DE202009007972U1

DE202009007972U1 - Stufenloses Fahr- und Anfahr-Stufengetriebe

Info

Publication number: DE202009007972U1
Application number: DE202009007972U
Authority: DE
Original assignee: PITORQA GmbH
Current assignee: PITORQA GmbH
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: WO2010066059A2; WO2010066059A3; CH700104A1; EP2403731A2

Abstract

Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe für ein von einem Motor (M) als primärere Leistungsquelle angetriebenes Motorfahrzeug mit mindestens folgenden Bauelementen:
– einer Split-Torque-Welle (6),
– einer Variator-Welle (8),
– einem Planetengetriebe (10),
– zwei kämmenden dritten und vierten Zahnrädern (12, 13), welche in ihrem Zusammenwirken ein mindestens erstes Stufengetriebe darstellen,
– einer Antriebssteuerung (9),
– mindestens zwei Kupplungen (4, 14),
– einer Abtriebswelle (51),
– einem stufenlosen Getriebe,
dadurch gekennzeichnet, dass dieses Getriebe ferner Mittel enthält, welche gestatten, das von ihm angetriebene Motorfahrzeug vorwärts und rückwärts mit vollem Abtriebs-Drehmoment anfahren zu lassen und stufenlos den ganzen Fahr- und Leistungsbereich dieses Motorfahrzeugs abzudecken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen stufenlosen Antrieb mit integriertem Anfahrwandler insbesondere für Motorfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor als primärer Leistungsquelle, einer E-Maschine und einer elektrischen Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Solche Antriebe sind mehrere bekannt geworden, so beispielsweise aus US 2006/0247 086 A1 (D1), welches zugleich den nächstliegenden Stand der Technik darstellt.
Generell besteht ein solcher Antrieb aus einem Verbrennungsmotor, einem stufenlosen mechanischen Getriebe (Variator, Continously Variable Transmission CVT) bzw. einem elektrischen Wandler mit zwei Elektromaschinen, einem Planetengetriebe zur Verzweigung und Zusammenführung von Leistungsströmen, mindestens einer Elektromaschine, wie Generator, Anlasser, Elektromotor, fortan allgemein E-Maschine genannt, einer Batterie, mindestens einem Stufen-Getriebe und einer oder mehreren Kupplungen.
Im Antrieb gemäss D1 übernimmt eine E-Maschine allein das Anfahren oder als Unterstützung, so lange ein tiefes Motor-Drehmoment vorliegt und/oder bis die minimale Variator-Übersetzung eingekuppelt werden kann wie ein 1. Gang. Der gestartete Motor kann über einen Generator Leistung abgeben und/oder er wird mit Hilfe von Kupplungen mit der Variator-Eingangswelle und mit dem Planetengetriebe Elektroantrieb verbunden. Gleichzeitig wechselt die E-Maschine vom Alleinantrieb bzw. aus der Unterstützung des Motors in den Modus Unterstützung des Variators im Parallelbetrieb, dem sog. Enhancement zur Reduktion der Variatorleistung. Die benötigte elektrische Leistung stammt entweder aus der Batterie oder vom Generator am Verbrennungsmotor, was den Wirkungsgrad des Gesamtgetriebes gegenüber der rein mechanischen Übersetzung verschlechtert. Das elektrische bzw. elektrisch unterstützte Anfahren ermöglicht ein höheres Drehmoment als nur das gewandelte Motor-Moment, das der Variator beim Anfahren in der kürzesten Underdrive-Stellung allein erreichen kann. Trotz hohem Drehmomentbedarf entwickelt der Motor beim Anfahren meist noch nicht sein maximales Drehmoment und muss darum noch elektrisch unterstützt werden. Im Anfahrbereich wird deshalb zum Anfahrdrehmoment der Kombination Motor/mechanischer Variator noch ein Zusatzdrehmoment von der Kombination Batterie-E-Maschine aufaddiert. Das Drehmoment des Verbrennungsmotors wird vom Underdrive-Betrieb eines gängigen Variators etwa auf den Wert des Motordrehmoments mal den Variator-Untersetzungsfaktor (hier etwa 1:2,5) erhöht. Dabei erweist sich klar, dass der Variator mit seinen beiden Wirkradien prinzipiell nur Drehzahlen variieren kann, denen die Drehmomente folgen und nicht umgekehrt. Das heisst, dass der Variator aus jeder Eingangsdrehzahl eine gegebene Minimaldrehzahl wandeln kann, nicht aber aus jedem Eingangs drehmoment ein gegebenes Maximaldrehmoment.
Der Einsatz dieses Getriebes mit sehr starken Motoren und in sehr schnellen Fahrzeugen, wie beispielsweise in Sportwagen, Lastkraftwagen, und schweren Arbeitsmaschinen ist stark eingeschränkt bzw. nicht möglich, weil ein Underdrive-Bereich der gängigen Variatoren von etwa 2,5, das entspricht etwa der Wurzel aus 6,4, nicht ausreicht, um solche Fahrzeuge aus dem Stillstand bis zur Maximalgeschwindigkeit mit voller Leistung zu beschleunigen. Der Overdrive-Bereich des Variators ist nicht mit der maximalen Motordrehzahl benutzbar, weil die hier auftretenden hohen Geschwindigkeiten des Zugmittels des Variators zum sog. Polygoneffekt führen. Als Polygoneffekt werden unerlaubte Schwingungen in den Zugmitteln (Gliederkette, Schubgliederband) bei hohen Zugmittel-Geschwindigkeiten bezeichnet.
Gängige Variatoren sind in ihrer Wandlerleistung limitiert und erlauben keinen Einsatz mit höheren Motorleistungen. Lösungen mit einem vorgeschalteten Hydrowandler zum Anfahren haben sich insbesondere wegen des höheren Treibstoffverbrauchs durch die nötigen hohen Anfahrdrehzahlen im Motor nicht bewährt.
Der Achsantrieb bestimmt durch die Drehzahlreduktion im Achsdifferenzial direkt die Grösse des Anfahrdrehmoments und damit gleichzeitig die Grösse der kürzesten und der längsten Übersetzung, den Underdrive und den Overdrive. Die Länge des Overdrives bestimmt ausserdem, in welchem Masse die Motordrehzahl abgesenkt und Treibstoff gespart werden kann. Das Reduktionsgetriebe in D1 ist relativ gross bzw. der Overdrive relativ kurz. Damit lässt sich zuwenig häufig im untersten Leistungsbereich/Drehzahlbereich des Motors fahren, um entscheidend Treibstoff einzusparen.
Beim rein elektrischen Fahren dreht die Variatorkette leer mit und reduziert den Wirkungsgrad. Obwohl Massnahmen getroffen wer den (sog. CVT-Enhancement), bestimmen die Variatorgrösse mit einer gängigen Grösse des Wandelbereichs von etwa 1:6,4 und die benötigten Dimensionen der E-Maschinen die Maximalleistung, den Wandelbereich, die Baugrösse und das Gewicht limitierend. Die Erhöhung der Leistung in den Nutzfahrzeug/Sportwagenbereich mit einer gleichzeitigen Vergrösserung des Wandelbereichs wird mit dem vorliegenden Konzept nicht erreicht.
Das Variator-Enhancement wirkt nur beschränkt und reduziert den Wirkradius des zugmittels und damit das Volumen des Variators zu wenig.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass dieses Getriebe mit dem mechanischen Variator den schlechtesten Wirkungsgrad in seinem Haupteinsatzgebiet erreicht, mit dem Teillast-Betrieb im längsten Variator-Overdrive. Dabei werden die Antriebsscheiben immer gleich belastet, was zu Rillenbildung und einseitiger Abnützung im Variator führen kann.
Die relativ starke Gewichtung des elektrischen Bereichs führt zu einem Mehrgewicht und zu Mehrkosten durch die relativ grossen E-Maschinen und die benötigte Batteriekapazität.
Das Fehlen einer breiteren, batterieunabhängigen, mechanischen Leistungs- bzw. Drehmomentwandlung des Motors, vom Anfahren bis zum sehr langen Overdrive, macht einen intensiven Einsatz der E-Maschinen unumgänglich, was den Gesamtwirkungsgrad weiter reduziert.
Einen zweiten naheliegenden Stand der Technik stellt der Two-Mode Hybrid des GM-DaimlerChrysler-BMW-Konsortiums Global Hybrid Cooperation dar (27. Internationales Wiener Motorensymposium, 2006, Werbebroschüre (D2)). Mit der Kombination eines konventionellen Automatikgetriebes, bestehend aus drei Planetengetrieben, vier Kupplungen bzw. Bremsen, einem Hydrowandler und zwei E-Maschinen mit einer Traktionsbatterie soll der elektrische Leistungsbereich reduziert werden. Dabei wird die Problematik der Verluste mit den hohen elektrischen Leistungsflüssen und der hohen zusätzlichen Masse und Kosten mit den zwei Elektromaschinen zwar angegangen, jedoch nicht befriedigend gelöst. Zum dynamischen Anfahren werden auch hier relativ grosse E-Maschinen und ein relativ grosser Elektrospeicher eingesetzt, obwohl dies den Gesamtwirkungsgrad reduziert. Ausserdem reichen in der Praxis vier feste mechanische Gänge oft nicht aus für eine effektive Motordrehzahlabsenkung und halten einen Antrieb, der insbesondere für schwere bzw. starke Fahrzeuge bestimmt ist, relativ unflexibel. Der integrierte Hydrowandler ist zwar geeignet zur Drehmomenterhöhung, jedoch wenig platzsparend und energieeffizient.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,

– die genannten Nachteile zu überwinden,
– insbesondere die Getriebeleistung von den limitierenden Dimensionen des Variators und der E-Maschinen zu befreien,
– bei Verbrennungsmotoren die Leistung schon bei tiefen Drehzahlen und Drehmomenten zu hohen Antriebsdrehmomenten aus dem Stillstand vorwärts und rückwärts zu wandeln,
– sehr lange Übersetzungen mit stufenlosen Wandelbereichen von über R-Quadrat zu erreichen (mit R = Übersetzungsbereich des Variators),
– bei relativ kleinem Bauraum ein Gesamtgetriebe mit stufenloser Wandlung auch für sehr hohe Geschwindigkeiten und sehr grosse Antriebsleistungen im Bereich eines Mehrfachen der gängigen Variatorleistungen zu bauen,
– zusätzlich mit abgestuften Gängen ohne Variatorleistung zu fahren,
– als sog. Hybridantrieb mit der Leistung einer Batterie und dem elektrischen Antrieb einzeln unabhängig und auch in Synergie mit dem Verbrennungsmotor anzufahren, zu fahren und beim Bremsen zu rekuperieren,
– mit einer Start-Stopp-Automatik mit einem Gaspedaldruck das Fahrzeug und den Motor in Bewegung zu setzen und mit Motorleistung loszufahren.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist wiedergegeben im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 hinsichtlich ihrer wesentlichen Merkmale, in den folgenden Ansprüchen hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausbildungen.
