenen Welle wirksamen Drehmoments und zum Steuern eines an mindestens einer Wegscheibe des Variators (4) wirksamen Grundanpressdruckes.
Verfahren zum Steuem des Anpressdruckes zwischen den Kegelscheiben und dem Umschlingungsmittel eines Variators (4) (4) in einem leistungsverzweigten Getriebe mit mehreren Übersetzungsbereichen mit stufenlos verstellbarer Über setzung, bei welchem Verfahren das an der Antriebswelle (2) (2) des leistungsverzweigten Getriebes wirksame Drehmoment gemessen wird und ein Grundanpressdruck entsprechend dem wirksamen Drehmoment gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Grundanpressdruck erfasst wird und zur Steuerung bzw. Regelung der Drucke von zur Umschaltung zwischen den Übersetzungsbereichen vorgesehenen Kupplungen verwendet wird.
Verfahren zum Steuern der Anpresskraft zwischen den Kegelscheiben und dem Umschlingungsmittel eines Variators (4) (4) in einem leistungsverzweigten Getriebe mit mehreren Übersetzungsbereichen und stufenlos verstellbarer Übersetzung und mit einer Drehmomentfühleinrichtung zum Erfassen des an einer der mit einem Verteilergetriebe verbundenen Wellen des Variators wirksamen Drehmoments und zum Steuem eines an mindestens einer Wegscheibe des Variators (4) wirksamen Grundanpressdruckes, bei welchem Verfahren der Grundanpressdruck erfasst wird und zur Steuerung weiterer, zur Gesamtanpresskraft beitragender Drucke verwendet wird.
Leistungsverzweigtes Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 14, zusätzlich umfassend – eine elektrische Antriebs/Generationsmaschine (61) und – eine mit der elektrischen Maschine drehfest verbundene Kupplung (KB), wobei im eingekuppelten Zustand die elektrische Maschine drehfest mit der denn auch in sich drehfesten Getrebestruktur verbunden ist und im nicht eingekuppelten Zustand das Gesamtgetriebe einen erweiterten Betriebsbereich besitzt, indem die elektrische Maschine betätigt wird.
Leistungsverzweigtes Getriebe nach Anspruch 18, zusätzlich umfassend – ein weiteres Planetengetriebe (60), mit dessen einer Komponente die elektrische Maschine drehfest verbunden ist und das mit Hilfe der Kupplung KB verblockt werden kann, wobei im blockierten Zustand die elektrische Maschine drehfest mit der dann auch in sich drehfesten Getriebestruktur ver bunden ist und im nicht verblockten Zustand das Gesamtgetriebe einen erweiterten Betriebsbereich besitzt, indem die elektrische Maschine betätigt wird.
Verfahren zum Betreiben eines leistungsverzweigten Getriebes nach Anspruch 18, wobei im Stillstand des Fahrzeuges dessen Antriebsmotor über das leistungsverzweigte Getriebe die elektrische Maschine (61) antreibt und dadurch elektrische Leistung erzeugt wird und bei welchem Verfahren die Reibkupplungen des Getriebes, die Übersetzung des Variators (4) sowie die elektrische Maschine (61) derart angesteuert werden, dass ein Moment am Getriebeausgang entsteht, wobei die Reibleistung der Kupplungen kleiner ist als die Generatorleistung der elektrischen Maschine.
Getriebe mit stufenlos veränderbarer Übersetzung enthaltend einen Variator (Var) mit einer Eingangswelle (4) und einer Ausgangswelle (10), deren Übersetzung stufenlos verstellbar ist, ein erstes Planetengetriebe (P1), das mit einer Antriebswelle (2), der Eingangswelle (4) des Variators und einer Verbindungswelle (6) verbunden ist, ein zweites Planetengetriebe (P2), das mit der Verbindungswelle (6), der Ausgangswelle (10) des Variators und einer Abtriebswelle (8) verbunden ist, und eine E-Maschine, die drehfest mit der Verbindungswelle verbunden ist.
Getriebe nach Anspruch 21, wobei die Antriebswelle (2) über eine Kupplung (D) mit dem ersten Planetengetrebe (P1) und über eine weitere Kupplung (R) mit der Eingangswelle (4) des Variators kuppelbar ist.