Mit einer geeigneten Aufteilung der Antriebsleistung auf feste mechanische, variable mechanische und/oder elektrische Leistungsstränge können alle Fahrsituationen für ein Fahrzeug zwischen Stillstand, Motorleerlauf, Anfahren, Fahren mit sehr langen Übersetzungen und Rückwärtsfahren stufenlos abgedeckt werden. Dank einer selektiven Vernetzung der aufgeteilten Antriebstränge mit den zwei regelbaren Variator-Ausgängen und mit dreigliedrigen Planetengetrieben kann ohne spezielles Einkuppeln rein mechanisch mit einem gesteigerten Drehmoment angefahren und über den ganzen Wandelbereich der Übersetzung stufenlos beschleunigt werden. Trotz integrierter Start-Stopp-Automatik bei abgestelltem Motor kann die elektrische Leistung und die Dimensionierung von zwei E-Maschinen zum Anfahren klein gehalten werden, weil auch der gestartete Motor sofort stufenlos antreiben kann.
Weil der Anteil der Variator-Leistung zugunsten des direkten mechanischen Getriebestrangs zurückgenommen wird, kann das Gesamtgetriebe ausser zum Anfahren und Beschleunigen zusätzlich auch bei den langen Übersetzungen mit Teillast effizient arbeiten. Im erfindungsgemässen Getriebe wird von der Tatsache profitiert, dass mit einem gezielt verkleinerten Variator-Wandelbereich die maximale Variator-Leistung vergrössert werden kann.
Der Gesamtwandelbereich des Getriebes wird durch einen mehrfachen Einsatz eines gängigen mechanischen Variators auch mit einem reduziertem Variator-Wandelbereich erweitert.
Dank der Leistungsteilung mit einem mechanischfixen Leistungsstrang und einem mehrfach genutzten mechanischen Variator-Strang kann die übertragbare Motorleistung im Vergleich zur reinen Variator-Leistung sehr stark gesteigert werden. Bei Bedarf wird die Variator-Leistung mit zwei elektrischen Maschinen unterstützt. Die Endpunkte der einzelnen Variator-Bereiche können prinzipiell als mechanische Getriebegänge genutzt werden, weil sich da zwei Bereiche mit aktivierten Kupplungen der jeweils zusammen kommenden stufenlosen Variator-Bereiche überlappen. Zusätzlich können frei dimensionierte Direkt-Gänge, zwischen den Fix-Gängen liegend, eingeschaltet werden. Diese mehrfach schaltbaren Direkt-Gänge werden mit je einem frei dimensionierbaren, schaltbaren Getriebe als Variator-Überbrückungen eingesetzt. Dadurch kann wahlweise mit einem entsprechenden Motormanagement die Wandlereffizienz optimiert werden. Die höheren Verluste durch den Variator bzw. durch die elektrisch-mechanische Wandlung mit den zwei E-Maschinen können mit diesen fest im Gesamt-Wandelbereich eingebauten, rein mechanischen Getriebestufen vermieden und überbrückt werden.
Mit den vorhandenen E-Maschinen kann mit einer entsprechenden Bordstrom-/Antriebsbatterie auch rein elektrisch gefahren werden. Motorleistung und Batterieleistung lassen sich im Hybridbetrieb frei kombinieren.
In der Hybridversion sind alle Bereiche mit elektrischem Antrieb sinngemäss beim Bremsen auch mit elektrischer Rekuperation möglich.
Im erfindungsgemässen Getriebe sind der Anlasser bzw. Starter für einen Start-Stopp-Betrieb und der Generator für die Erzeugung des Bordstroms integriert.
Die Leistung des Gesamtgetriebes ist von der Wahl des elektrischen Anteils weitgehend unabhängig und wird von der Grösse eines elektrischen Speichers nicht entscheidend beeinflusst. Obwohl ein Verbrennungsmotor gerade in Motorfahrzeugen die si cher häufigste primäre Antriebsquelle darstellt, ist der Einsatz des erfindungsgemässen Getriebes keineswegs auf eine solche primäre Antriebsquelle beschränkt. Gerade bei stationären Anlagen sind auch andere Leistungsquellen durchaus gegeben. Es können also beispielsweise Gasturbinen, Dampfturbinen, hydraulische Turbinen oder sonstige Leitungsquellen sein. Alle diese Leistungsquellen sollen unter dem Begriff Motor verstanden werden.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Getriebes-1,
2 ein erstes, dem Getriebe-1 von 1 entsprechendes Wellendiagramm,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Getriebes-2,
4 ein zweites, dem Getriebe-2 von 3 entsprechendes Wellendiagramm,
5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Getriebes-3,
6 ein drittes, dem Getriebe-3 von 5 entsprechendes Wellendiagramm,
7 ein Schaltdiagramm von Getriebe-3,
8 ein zweites Getriebe-2 in koaxialer Ausführung,
9 ein drittes Getriebe-3 in koaxialer Ausführung,
10 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Getriebes-10 in paralleler Ausführung,
11 ein Wellendiagramm für 10,
12 ein viertes Getriebe-10 in koaxialer Ausführung,
13 ein Schaltdiagramm von Getriebe-2 in koaxialer Ausführung,
14 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Getriebes-10.0 in koaxialer Ausführung.
Im ersten Ausführungsbeispiel gemäss 1 mit einer ersten Getriebekonfiguration sind folgende Bauelemente miteinander verknüpft:
Ein Motor M treibt eine Split-Torque-Welle 6 an. Alternativ treibt der Motor M, beispielsweise mit einem schnelleren Antrieb, eine Zwischenwelle 5 an.
Ein erstes Zahnrad 3, das fest auf der Split-Torque-Welle 6 montiert ist, kämmt mit einem zweiten Zahnrad 2, das fest auf Zwischenwelle 5 montiert ist. Mit der Zwischenwelle 5 ist verbunden ein Variator 7 mit Zugmitteln oder ein sonst geeignetes CVT (mechanische Continously Variable Transmission, allenfalls ein hydraulisches Getriebe oder ein Toroid-Variator), welches eine zweite, gleichsinnig laufende Welle aufweist, die als Variator-Welle 8 funktioniert. Wahlweise kann die Zwischenwelle 5 mit den zwei Zahnrädern 2, 3 auch zwischen dem Variator 7 und der Variator-Welle 8 montiert sein. Auf der Split-Torque-Welle 6 sitzt weiter eine erste E-Maschine 15, welche aber im primären Antriebsstrang auch auf der Zwischenwelle 5 montiert sein kann. Auf einer Abtriebswelle 51, im sekundären Antriebsstrang, sitzt eine zweite E-Maschine 16, die auch auf der Variator-Welle 8 oder auf der Zwischenwelle 5 montiert sein kann, wenn diese nach dem Variator 7 angeordnet ist. Die Abtriebswelle 51 ist mit einem Glied eines Split-Torque-Planeten-Getriebes 10 verbunden und mündet hinter der E-Maschine 16 in ein Achsdifferenzial (nicht dargestellt). Weiter sitzt auf der Split-Torque-Welle 6 ein drittes Zahnrad 12, das mit einem vierten Zahnrad 13 kämmt, welches mit dem Summenglied des Split-Torque-Getriebes 10 verbunden ist. Dieses Zahnrad 12 kann mit einer ersten Kupplung 4, wahlweise einer Zahnkupplung, synchron und lastfrei mit der Split-Torque-Welle 6 oder einer Reibkupplung wirkverbunden werden. Alternativ können ein Zahnradgetriebe 12/13 und eine erste Kupplung 4 auch als Schaltgetriebe ausgeführt sein. Das Getriebe 10 mit drei Gliedern, dessen Summenglied verbunden ist mit dem vierten Zahnrad 13 bzw. mit einem sechsten Zahnrad 27, das mit einem fünften Zahnrad 26 auf der Split-Torque-Welle 6 kämmt, dessen erstes Summandenglied verbunden ist mit der Variatorwelle 8, dessen Differenz- bzw. zweites Summandenglied verbunden ist mit der Abtriebswelle 51, kann über die Wirkung einer dritten Split-Torque-Kupplung 14, die z. B. zwischen den zwei Summanden-Gliedern montiert ist, partiell aktiviert, d. h. reibschlüssig gesteuert, und auch ganz blockiert werden. Diese dritte Kupplung 14 ist fortan Gesteuerte Kupplung 14 genannt.
Auf der Split-Torque-Welle 6 sitzt ferner eine zweite Kupplung 25. Diese Kupplung 25 kann wahlweise eine Zahnkupplung sein, die vorzugsweise bei gleicher Drehzahl an Split-Torque-Welle 6 und dem fünften Zahnrad 26 geschaltet wird oder eine Reibkupplung. Alternativ können das Zahnradgetriebe 26/27 und die Kupplung 25 auch als Schaltgetriebe ausgeführt sein.
Die schon in 1 integrierte Batterie 50 kann verstärkt werden, über den Einsatz für Bordstrom und beim Start des Motors M hinaus, wahlweise zum Einsatz mit einer Start-Stopp-Automatik und/oder zum Einsatz bei einem elektrischen Fahrbetrieb in einer Hybridausführung. Die Batterie 50 kann dann auch als Traktionsbatterie bezeichnet werden, die als Superkondensator, als Elektrospeicher oder auch als Kombination davon ausgeführt sein kann und auf die entsprechenden Signale der Antriebssteuerung 9, elektrische Leistung abgibt bzw. speichert.
Sensoren sind in den Figuren nicht eingetragen um sie lesbar zu halten. Sensoren sind überall angebracht, wo Betriebsparameter in der Antriebssteuerung 9 verarbeitet werden sollen, um Getriebereiche zu schalten und vorteilhaftere Einstellungen zu bewirken. Solche Sensoren sind eingebaut und messen beispielsweise die Drehzahlen und die Drehmomente des Motors M an der Split-Torque-Welle 6, des Wandlers an der Variator-Welle 8, beim Abtrieb proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit an der Abtriebswelle 51, die Zustände und Wirkungsart der Kupplungen sowie der Fahrzeugbremsen, die elektrischen Leistungen in den E-Maschinen 15, 16, die Lade- und Entladeströme, sowie den Ladezustand der Batterie 50, die Betriebstemperaturen des Motors M, des Getriebes, der E-Maschinen 15, 16 hinsichtlich deren gezielten Überlastung.
Der Fahrer bedient vor bzw. während der Fahrt die Richtungswahl, also Vorwärts oder Rückwärts, ein Gaspedal, eine Betriebsbremse, in aller Regel ein Bremspedal, eine Parkbremse. Das Fahrzeug kann ferner mit Wählschaltern ausgerüstet sein, welche die Art des Betriebes zu wählen gestatten; also „Normal” für mechanischen Betrieb ohne Batterieunterstützung und alllenfalls „Hybrid” mit Start-Stopp-Betrieb für Anfahren mit gleichzeitigem Motorstart, „E-Boost” für eine elektrische Unterstützung während der Fahrt, sowie „EV” für einen rein elektrischen Fahrbetrieb ohne drehenden Motor M.
Die Ausgangssignale aller dieser Bedienungsorgane werden an die Antriebssteuerung 9 übermittelt und mit der entsprechenden Software unter Einbezug von spezifischen Parametern wie Wirkungsgrad-Kennfelder der Antriebsquelle Motor M, der E-Maschinen 15, 16, sowie der Strategie zur Batterie-Ladung bzw. -Entladung verarbeitet. Eine weitere Steuerungsebene umfasst Stategien und Algorithmen zur Optimierung des Gesamt-Wirkungsgrades im Getriebe, wahlweise unter Berücksichtigung von zusätzlichen Sensorwerten von Stabilitätsprogrammen ESP, Bremshilfen ABS, Tempomat, möglicherweise von Satelliten-gestützter Treibstoffverbrauchsoptimierung bei z. B. Pendlerfahrten mit Hilfe von GPS/Navigationssystem, die von der Antriebssteuerung 9 unter Einhaltung der festgelegten Getriebearbeitsbereiche integriert werden.
Mit einer geeigneten Regelung in der Antriebssteuerung 9 können Bremsvorgänge in erster Linie mit den E-Maschinen 15, 16 zur Rekuperation der kinetischen Fahrzeugenergie durchgeführt und die Fahrzeugbremsen erst bei erhöhtem Bedarf eingesetzt werden.
Im Folgenden werden exemplarisch Betriebsverfahren erläutert, die in den Ausführungsbeispielen der in 1, 3, 5, 10, 14 beschriebenen Getriebefamilie gleich wirken und deshalb auch gleich benannt sind. Die Bezeichnungen für diese Betriebsverfahren werden, sofern sie schon bekannt sind, aus der Literatur übernommen. Neue Verfahren werden hier auch mit neuen Bezeichnungen versehen, die durchgehend die gleiche Bedeutung beibehalten. Die Endungszahlen in den Bezeichnungen stimmen mit der Kardinalzahl der beschriebenen Getriebevariante überein.
Das beschriebene Getriebe-1 gemäss 1 basiert auf dem bekannten Split-Torque Geared-Neutral(STGN)-Verfahren. Hier wird dieses Verfahren mit der erfindungsgemässen Integration von zwei E-Maschinen und einer Batterie erläutert, wie in 1 dargestellt.
Start-Split-1
Beschreibung der erfindungsgemässen Verbesserungen im Getriebe-1 nach 1 gemäss 2:
Im Bereich Start-Split-1 dreht der Motor M und liefert seine Leistung an die Split-Torque-Welle 6. Die Kupplung 4 ist geschlossen und verbindet so die Split-Torque-Welle 6 mit dem Sum menglied des Split-Torque-Planeten-Getriebes 10. Gleichzeitig ist die Split-Torque-Welle 6 über das Zahnradgetriebe 3/2, die Zwischenwelle 5, den Variator 7, über die Variator-Welle 8 mit einem zweitem Eingang, dem ersten Summandenglied des Split-Torque-Getriebes 10 verbunden. Entsprechend der Dimensionierung des Variators 7, mit dessen Variator-Wandel-bereich R, der Auslegung des Split-Torque-Planeten-Getriebes 10 mit dessen Differenzialfaktor K und der Übersetzung der beiden Zahnradgetriebe 2/3, 12/13, sowie der Stellung bzw. Wandlung des Variators 7, führt die Abtriebswelle 51 eine resultierende, kontinuierliche Drehung von vorwärts – über den Stillstand – zu rückwärts mit einem entsprechenden Drehmoment aus. Der darin enthaltene Aktive Stillstand (Geared-Neutral) erfüllt quasi das Stillhalten eines Fahrzeugs auf einer schiefen Ebene mit eingekuppeltem, drehendem Motor.
Parallel zur Drehmomentwandlung mit dem Variator 7 kann erfindungsgemäss zwischen der ersten E-Maschine 15 auf der Split-Torque-Welle 6 und zweiten E-Maschine 16 auf die Abtriebswelle 51 zusätzliche Motorleistung über eine elektrische Wandlung übertragen werden. Dies wird im Folgenden als E-Wandlung bezeichnet.
Verbesserungen beim Anfahren (Überwindung der sog. Anfahrschwäche)
In der Literatur ist im Zusammenhang mit dem Split-Torque-Geared-Neutral-Verfahren (STGN) immer wieder von einer ”Drehmomentschwäche beim Anfahren” zu lesen. Diese Aussage übersieht die Tatsache, dass beim Stand der Technik allein die Anwendung mit den mechanischen Komponenten für das schwache Anfahren verantwortlich ist und nicht das prinzipielle Verfahren im STGN-Getriebe. Das STGN-Verfahren mit der grossen Torque Multiplication, das ein vom Motor kommendes Drehmoment massiv für den Antrieb steigern kann, wurde vor Jahrzehnten experimentell verifiziert (GM Studie und Patent US 4'644'820 ), doch blieb bislang die Kinematik der Variatorübertragung in der Nähe des Geared-Neutral-Punktes nur ungenau beschrieben.
Trotzdem wird die Schwäche-Vorstellung in akademischen Kreisen weiter kolportiert und behindert so mögliche Entwicklungen.
Für das Verständnis der hier vorliegenden erfinderischen Leistung ist das Verständnis der Funktionsweise eines Zugmittel-Variators mit veränderlichen Wirkradien in den Scheibensätzen eine zwingende Voraussetzung.
Im Underdrive eines mechanischen Zugmittel-Variators ist der Wirkradius der antreibenden Scheiben klein. Das Zugmittel dreht infolge des grösseren Abstands zwischen den Anpressscheiben näher bei der Scheibenachse, weshalb der Anpressruck an den Scheiben zur Kompensation des kleineren Radius und der grösseren Zugkraft grösser sein muss. Dies entspricht im Drehmomentgesetz dem konstanten Drehmoment als Produkt aus Scheiben-Wirkradius × Zugkraft.
Im Variator-Overdrive ist es umgekehrt: Wenn der Wirkradius im antreibenden Scheibenpaar gross ist, kann der entsprechende Druck reduziert werden. Das Zugmittel, also Gliederkette oder Schubgliederband, läuft hier bei gleicher Motordrehzahl mit höherer Geschwindigkeit und deshalb mit kleinerer Zugkraft als im Variator-Underdrivebereich, wo das Zugmittel langsamer, aber mit höherer Zugkraft läuft.
Technisch gesehen, und für das weitere Verständnis der Erfindung entscheidend, kann das mechanische Variator-System im Variator-Overdrivebereich eine grössere Leistung übertragen als die Wandlerleistung, welche benötigt wird, um die maximale Motorleistung zu übertragen. Drehzahl und Wirkradius in den Antriebscheiben sind im Overdrive bei der maximalen Motorleistung beide gross, der Scheibenanpressdruck ist wegen der niedrigeren Kettenzugkraft im Variator-Overdrive weit vom Maximum entfernt: Anpressdruck und Variatorleistung können somit noch erhöht werden. Dies ist für einen konventionellen Antrieb, wenn ein Variator einfach zwischen einem Motorantrieb und einem Achsabtrieb eingebunden ist, nicht relevant.
In den Bereichen mit Split-Torque-Drehmomentaufteilung, also dem Reverse-1/Start-Split-1 und dem Overdrive-Split-1 wird die Variator-Wirkung bzw. die Übertragungsleistung von einer Kombination aus dem Variator und einem Split-Torque-Getriebe gespiegelt. Das heisst, der Overdrive-Bereich des Variators kommt hier, das heisst beim vorwärts Anfahren vom Stillstand aus, vor dem Underdrive-Bereich des Variators. In der Praxis heisst das, dass gerade beim Anfahren, wenn die übertragene Variator-Leistung mit der hohen Zugmittelgeschwindigkeit sehr gross ist, das Drehmoment nur minimal bzw. gerade so gross ist, wie das Produkt aus Variator-Minimalmoment mal den Split-Torque-Getriebe-Differenzialfaktor K –1. Ein grosser Teil der Variatorleistung wird nur rezirkuliert, läuft also mit wenig äusserer Wirkung im Kreis. Diese Variatorleistung unterliegt dabei allen Reibungsfaktoren und sonstigen Widerständen. Die relative Verlustleistung (= Verlustleistung/Abtriebsleistung) ist am Geared-Neutral Punkt, dem Aktiven Stillstand, am höchsten, weil hier keine Leistung an den Abtrieb geht, denn die Drehzahl der Abtriebswelle 51 ist gleich Null.
Im Split-Torque-Geared-Neutral-Verfahren (STGN) kann einzig und allein der Variator 7 die Motor-Eingangsleistung zum Produkt Drehmoment mal Drehzahl an der Abtriebswelle wandeln, Torque Multiplication genannt. Nur der Variator 7 kann die prinzipiell nötige Steuerleistung als Produkt aus Steuerdrehzahl mal Steuerdrehmoment vorgeben, die im Split-Torque-Getriebe 10 mit der Leistung aus dem direkten Antrieb von der Split-Torque-Welle 6 zusammengeführt wird. Jeder vom Variator 7 nicht gewandelte Überschuss an Motorleistung bleibt deshalb auch prinzipiell ungenutzt. Das heisst, dass der Antriebsmotor seine volle Leistung, z. B. beim Anfahren, gar nicht bringen kann bzw. bringen muss, wenn der Variator sie nicht verkraften kann. Daraus folgt, dass das vom Variator 7 gewandelte maximale Anfahrmoment am Geared-Neutral Punkt von der Motorleistung ziemlich unabhängig ist und in erster Linie von der Variatorleistung abhängt.
Mit der steigenden STGN-Getriebe-Übersetzung bzw. mit der steigenden Fahrzeuggeschwindigkeit steigt auch die Drehmomentkapazität im Variator 7, z. B. im Variator-Overdrive beginnend, und erreicht im Synchronpunkt B ihr Maximum, d. h. im kürzesten Variator-Underdrive. Dieses Variatordrehmoment-Maximum liegt im Bereich Start-Split-1 oft über der Motor-leistung und bleibt dann ungenutzt.
Beim Anfahren im STGN-Bereich ist eine zu hohe Motordrehzahl zur Kompensation des kleineren Motordrehmoments bzw. des zu kleinen Abtriebsmomentes letztlich kontraproduktiv, da dies eine kürzere Gesamtübersetzung erfordert; genau diese kürzere Gesamtübersetzung aber verhindert eine dynamischere Beschleunigung mit der höheren Drehmomentkapazität im Variator und führt zur so genannten Anfahrschwäche.