Getriebe nach Anspruch 22, wobei bei dem ersten Planetengetriebe (P1) der Planetenträger über die Kupplung (D) mit der Antriebswelle (2), das Sonnenrad mit der Eingangswelle (4) und des Hohlrad mit der Verbindungswelle (6) verbunden ist.
Getriebe nach Anspruch 22, wobei bei dem ersten Planetengetriebe (P1) das Hohlrad mit der Kupplung (D), das Sonnenrad mit der Eingangswelle (4) und der Träger mit der Verbindungswelle (6) verbunden sind und bei dem zweiten Planetengetriebe (P2) der Träger mit der Verbindungswelle (6), das Sonnenrad mit der Ausgangswelle (10) und das Hohlrad mit der Abtriebswelle (8) verbunden sind.
Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, enthaltend eine Bremse (B), mit der die Verbindungswelle (6) festbremsbar ist.
Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, enthaltend mindestens eine Reibkupplung, deren Betätigungszustand die Übersetzung zwischen der Verbindungswelle und der E-Maschine festlegt.
Verfahren zum Betreiben eines Getriebes nach Anspruch 21 oder 22, wobei ein leistungsverzweigter Fahrbereich durch Verblocken eines der Planetengetrebe gebildet wird, insbesondere durch gleichzeitiges Schließen der Kupplung (D) und der Kupplung (R).
Verfahren zum Betreiben des Getriebes nach Anspruch 25 oder 26, wobei bei drehangetriebener Antriebswelle (2) und stillstehender Abtriebswelle (8) ein Kriechmoment mittels Steuerung der Bremsefunktion und/oder Steuerung eines Generatormoments der E-Maschine eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Variator bei stillstehendem Fahrzeug und über die Bremse und/oder das Generatormoment der E-Maschine gesteuertem Kriechmoment verstellt wird.
Verfahren zum Betreiben des Getriebes nach Anspruch 21, wobei in der Nähe einer Übersetzung des Variators, bei welcher die Übersetzung. des Getriebes unabhängig von der Drehzahl der Verbindungswelle (6) ist, die Drehzahl der Verbindungswelle mittels der E-Maschine derart eingestellt wird, dass der Variator in einem Bereich verminderter Schädigung seines Umschlingungsmittels dreht.
Verfahren zum Betreiben des Getrebes nach Anspruch 21, wobei die Spreizung des Gesamtgetriebes durch Steuerung der Drehzahl der E-Maschine erhöht wird.
Verfahren zum Betreiben des Getriebes nach Anspruch 19 oder 21, wobei das Getriebe wenigstens eine Kupplung zum Umschalten zwischen zwei Übersetzungsbereichen aufweist, bei welchem Verfahren die Umschaltung zwischen den Übersetzungsbereichen unter Steuerung der Drehzahl der E-Maschine erfolgt.
Verfahren zum Betreiben des Getriebes nach Anspruch 21, bei welchem im Schubbetrieb des Getriebes die Drehzahl der E-Maschine durch Einstellen der Übersetzung des Variators gesteuert und insbesondere erhöht wird.
Verfahren zum Betreiben des Getriebes nach Anspruch 18 oder 21, wobei das Anlassen eines Antriebsmotors zum Antreiben der Antriebswelle mittels der E-Maschine erfolgt, nach deren Anlauf der Antriebsmotor an das Getriebe gekoppelt wird.
Getriebe nach Anspruch 18 oder 21, wobei die E-Maschine bei nicht laufendem Antriebsmotor zumindest eine Pumpe antreibt.
Verfahren zum Betreiben eines leistungsverzweigten Getriebes nach Anspruch 35.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei bei Stillstand des Antriebsmotors die E-Maschine die zumindest eine Pumpe antreibt, um Hilfskräfte zur Betätigung, wie Kupplungs- oder Bremsbetätigung bzw. Variatoranpressung, zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor nach dem Hochlaufen die Erzeugung der zumindest einen Hilfskraft übernimmt.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Übernahme unter Einbeziehung einer Freilaufanordnung erfolgt.