Eine Konsequenz aus diesem hier beschriebenen, gar nicht so offensichtlichen Zusammenhang liegt damit erfindungsgemäss im gezielt dosierten Hochdrehen des Motors, damit genau die benötigte Leistung generiert wird. Dieser präzise Betrieb des Motors wiederum bringt dem Anfahren erst seine höchste Effizienz und reduziert Treibstoffverbrauch und Immissionen auf ein Minimum.
Die folgenden Erläuterungen beschreiben, wie im Bereich des Anfahrens die vom Motor M anliegende Leistung zusätzlich zur Variatorwandlung genutzt werden kann. Sinngemäss werden die verschiedenen Möglichkeiten z. B. in der Reihenfolge ihrer Effizienz eingesetzt.
1. Elektro-Enhancement mit E-Wandlung
Durch einen Power-Split-Betrieb beim STGN-Anfahren, mit einer Aufteilung der anliegenden Motorleistung, kann zusätzliche, also überschüssige, Motorleistung, die der Variator nicht verkraften kann, parallel zur Variator-Wandlung z. B. elektrisch, hydraulisch oder mechanisch gewandelt werden. Die zwei E-Maschinen 15, 16 können einen Teil der Motoran-triebsleistung als Bypass, unter Umgehung der Variatorwandlung und unabhängig von der Batterie wandeln und geben damit ein zusätzliches Drehmoment z. B. direkt an die Abtriebswelle 51 ab. Dieses Verfahren wird hier als E-Wandlung bezeichnet.
Die beiden E-Maschinen 15, 16 haben gerade beim Anfahren mit tiefer Motordrehzahl ihr höchstes Drehmoment und können dadurch im Bereich Start-Split-1 in 2 ideal die beschriebene umgekehrte Drehmomentcharakteristik des Variators 7 kompensieren: Das grösste E-Maschinen-Drehmoment liegt beim Anfahren vor und nimmt danach ab. Das summierte Abtriebsdrehmoment von Variator 7 und zweiter E-Maschine 16 kann dadurch der Zugkrafthyperbel folgen, dem Drehzahl- vs. Drehmoment-Diagramm einer gegebenen Motorleistung. Dank der leichteren Regulierbarkeit der E-Maschinen 15, 16 lässt sich ausserdem mit Hilfe der Antriebssteuerung 9 eine Anfahrcharakteristik erreichen, die sogar den hohen Standard von Hydrowandlern übertrifft, da dieses Getriebe-1 im Gegensatz zu den gängigen Hydrowandlern keine Minimaldrehzahl erfordert.
2. Start-Enhancement mit Gesteuerter Kupplung
Während der ersten Zeit beim Anfahren kann mit von der Antriebssteuerung 9 dosiert geregeltem Aktivieren bzw. Einkuppeln der Gesteuerten Kupplung 14 im Split-Torque-Planeten-Getriebe 10 ein weiterer Teil der Motorleistung für den Antrieb genutzt werden. Mit der Kupplung 14 wird dabei zum Beispiel das erste Summandenglied des Split-Torque-Planeten-Getriebe 10 mit dem zweiten Summandenglied reibend bzw. nur teilweise verbunden, analog einem rutschenden, partiellen Einkuppelvorgang in einem Stufengetriebe. Damit wird das Split-Torque-Getriebe 10 teilweise blockiert und leitet so einen zusätzlichen Teil der Motorleistung direkt von der Split-Torque-Welle 6 in die Abtriebswelle 51 ein. Dieser Vorgang wird hier als Gesteuertes Kuppeln bezeichnet.
Beim Anfahren kann die Motorleistung bzw. -drehzahl klein gehalten werden, weil der Leistungsbedarf klein ist, entsprechend der Leistung als Produkt aus Anfahr-Drehzahl am Rad × Maximal-Moment von Variatorwandlung und Elektrowandlung.
Das Gesteuerte Kuppeln mit der Gesteuerten Kupplung 14 hat zwar einerseits beim Anfahren den kleinsten Wirkungsgrad, verhilft andererseits aber dem Gesamtgetriebe durch die Blockierung des Split-Torque-Planeten-Getriebes 10 zu einer festen mechanischen Stufe mit höchstem Wirkungsgrad. Dabei wird der Motor M über die Split-Torque-Welle 6 und das Zahnradgetriebe 12/13 direkt mit der Abtriebswelle 51 verbunden, was hier als Fix-Gang 1 bezeichnet wird.
Die sog. Torque-Multiplication und der Reverse-Wandelbereich des Variators hängen direkt mit der Kombination von Varia-torwandelbereich R und Differenzialfaktor K des Split-Torque-Planetengetriebes 10 zusammen: K = n1/n3, bei n2 = 0; n1, n2, n3 sind die Drehzahlen der einzelnen Glieder des Split-Torque-Planeten-Getriebes 10.
Mit R > K wird der Split-Torque-Wandelbereich vom Geared-Neutral Punkt (Aktiver Stillstand) aus um einen Rückfahrbereich (Reverse) erweitert, während sich die Torque Multiplication vom Maximum entfernt. Mit R = K ergibt sich die höchstmögliche Torque Multiplication, die jedoch nur einen Split-Torque-Bereich mit Anfahren vorwärts aus dem Stillstand, dem Geared-Neutral, erlaubt.
Die E-Maschinen 15, 16 können immer mit zusätzlicher Leistung aus der Batterie 50 betrieben werden und so den Antrieb des Motors M unterstützen, ausser während einer maximalen Elektrowandlung im Start-Split-1, wo ein zusätzlicher Leistungsbedarf kaum gegeben ist. Umgekehrt kann immer auch elektrische Leistung aus dem Getriebe abgezweigt bzw. rekuperiert und gespeichert werden.
Die zweite E-Maschine 16 kann, als nicht dargestellte Variante, im Getriebe-1 wahlweise auch an einer nicht angetriebenen Achse bzw. an nicht mechanisch angetriebenen Rädern wirken, wahlweise mit Radnabenmotoren, und ermöglicht so einen mechanisch-elektrischen Allradantrieb. Mit einem grösseren elektrischen Speicher 50 ist ein rein elektrischer Fahrbetrieb und ein Brems-Rekuperationsbetrieb möglich. Dabei besteht eine freie Wahl des Elektroanteils: Micro-, Mild-, Voll-Hybridversionen sind entsprechend der Dimension der Batterie 50, der E-Maschinen 15, 16 und des Variators 7 möglich. Für die Generierung des Bordstroms bzw. zum Starten des Motors werden neben den beiden E-Maschinen 15, 16 keine weiteren E-Maschinen benötigt.
Mit einer Hybridversion d. h. mit einer grösseren Antriebsbatterie 50 kann zusätzlich zum motorischen Anfahren, auch rein elektrisch mit der zweiten E-Maschine 16 angefahren werden. In einem stehenden Fahrzeug steht vorzugsweise auch der Motor M still. Beim Druck auf das dem Gaspedal entsprechenden Steuerungsorgan setzt sich das Fahrzeug erfindungsgemäss sofort elektrisch in Bewegung. Beim ausschliesslich elektrischen Anfahren, z. B. nach der Vorwahl eines ”EV”-Schalters für rein elektrisches Fahren, sind die Kupplungen 4, 14, 25 geöffnet und erlauben den Zahnradgetrieben 12/13 und 26/27 ein ungehindertes Drehen am Summenglied des Split-Torque-Planeten-Getriebes 10. Wenn der Motor M nicht dreht, stehen auch die Wellen 5, 6, 8 und der Variator 7 still. Bei zusätzlichem Leistungsbedarf, z. B. über die Batterieleistung hinaus, wirkt die erste E-Maschine 15 über die Split-Torque-Welle 6 als Anlasser auf den Motor M. Der Motor wird so parallel zum E-Antrieb gestartet, dreht hoch und wirkt sofort selbst antreibend. Die erste E-Maschine 15 wechselt wahlweise vom E-Motor-Modus in den E-Generator-Modus und wandelt dann sofort die anfallende Leistung vom Verbrennungsmotor M.
Die Drehzahl des Motors M ist in dieser Konstellation erst klei ner als die Drehzahl der Abtriebswelle 51. Das Zusammenschliessen mit dem Getriebe findet deshalb in einer mittleren Übersetzung, z. B. im Bereich Full-Drive-1 statt. Die Antriebssteuerung 9 regelt kontinuierlich das Übersetzungsverhältnis des Variators 7 zugunsten einer mechanischen Verbindung zwischen Split-Torque-Welle 6 und Abtriebswelle 51 und blockiert schliesslich z. B. das Split-Torque-Planeten-Getriebe 10 mit der Kupplung 14 ruckfrei und ohne Kuppelverluste. Sofort fliesst die volle Motorleistung mechanisch durch den Variator 7. Das Übersetzungsverhältnis kann dann weiter verändert werden. Die E-Maschinen 15, 16 können nun leer laufen bzw. mit Leistung aus der Batterie 50 betrieben werden.
Eine weitere Möglichkeit zum Anfahren wird mit der Start-Stopp-Automatik vorgewählt. Dieser Modus besteht aus einem Start mit beiden E-Maschinen 15, 16: Die zweite E-Maschine 16 treibt die Abtriebsachse 51 an, während gleichzeitig die erste E-Maschine 15 bei geschlossenen Kupplungen 4, 14 d. h mit blockiertem Split-Torque-Getriebe 10, den Motor M startet. Der Variator 7 dreht locker mit, d. h. ohne Antriebs- bzw. Steuerleistung. Nach kurzer Zeit gibt der Motor selber Leistung ab und unterstützt schon bei sehr tiefen Drehzahlen den Antriebstrang, bestehend aus den fest miteinander verbundenen Wellen 6, 51, beim sog. Fix-Gang 1-Start. Wenn die zwei Wellen 6, 51 mechanisch gekuppelt sind, wird dies hier als Fix-Gang 1 bezeichnet. Dieser Fix-Gang 1 kann in einem konventionellen Stufengetriebe etwa einem 2. Gang entsprechen. Sobald der Motor M rund läuft und z. B. der Öldruck für die Scheibenanpressung im Variator 7 aufgebaut ist, kann der Fix-Gang 1 verlassen, in den Bereich Start-Split-1 gewechselt und z. B. mit wählbar steigender Motorleistung gefahren werden. Direkt vom Fix-Gang 1, dem Synchronpunkt B, ausgehend, genügt schon ein reduziertes Scheibendruckniveau von beispielsweise 50%, weil hier bei höchster Leistungsfähigkeit und dank der Torque-Multiplication des Variators 7 mit dem Split-Torque-Getriebe 10 nur ein reduziertes Variator-Eingangsmoment gewandelt werden muss.
Oder es kann in den Bereich Full-Drive-1 gewechselt werden und mit gleich bleibender oder sinkender Motorleistung gefahren werden. Umgekehrt kann beim Abbremsen des Fahrzeuges beispielsweise erst der Motor M mit Hilfe der ersten E-Maschine 15 ganz gestoppt werden, während die zweite E-Maschine 16 bei offenen Kupplungen 4, 14, 25 das Fahrzeug beispielsweise langsamer verzögert.
Diese Variante erlaubt es, z. B. bei einem minimal dimensionierten Elektrobereich, dynamisch mit einer relativ kleinen elektrischen Batterie 50 und mit beiden E-Maschinen gleichzeitig anzufahren, ohne vorher den Motor M im Leerlauf bereit zu halten.
Wahlweise kann sinngemäss mit geschaltetem Fix-Gang 2 angefahren werden
Full-Drive-1
Beim Synchronpunkt B, am oberen Ende des Bereichs Start-Split-1, wird das Split-Torque-Planeten-Getriebe 10 mit der Kupplung 14 z. B. dynamisch blockiert, das heisst die Wirkung der Kupplung 14 kann schon vor Erreichen der Synchrondrehzahl der Wellen 8 und 51 beginnen. Beim Blockieren wird der Variator 7 wirkungsmässig überholt und damit lastfrei laufend. Die Antriebssteuerung 9 kann zur Optimierung der Leistungsübertragung im Getriebe die Motordrehzahl anpassen und so z. B. wahlweise verlängert mit dem Fix-Gang 1 fahren.
Im Synchronpunkt B, bzw. nach dem Fahren mit dem Fix-Gang 1, wechselt die Richtung des Leistungsflusses im Variator 7.
3. Elektro-Enhancement im Bereich Full-Drive-1:
Im Bereich Full-Drive-1 leistet der Variator 7 grundsätzlich die ganze Übertragung der Motorleistung. Die höhere Variator-Belastung ohne den Split-Torque-Modus tritt vorzugsweise in kleineren Zeitanteilen auf. Alternativ kann die Extrembelastung im Variator-Underdrive durch das nachfolgend beschriebene Elektro-Enhancement gemildert werden.
Im kürzesten Underdrive-Bereich des Full-Drive-1 wird vom Variator die höchste Zugkraft des Zugmittels verlangt, was einen sehr hohen bis maximalen Anpressdruck in den Variator-Scheiben erfordert. Dieser geht mit der wachsenden Übersetzung schnell wieder zurück. Im Getriebe sind die beiden E-Maschinen 15, 16 vorhanden, die problemlos die auftretende Höchstbelastung der Antriebsscheiben reduzieren können, indem sie ein weiteres Mal, nach dem Anfahren im Start-Split-1, Antriebsleistung im Bypass am Variator 7 vorbei wandeln. Im Gegensatz zur mechanisch klar limitierten Variator-Höchstleistung kann mit den beiden elektrischen Maschinen 15, 16 von der Möglichkeit einer kurzfristigen Überlastung profitiert werden. Wahlweise kann dabei der im Vergleich zur mechanischen Variatorwandlung schlechtere elektrische Wirkungsgrad durch elektrische Leistung aus der Batterie kompensiert werden.
Das Fahren im Variator-Underdrive-Bereich des Bereichs Full-Drive-1 kann verkürzt werden, indem die Motordrehzahl abgesenkt und gleichzeitig die Getriebeübersetzung schneller in Richtung Overdrive verstellt wird. Dies ist sinnvoll im Hinblick auf eine möglichst kurze Zeit mit dem Elektro-Enhancement des Variators 7.
Overdrive-Split-1
Im Bereich des Full-Drive-1 sind die Kupplungen 4, 25 geöffnet und die dritte Kupplung 14 geschlossen, so dass die ganze Motorleistung durch den Variator 7 fliesst, eventuell ohne die Leistung eines Elektro-Enhancements. Mit einer vollständigen Verstellung des Variators 7 durchläuft das Getriebe den ganzen Bereich Full-Drive-1 und erreicht dann den zweiten Synchronpunkt C1. Sobald die Split-Torque-Welle 6 synchron läuft mit dem Zahnrad 26, das mit dem Zahnrad 27 kämmt, welches wiederum vom Split-Torque-Getriebe 10 angetrieben wird, kann die zweite Kupplung 25, wahlweise reibend oder lastfrei, geschlossen werden. Damit ist die zweite fixe Getriebestufe, hier Fix-Gang 2 genannt, erreicht. Nun kann die Split-Torque-Kupplung 14 wieder geöffnet und der zweite Split-Torque-Bereich, der Overdrive-Split-1, für die weitere Getriebeübersetzung genutzt werden. Mit der abnehmenden Leistung, die hier im Variator rezirkuliert wird, steigt der mechanische Wirkungsgrad zum Maximum in allen drei stufenlosen Übersetzungsbereichen Reverse-Split-1/Start-Split-1, Full-Drive-1, Overdrive-Split-1.
Der Overdrive-Split-1-Bereich wird umso grösser, je kleiner der Faktor K im Split-Torque-Getriebe 9 gewählt wird, analog der Bildung eines Bereichs Reverse-Split-1 als Rückwärts-Verlängerung des Bereichs Start-Split-1.
4. High-Speed-Enhancement zur Erhöhung der Kapazität der maximalen Variator-Leistung beim Übergang von Full-Drive-1 zu Overdrive-Split-1.
Wenn ein Variator mit der höchsten technisch realisierbaren Leistung den ganzen Full-Drive-Bereich durchfährt, können in seinem Overdrive-Teil am oberen Ende des Full-Drive-1 und zu Beginn des Overdrive-Split-1 unzulässige Vibrationen im Zugmittel auftreten, der sog. Polygoneffekt. Da diese Vibrationen direkt von der Zugmittelgeschwindigkeit abhängen, können sowohl Motordrehzahl als auch das Übersetzungsverhältnis bzw. der Wirkradius der Antriebsscheibe an der Zwischenwelle 5 reduziert werden, um mit der Zugmittelgeschwindigkeit im zulässigen Bereich zu bleiben.
Um eine steigende Geschwindigkeit zu erreichen, kann entweder die Motordrehzahl oder die Variator-Übersetzung erhöht werden oder beides zusammen. Um jedoch innerhalb der Polygoneffekt-Grenzen zu bleiben, kann die Motordrehzahl gesenkt und gleichzeitig die Getriebeübersetzung erhöht werden. Die Absenkung der Motordrehzahl ist im Vergleich zur gegenläufigen Erhöhung der Variator-Übersetzung im Quadrat wirksamer, so dass die Zugmittelgeschwindigkeit, die dem Polygoneffekt unterliegt, in ihrem absoluten Wert nicht ansteigen muss. Veränderungen bei den obersten Motordrehzahlen haben meist nur noch relativ kleine Auswirkungen auf die maximale Motorleistung, so dass die Folgen der Drehzahlabsenkung in Kauf genommen werden können.
Auch während eines sog. High-Speed-Enhancement wird die Steigerung der Fahrzeuggeschwindigkeit durch die Antriebssteuerung 9 geregelt. Die Motordrehzahl wird abgesenkt von der Maximaldrehzahl mit der Maximalleistung und gleichzeitig gegenläufig mit steigender Variator-Übersetzung hin zum Overdrive-Maximum so gewandelt, dass gerade noch kein Polygoneffekt mit der maximalen Zugmittelgeschwindigkeit auftritt. Während die Motordrehzahl nur wenig sinkt, z. B. auf 85% der Maximaldrehzahl, wird die Getriebeübersetzung schneller vergrössert, bis im Synchronpunkt C1 der Over-drive-Split-Bereich des Getriebes erreicht ist. Danach kann gleichzeitig zur weiter gehenden Geschwindigkeitssteigerung neben der Vergrösserung des Getriebe-Übersetzungs-Verhältnisses auch die Motordrehzahl wieder angehoben werden, weil mit der Wandlung in Richtung Variator-Underdrive der Wirkradiusradius in den Variator-Antriebsscheiben wieder sinkt. Die Differenz zur Maximalleistung während des Speed-Enhancements, die z. B. weniger als 10% der Motorleistung beträgt, kann mit Leistung aus der Batterie kompensiert werden.
Mit dem Wechsel in den Overdrive-Split-1-Bereich steigt der Getriebegesamtwirkungsgrad im stufenlosen Betrieb zu seinem Maximum an.
Im Fix-Gang 2 liegt ein zweites Effizienzmaximum mit fester Getriebe-Übersetzung vor, dank einem weiteren Variator-Override.
Das High-Speed-Enhancement kann gezielt zur Erhöhung der maximalen Variatorleistung eingesetzt werden, weil in einem Getriebe-1 gemäss 1 das Übersetzungsmaximum nicht wie bei einer einfa chen Variator-Anwendung mit dem Variator-Wandelmaximum zusammenfällt. Mit der geeigneten Wahl von Variator-Bereich R, Split-Torque-Getriebe-Faktor K und einer Elektrowandlung zwischen der ersten E-Maschine 15 und der zweiten E-Maschine 16 kann ein breiterer Übersetzungsbereich innerhalb der Polygoneffekt-Grenzen gewählt werden, als dies mit einem einfachen Variator-Getriebe möglich ist.
Sinngemäss zum High-Speed-Enhancement wird die optimale Absenkung der Motordrehzahl beim Anfahren im Start-Split-1 auf das gerade nötige Minimum als Low-Speed-Enhancement bezeichnet.
Ziel einer sehr langen Overdrive-Split-1-Übersetzung kann die maximale Absenkung der Motordrehzahl sein. Die Motorleistung kann dadurch z. B. schon direkt ab Leerlaufdrehzahl relativ effizient für den Fahrzeugantrieb genutzt werden. Eine solche Drehzahlabsenkung gelingt mit Getriebe-Gesamtwandelbereichen, die grösser sind als z. B. 10. Als Folge können Grundlasten wie die Fahrwiderstände bei urbanen Geschwindigkeiten, der elektrische Bordverbrauch etc. schon mit einer kleinen Motorleistung, d. h. mit minimaler Motordrehzahl und ohne Lastpunktanhebung abgedeckt werden. Die Lastpunktanhebung, also das künstliche Mehrbelasten des Motors, wird meist mit einer Produktion von Strom erreicht, der in einer Batterie zwischengespeichert wird. Nur sinkt mit dieser Zwischenspeicherung die elektrische Effizienz noch weiter und bringt damit kaum mehr eine Verbesserung.
Minimalleistungen können mit gängigen Getriebearten nur durch eine volle E-Wandlung oder den Elektroantrieb in einem Hybridfahrzeug mit umfangreichen Batterien erbracht werden.
Im Getriebe-1 gemäss 1 in Hybrid-Ausführung, also mit verstärkter Batterie 50, kann der Motor M schon bei tiefen Geschwindigkeiten mechanisch effizient antreiben. Mit der Vorwahl „E-Boost” werden kurzfristige Änderungen beim Fahrtwiderstand, z. B. durch Veränderungen in der Topografie oder kleine Beschleu nigungen durch eine elektrische Zusatzleistung z. B. mit der zweiten E-Maschine 16, aus der Batterie 50 abgedeckt, so dass Motor M und Variator 7 nicht ständig durch ihre Betriebsbereiche pendeln müssen. Auch kleine Leistungen von Motor M und Batterie 50 können damit addiert und nach Bedarf kombiniert werden. Als Nebeneffekt einer langen Getriebeübersetzung, die auch kleine Motorleistungen vom Anfahrbereich bis zum längsten Overdrive abdeckt, kann die Dimension der E-Maschinen 15, 16 klein sein und die Kapazität der Batterie 50 auf einem Minimum gehalten werden, ohne negative Konsequenzen für den Fahrbetrieb. Damit muss die Batterie 50 nur noch die Spitzenleistung liefern, während die Grundleistung vom Motor M effizienter direkt produziert wird.
5. Variator-Enhancement
Ein Hauptansatzpunkt zur Leistungssteigerung in stufenlosen Getrieben liegt bei der Verbesserung der spezifischen Variatorleistung, beim hier so genannten Variator-Enhancement. Die Reduktion des Variator-Wandelbereichs R spielt dabei eine zentrale Rolle.
Dabei wird mit einer Verringerung des Wandelbereichs R eine Steigerung der Variator-Leistung mit dem Faktor Quadratwurzel aus Standard-R/R erreicht.
Alternativ kann mit der Verringerung des Wandelbereichs ohne Leistungssteigerung eine Variator-Volumenverkleinerung im Verhältnis von z. B. R/R Standardgrösse, mit R ≈ 6,4, in der 1,5ten Potenz stattfinden.
Mehrere, kleinere Variatorbereiche können zu einem insgesamt grösseren Getriebe-Gesamtwandelbereich kombiniert werden, der z. B. auch eine grössere Flexibilität und einen höheren Wirkungsgrad erreicht, als dies mit einer einzigen Variator-Wandlung beim Stand der Technik möglich ist. Zusätzlich lassen sich Variatoren bei kleinem Wandelbereich R mit Doppelketten/Zugmitteln ausrüsten, so dass ihre Wandlerleistung fast verdoppelt wird.
Getriebe-1 gemäss 1 lassen sich z. B. mit massiv gesteigerten Leistungen, mit kleineren Drehzahldifferenzen, reduzierten Extrembelastungen und unter Umgehung des Polygoneffekts bauen. Die beiden Split-Torque-Bereiche mit den 2 Fix-Gängen vergrössern den ursprünglichen Variator 7-Full-Drive-1-Bereich zu einem breiteren Gesamtwandelbereich mit gleichzeitiger Integration des Anfahrens vorwärts und rückwärts aus dem Stand.
6. Hybrid-Flexibilität-Enhancement:
Allein mit einer vertärkten Batterie 50, ohne weitere Extra-Komponenten in Form von Hardware, wird aus dem Getriebe ein hochwirksamer Hybridantrieb ohne Einschränkungen.
Dank den beiden E-Maschinen 15, 16 lässt sich immer zwischen den Antriebsquellen Motor M und Batterie 50 die höchste Effizienz ausnutzen. Grundsätzlich bringt die Leistung vom Motor M mit einem Leistungsfluss durch die mechanischen Getriebeteile den höchsten Wirkungsgrad. Der elektrische Antrieb dagegen ist immer sofort einsatzbereit, und kann zusätzlich kinetische und potentielle Energien rekuperieren bzw. speichern. Daraus ergibt sich für den Motor M als Hauptaufgabe der mechanische Antrieb und für den Elektrobereich die Aufgabe, die rekuperierte und zwischengespeicherte elektrische Energie möglichst wirkungsvoll zu nutzen. Oft reichen zum vollständigen Anfahren und Beschleunigen die Leistungsfähigkeiten der E-Maschinen und der Batterie nicht aus, zudem ist meist die hier vorgeschlagene mechanische Wandlung effizienter. Die wirksamste Nutzung für die, z. B. beim Bremsen, rekuperierte elektrische Energie bleibt somit in erster Linie die unumgängliche Speisung der Elektroverbraucher und erst zuletzt die Unterstützung der Rollbewegung auf tiefem Leistungsniveau oder/und mit kurzer Einsatzdauer.
Für den Bereich Reverse-Split-1, das Rückwärtsfahren, kann z. B. auch ein ausschliesslicher Elektro-Antrieb (E-Wandlung ohne mechanische Variator-Unterstützung) gewählt werden. Als Konsequenz einer Verstärkung der Torque-Multiplication in den Bereichen Start-Split-1 und Overdrive-Split-1 wird der mechanische Bereich Reverse-Split-1 wahlweise klein gehalten oder ist gar nicht vorhanden. Der Bereich Reverse-Split-1 kann elektrisch mit der zweiten E-Maschine 16 abgedeckt werden. Dabei kann die E-Maschine 15 bei drehendem Motor M die elektrische Leistung generieren. So ist elektrisches Fahren auch ohne Batterieleistung problemlos möglich.
7. M-Enhancement zur Optimierung des Motor-Mechanik-Bereiches im Gesamtgetriebe:
Die stufenlose Wandlung bringt eine grosse Flexibilität, die meist mit einer Einbusse beim Wirkungsgrad erkauft werden muss. Dabei werden die bei einer stufenlosen Wandlung in den mechanischen, elektrischen, hydraulischen Wandlern aktiven Komponenten zum Teil erheblich belastet, was unter Umständen zu grosser Erwärmung führen kann. Demgegenüber können direkte Zahnradgetriebe nur je eine definierte Übersetzung bei besserem Wirkungsgrad wandeln. Durch die Kombination von stufenlosen Übersetzungen und festen Gängen in praxisgerechter Verteilung lassen sich mit Hilfe einer entsprechenden Antriebssteuerung 9 optimale Betriebsbereiche in einem Feld mit allen Motor-Antrieb-Getriebe-Kombinationen ansteuern und so für ein Gesamtgetriebesystem mit variabler Flexibilität beste Wirkungsgrade erreichen.
Mit einem oder mehreren optionalen, frei wählbaren direkten Getrieben, bestehend aus einem siebenten Zahnrad 42, welches fest mit der Split-Torque-Welle 6 verbunden ist und einem achten Zahnrad 43, das mit Hilfe einer vierten Kupplung 44 mit der Variatorwelle 8 einkuppelbar ist, kann der Variator 7 bei einem festen Übersetzungsverhältnis überbrückt werden. Analog zum Vorgang beim Erreichen eines Synchronpunktes wird das hier so genannte Direktgetriebe 42/43 beim Erreichen seines festen Übersetzungverhältnisses mit der Kupplung 44 lastfrei eingekuppelt. Dank der Abfolge von mehreren Variatorbereichen im Gesamtgetrie be kann ein hier beschriebener Direktgang ebenfalls mehrmals genutzt werden. Wahlweise kann die vierte Kupplung 44 als Zahnkupplung, als Schaltgetriebe oder als gesteuerte Kupplung ausgeführt sein. Durch eine wahlweise Öffnung des Direkt-Getriebes 42/43 im Zahnrad 43 mit Hilfe eines zusätzlichen Planetengetriebes, einem sogenannten Multi-Torque-Getriebe 49, und durch eine Anordnung der Zwischenwelle 5 zwischen Variator 7 und Variator-Welle 8, kann die Variator-Leistung weiter reduziert oder die Motor-Antriebsleistung weiter erhöht werden. Das Multi-Torque-Getriebe 49 wird als Summiergetriebe eingesetzt, das Leistung von der Split-Torque-Welle 6 und Leistung von der Variator-Welle 8 in einer Variator-Welle 8A summiert und dadurch das Drehmoment des Variators 7 multipliziert.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel als erfindungsgemässes Getriebe-2 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich besonders für die Wandlung hoher mechanischer Leistungen. Die aus 1 übernommenen E-Maschinen 15, 16 hingegen sind vorzugsweise für kleinere elektrische Leistungen ausgelegt.
Wenn bei der Auswahl für ein Getriebe-1 gemäss 1

– die Motorleistung über dem Leistungsbereich des Variators liegt,
– der mechanische Reverse-Bereich wegen R ≥ K zu schwach ist oder wegfällt,
– ein klein ausgelegter elektrischer Leistungsbereich nicht für den Anfahrbetrieb genügt,
– mit hoher Leistung sehr dosiert angefahren werden soll (wie z. B. mit einem Hydrowandler),
– ein hoher Anfahrwandler- bzw. Getriebewirkungsgrad erreicht werden soll,

3

1

Durch die Erweiterung mit einem sog. Power-Multiplication-Planetengetriebe 20 und einer Inversions-Bremse 35 kann die Getriebeleistung signifikant angehoben, ein erweiterter mechanischer Reverse-Bereich mit hohem Drehmoment dargestellt und der Anteil der elektrischen Leistung reduziert werden.
Die Option eines frei wählbaren elektrohybriden Bereichs mit einer stärkeren Traktionsbatterie 50 und bleibt dabei ebenso voll erhalten, wie die Wahl von beispielsweise vier Direktgängen mit einem direkten Getriebe 42/43 und die Erweiterung mit einem Multi-Torque-Getriebe 49.
Das Power-Multiplication-Getriebe 20 ist ein summierendes Planeten-Getriebe, das die Leistungen von der Split-Torque-Welle 6 und von einer Planetenwelle 11 zusammenführt und in die Abtriebswelle 51 einleitet. Voraussetzung, um mit der Abtriebswelle 51 vom Aktiven Stillstand aus anfahren zu können, ist die Möglichkeit einer Drehbewegung an einem der Summandenglieder des Power-Multiplication-Getriebes 20 auch in der negativen Richtung; nur eine negativ drehende Ableitung der Motorleistung kann den immer positiv drehenden Motor-Antrieb des anderen Summandengliedes kompensieren, so dass ein Abtrieb Null resultiert. Dies wird im Ausführungsbeispiel gemäss 3 erreicht mit dem Einbau eines sogenannten Kern-Getriebes-1 nach 1, das einen kontinuierlichen Übergang vom Reverse- zum Vorwärts-Wandelbereich mitbringt.
Im Kern-Getriebe-1 nach 1 muss für das Erreichen des Geared-Neutral-Punkts ein Variator 7-Wandelbereich R grösser als der Split-Torque-Planeten-Getriebefaktor K, d. h. R > K gewählt werden. Sonst müsste mitten im Anfahrbereich gemäss 3 eine Variator-Umschaltung, hier Variator-Inversion genannt, ausgeführt werden, was zu einem Unterbruch im Antrieb führen würde.
Mit einer sog. Inversions-Bremse 35 z. B. am Getriebe 26/27 oder am Summenglied kann das Summenglied im Split-Torque-Getriebe 10 gestoppt und festgehalten werden. Damit wird bei geöffneter Kupplung 14 der Drehsinn der Bewegung aus dem Variator 7 für die Planetenwelle 11 umgekehrt bzw. invertiert und der Getriebebereich mit einem starken mechanischen Bereich Reverse-Split-2 erweitert. Direkt am Geared-Neutral-Punkt A2 gemäss 4 liegt nun der Underdrive-Bereich des Variators 7 an zum stufenlosen rückwärts Fahren.
Mit einem Power-Multiplication-Getriebe 20 kann die Gesamt-Getriebeleistung bei gleichbleibender Leistung des Variators 7 gesteigert werden. Der Gesamt-Wandelbereich von Getriebe-1 wird in Getriebe-2 mit dem genannten Getriebe 20 reduziert und gleichzeitig mit einem neuen Bereich Reverse-Split-2 wieder erweitert.
Das zugehörige Betriebsverfahren dieses Getriebes-2 nach 3 ist in 4 dargestellt und nachfolgend beschrieben:
Die Motorantriebsleistung liegt sinngemäss auch in diesem Getriebe im primären Leistungsstrang an der Split-Torque-Welle 6 vor und wird von da aus aufgeteilt. Das heisst, dass auch hier der Motor M die Split-Torque-Welle 6 antreibt. Zusätzlich zum Getriebe-1 gemäss 1 ist hier ein Power-Multiplication-Planeten-Getriebe 20 mit einem Summandenglied fest mit der Split-Torque-Welle 6 verbunden. Ein zweites Summandenglied des Power-Multiplication-Planeten-Getriebes 20 ist über eine Planetenwelle 11 mit dem Differenzglied (Abtrieb) des Split-Torque-Planeten-Getriebes 10 fest verbunden. Dadurch werden alle Abtriebsbewegungen der Planetenwelle 11, die vom ersten Ausführungsbeispiel Getriebe-1 her bekannt sind, in diesem Getriebe-2 zusammen mit einem direkten Antrieb von der Split-Torque-Welle 6 kommend im Power-Multiplication-Planeten-Getriebe 20 neu kombiniert, was als Power-Multiplication bezeichnet wird. Die aus 1 bekannten Bereiche Reverse-Split-1/Start-Split-1, Full-Drive-1, Overdrive-Split-1 werden durch die Kombination von Ge triebe-1 nach 1 mit dem Power-Multiplication-Planeten-Getriebe 20 im Ausführungsbeispiel gemäss 3 neu zu den Bereichen Start-Split-2, Full-Drive-2, Overdrive-Split-2, wobei hier die 2 immer für die Kardinalzahl des Ausführungsbeispiels Getriebe-2 gemäss 3 steht. Ein neu geschaffener Bereich Reverse-Split-2 kommt zusätzlich dazu.
Anhand von 3 wird nachfolgend die erfindungsgemässe Funktion des Getriebes-2 beschrieben. Das Wellendiagramm gemäss 4 stellt die relativen Drehzahlen vs. Getriebewandlung dar.
Im Aktiven Stillstand mit laufendem Motor M ist z. B. der Bereich Start-Split-2 eingeschaltet, das heisst, der Variator 7 dreht in seiner maximalen Overdrive-Stellung, die Split-Torque-Welle 6 ist über die Kupplung 4 mit dem Split-Torque-Getriebe 10 verbunden, die Kupplungen 14, 25 sind offen. Sobald der Variator 7 in Richtung seines Underdrive, d. h. im Sinn einer Vorwärtsbeschleunigung, verstellt wird, bewegt sich das Fahrzeug vorwärts. Das Fahrzeug kann mit einer E-Wandlung zwischen den E-Maschinen 15 und 16 zusätzlich beschleunigt werden, um die prinzipielle Overdrive-Schwäche beim Anfahrem in der Wandlung von Variator 7 zu kompensieren. Ausserdem wird das Fahrzeug noch stärker vorwärts beschleunigt, wenn die Split-Torque-Kupplung 14 in ihrer Funktion als Gesteuerte Kupplung aktiviert wird.
Soll das Fahrzeug rückwärts anfahren, wird erst die Kupplung 4 geöffnet, danach der Variator 7 von maximalem Overdrive zu Underdrive verstellt, was hier als Variator-Inversion bezeichnet wird. Zuletzt wird z. B. das Zahnradgetriebe 12/13, das Zahnradgetriebe 26/27 oder das Summenglied des Getriebes 10 mit einer Inversionsbremse 35 vollständig gestoppt und festgehalten. Das Fahrzeug steht dabei vorzugsweise still (bzw. kann mit Hilfe der Fahrzeugbremsen gebremst werden). Danach kann der Variator 7 wieder in Richtung seines Overdrive, d. h. im Sinn einer Rückwärtsbeschleunigung, verstellt werden. Die Variatorwelle 8 wird beschleunigt, diese Bewegung wird durch das gestoppte Summenglied im Split-Torque-Getriebes 10 umgedreht und das Fahrzeug setzt sich genau dosiert rückwärts in Bewegung. Zusätzlich kann auch eine E-Wandlung rückwärts erfolgen.
Auch dann, wenn im Split-Torque-Planeten-Getriebe 10 das Zahnradgetriebe 12/13 bzw. das Zahnradgetriebe 26/27 still steht, wird die Leistung von der Variator-Welle 8 auf die Planetenwelle 11 gewandelt, das heisst mit einem auf das Split-Torque-Planeten-Getriebe 10 bezogenen Faktor multipliziert, als sog. Torque-Multiplication. Zusätzlich wird der Drehsinn im Split-Torque-Planeten-Getriebe 10 in die Gegenrichtung gekehrt, das heisst invertiert; die Planetenwelle 11 wird dadurch rückwärts angetrieben, womit die Energieerhaltung im Planetengetriebe 10 gewahrt bleibt. Der Bereich Reverse-Split-2 funktioniert analog zu den anderen Split-Bereichen in 1 und 3 und unterscheidet sich nur bei der Drehzahl des Summengliedes des Split-Torque-Getriebes 10, die hier Null ist; Null ist damit auch die über das Summenglied zugeführte Leistung. Ein besonderer Vorteil ist im Reverse-Split-2, dass der drehmomentstarke Variator-Underdrive gerade beim Geared Neutral-Punkt anliegt und damit das höchste mechanische Anfahrmoment vom Aktiven Stillstand aus rückwärts stufenlos wandeln kann. Entsprechend den Werten von Variator-Bereich R und Differenzialfaktor K des Getriebes 10 kann ausschliesslich rückwärts oder zusätzlich auch vorwärts angefahren werden. Dieser Bereich kann dann zum langsamen hin-und-her-Rangieren mit hohem Drehmoment und tiefer Motordrehzahl, z. B. in schweren Lastwagen, genutzt werden.
Mit der wahlweise im primären Antriebsstrang auf der Split-Torque-Welle 6 oder auf der Zwischenwelle 5 sitzenden ersten E-Maschine 15 und der im sekundären Antriebsstrang wahlweise auf der Planetenwelle 11 sitzenden zweiten E-Maschine 16 kann zusätzlich eine E-Wandlung durchgeführt werden, die ebenfalls durch die Power-Multiplication im Planeten-Getriebe 20 verstärkt bzw. multipliziert wird. Der Betrag des mechanischen Leistungsflusses direkt durch die Split-Torque-Welle 6 wird auch beim Zuführen von Leistung aus der Batterie 50 in die E-Maschine 16 erhöht, so dass die Drehmoment-Balance im Power-Multiplication-Getriebe 20 immer erhalten bleibt.
Aus mechanischen Gründen werden auch im summierenden Power-Multiplication-Planetengetriebe 20 immer beide Summanden-Glieder von Drehmomenten angetrieben, die den Planetengetriebefaktoren K, [K –1], 1 entsprechen, um im Gleichgewicht mit dem Drehmoment am Abtriebstrang 51 mit dem Faktor K zu stehen. Das wird dadurch erreicht, dass der Variator 7 im erforderlichen Mass über das Zahnradgetriebe 2/3 an der Split-Torque-Welle 6 ein Teil-Drehmoment bzw. eine Teil-Leistung abzweigt oder einspeist. Der Variator 7 wandelt diese Teil-Leistung nach Bedarf und steuert so den Leistungsfluss zwischen Split-Torque-Welle 6 und Planetenwelle 11.
Primär werden beide Summandenglieder des Power-Multiplication-Planeten-Getriebes 20 von der gleichen Split-Torque-Welle 6 angetrieben. Ein Teil der Drehmomente bzw. der Motorleistung wird über zwei Äste, erstens den Variator 7 und zweitens über das Zahnradgetriebe 12/13 bzw. das Zahnradgetriebe 26/27 abgezweigt (Split-Torque). Bei der Überbrückung des Variators 7 mit direkten Gängen fliesst ein Teil der Leistung von der Split-Torque-Welle 6 über das eingekuppelte Getriebe 42/43 ebenfalls in die Variatorwelle 8. Ein dritter Ast führt von der Split-Torque-Welle 6 direkt in ein Summandenglied des Power-Multiplication-Getriebe 20. Nur der erste dieser Leistungs-Zweige wird im Variator 7 gewandelt und im Split-Torque-Getriebe 10 vom fixen zweiten Zweig der Getriebe 12/13 bzw. 26/27 verstärkt. Nach dieser Wandlung mit Variator 7/Split-Torque-Getriebe 10 wird die nun vereinigte Teilleistung bzw. die nach dem Variator 7 verstärkte Steuerleistung mit Hilfe des Power-Multiplication-Getriebe 20 wieder mit dem dritten Ast, der Split-Torque-Welle 6, zusammengeführt und dadurch zur gewünschten Drehzahl-/Drehmoment- Kombination als Leistung an der Abtriebswelle 51 gewandelt. Die Drehzahl der Planetenwelle 11 und die Drehzahl der Split-Torque-Welle 6 mit den dazu gehörenden Drehmomenten umfassen zusammen einen Gesamt-Drehzahlbereich, der durch das Power-Multiplication-Getriebe 20 in dem Mass reduziert wird, als das Drehmoment erhöht wird. zwischen den Summandengliedern des Power-Multiplication-Getriebes 20 besteht immer ein dynamisches Momentengleichgewicht, das ausschliesslich durch die Regelung des Variatordrehmoments, bei zusätzlicher E-Wandlung auch durch die Regelung des Drehmoments der E-Maschine 16 erzeugt, gehalten bzw. verändert wird.
Das Power-Multiplication-Getriebe 20 funktioniert als leistungssummierendes mechanisches Element, das den Anteil der Variator 7-Leistung in Bezug auf die Gesamt-Getriebe-Leistung reduziert bzw. optimiert. Die Bezeichnung Power-Multiplication-Getriebe bezieht sich damit insbesondere auf die Erhöhung der spezifischen Variator 7-Leistung, die oft als limitierender Faktor in stufenlosen Getrieben auftritt. Gleichzeitig wirkt das Power-Multiplication-Getriebe 20 als Drehzahl-Reduktionsstufe, noch vor z. B. einem Achsdifferenzial.
Mit einer parallelseriellen Kombination von Kern-Getriebe-1 (also nach dem ersten Ausführungsbeispiel) und Power-Multiplication-Getriebe 20 kann am unteren Ende des Start-Split-1 nach 2, am Ende des Bereichs Reverse-Split-1 im ersten Ausführungsbeispiel bzw. am Ende des Variatorbereichs, ein neuer Geared-Neutral-Punkt genutzt werden, der mit A2 bezeichnet wird. Das Getriebe 22/23, der Variatorbereich R, das Split-Torque-Getriebe 10 und das Power-Multiplication-Getriebe 20 werden entsprechend dimensioniert. A2 liegt im Drehzahl vs. Getriebe-Übersetzungs-Diagramm gemäss 4 links von A1, dem Geared Neutral-Punkt von Getriebe-1 in 2.
Mit einem zusätzlichen Bereich Reverse-Split-2 vergrössert sich der ganze Wandelbereich. Weil sich der neue Synchron-Punkt A2, in dem die Abtriebswelle 51 still steht, links von A1 befindet, verändert sich auch ein Drehzahl vs. Drehmoment-Diagramm mit der Darstellung der Zugkrafthyperbel im Getriebe-2, gemäss 3. Die Zugkrafthyperbel des ersten Ausführungsbeispiels, die für das Kern-Getriebe-1 dargestellt werden kann, wird im Ausführungsbeispiel Getriebe-2 dank dem Zusammenwirken mit dem Power-Multiplication-Getriebe 20 angehoben, weil ein zweiter Ast neben dem Variator 7 Ast eine zusätzliche Teil-Leistung zur Abtriebswelle 51 führt. Mit der Integration des Bereichs Reverse-1 verschiebt sich zusätzlich der Geared-Neutral-Nullpunkt A1 mit dem Getriebe-1, zu A2 mit dem Getriebe-2. Dadurch wird die Zugkrafthyperbel mit einem Getriebe-2 einerseits angehoben, wie oben beschrieben, andererseits wird ihr Ordinaten-Nullpunkt von A1 zu A2, bzw. in einer Darstellung nach links verschoben (nicht gezeigt), so dass die Zugkrafthyperbel im einem Getriebe-2 breiter und flacher wird. Anders ausgedrückt: Mit der Integration des Bereichs Reverse-1 wird der Gesamtwandel-Bereich im Getriebe-2 breiter und damit werden die relativen Veränderungen kleiner bzw. flacher. Das hat zur Folge, dass nun die Variator 7-Drehmomente im Bereich Start-Split-2 im Vergleich zu Start-Split-1 weniger stark ansteigen als die benötigten Variator 7-Drehmomente im Bereich Overdrive-Split-2, obwohl die Zugkrafthyperbel-2 allgemein angehoben wird, bzw. dass die Gesamtleistung bei einer Power-Multiplication mit einem sog. Power-Multiplication-Faktor gesteigert wird.
Das bedeutet technisch, dass der Variator 7 in 4, im Bereich Full-Drive-2 ein im Vergleich zum Overdrive-Drehmoment nicht mehr so stark gestiegenes Underdrive-Drehmoment wandeln muss wie im Bereich Full-Drive-1. Das bedeutet auch, dass der gleiche Variator 7 im Getriebe-2 insgesamt eine höhere Motor-Leistung wandeln kann, dank eines sog. Torque-Enhancement im Variator 7. Beim Torque-Enhancement wird das ganze technische Variatorpotenzial genutzt, statt nur eine Leistung als konstantes Produkt (Drehzahl mal Drehmoment) über den ganzen Bereich gewandelt. Die Leistung des Gesamtgetriebes kann mit dem Power-Multiplication-Getriebe 20 in Relation zur Nullpunktverschiebung (B-A2/B-A1) und in Relation zum Faktor des Torque-Enhancement, d. h. der Erhöhung des Variator-Maximal-Drehmoments im Bereich der Full-Drive-2-(Variator 7)-1:1 Übersetzung, gesteigert werden. Die Reduktion der Abtriebsdrehzahl der Welle 51 wird mit der Wahl des Power-Multiplikation-Faktors bestimmt, der unter anderem vom Getriebe 22/23 und vom Power-Multiplication-Getriebe 20 abhängt. Die Wandlerleistung des Variators 7 wird bei Motor-Maximalleistung im Bereich des nun Start-Split-2 genannten und im Underdrive des nun Full-Drive-2 genannten Bereiches gesenkt bzw. im Leistungsbedarf gleich gehalten und nur im Bereich des Variator 7-Overdrive im Bereich Full-Drive-2 bzw. im Bereich Overdrive-Split-2 erhöht. Das schöpft ohne weiteren technischen Aufwand ganz einfach das Potential eines gängigen mechanischen Variators besser aus. Die Gesamtleistung im Getriebe-2 kann somit angehoben werden, ohne dass einzelne Getriebekomponenten verstärkt werden müssen. Die relativen Leistungsanteile der beiden E-Maschinen 15, 16 können zudem ohne Verschlechterung ihrer Wirkung im Vergleich zu Getriebe-1 reduziert werden.
Elektrisches Anfahren im Modus ”Hybrid”:
Bei entsprechender Dimensionierung der E-Maschinen 15, 16 und der Batterie 50 kann bei stehendem Motor M auch rein elektrisch angefahren werden. Wenn die Split-Torque-Welle 6 mit dem Motor M still steht und alle Kupplungen 4, 14, 25 und die Inversionsbremse 35 geöffnet sind, kann die E-Maschine 16 das Power-Multiplication-Getriebe 20 allein antreiben, wenn sie auf der Planeten-Welle 11 montiert ist. Das Power-Multiplication-Getriebe 20 wirkt bei still stehender Split-Torque-Welle 6 als Standgetriebe mit einem Multiplikationsfaktor, der zusammen mit dem Zahnrad-Getriebe 22/23 das Anfahrmoment der E-Maschine 16 verstärken kann. Zusätzlich zum Widerstand des stehenden Motors M kann wahlweise die Direktkupplung 44 eingekuppelt werden oder die E-Maschine 15 mit einem entsprechenden Drehmoment als Bremse wirken oder als dynamische Steuerung des Stillstandes der Split-Torque-Welle 6.
Unabhängig davon, bzw. gleichzeitig mit dem Anfahren des Fahrzeugs, kann auch der Motor M mit der ersten E-Maschine 15 gestartet werden. Die Antriebssteuerung 9 übernimmt dabei die Kontrolle des Gleichgewichts im Power-Multiplication-Getriebe 20 und steuert mit der Kupplung 4 oder 14 oder 25 oder 44 oder einer Kombination von ihnen, der Stellung des Variators 7 sowie den Drehzahlen der beiden E-Maschinen 15, 16 und des Motors M den sanften, ruckfreien Getriebezusammenschluss an. Der Variator 7 dreht dabei ohne Leistungstransfer mit, nur von der Zwischenwelle 5 und von der Variator-Welle 8 angetrieben. Der angesteuerte Zusammenschlusspunkt kann sich kontinuierlich bei offenen Kupplungen 4, 14, 25, 44 und einer aktivierten Verstellung des Variators 7 verschieben, z. B. in den Übersetzungs-Bereich Full-Drive-2. So früh wie möglich, ev. schon vor dem Zusammenschluss, kann die Split-Torque-Kupplung 14 dynamisch geschlossen werden; dadurch wird das Gesamtgetriebe sofort mechanisch über den Variator 7 betrieben bzw. gesteuert. Die beiden E-Maschinen 15, 16 können sodann nach Bedarf von der Antriebs-Motorstart-Leistung zurückgefahren werden oder zur Unterstützung weiter betrieben werden.
Kombiniertes Starten des Motors M und Anfahren mit beiden E-Maschinen 15, 16, beispielsweise im Modus ”Hybrid” bzw. „Start-Stopp-Automatik”:
Zum Starten des Motors und zum Anfahren mit dem Fahrzeug mit Hilfe der beiden E-Maschinen 15, 16 kann mit dem blockierten Split-Torque-Getriebe 10, im geschalteten Fix-Gang 1 prinzipiell ohne Unterstützung durch den Variator 7 sofort losgefahren werden. Sobald der Motor selber Leistung abgibt und z. B. der Öl druck im Variator 7 aufgebaut ist, kann, von der Antriebssteuerung 9 geregelt, der Fix-Gang 1 verlassen und stufenlos gefahren werden. Die beiden E-Maschinen 15, 16 können beim Anfahren ihr höchstes Drehmoment liefern und kompensieren damit die längere Übersetzung im Fix-Gang 1 im Vergleich zu kürzeren Untersetzungen mit der stufenlosen mechanischen Wandlung.
Das Fahrzeug wird in der Hybrid-Ausführumg wahlweise mit den beiden E-Maschinen gebremst, zur Rekuperation der elektrischen Leistung in der Batterie 50, in geschaltetem Fix-Gang 1 und/oder Fix-Gang 2, beispielsweise mit Schubabschaltung im Motor M.
Zum Festbremsen des Fahrzeuges sowohl im mechanischen Variator-Modus ”Normal” als auch im Hybrid-Modus ”Hybrid” sind die Kupplungen 4, 14 eingekuppelt, mit der Stellung des Variators 7 zur Übersetzung des Aktiven Stillstandes in ”Normal” bzw. zur Übersetzung des Fix-Ganges 1 in ”Hybrid”.
Zur Sicherung der wahlweise reibschlüssigen Kupplung 14 bzw. zum total Blockieren von Motor und Getriebe kann die Kupplung 25 als Zahnkupplung eingekuppelt werden oder gegebenenfalls das Ganggetriebe 26/27 als Schaltgetriebe eingeschaltet werden.
Soll bei Motorstillstand und Fahrzeugstillstand der Fahrmodus ”Normal” zu ”Hybrid” gewechselt werden, so kann der Variator 7 bei wahlweise gebremstem Fahrzeug, mit geöffneten Kupplungen 4, 14, 25 und gelöster Bremse 35 in kürzester Zeit beim Losfahren mit beiden E-Maschinen 15, 16 seine Übersetzung lastfrei bzw. ohne Scheibenanpressdruck so ändern, dass die beiden Kupplungen 4, 14 zum Fix-Gang 1 geschlossen werden können.
Soll bei Motorstillstand und Fahrzeugstillstand der Fahrmodus ”Hybrid” zu ”Normal” gewechselt werden, so kann der Variator, bei gebremstem Fahrzeug, geöffneten Kupplungen 4, 14, 25 und gelöster Bremse 35, in kürzester Zeit beim Starten des Motors M mit der ersten E-Maschine 15 seine Übersetzung so ändern, dass die Kupplung 4 zum Aktiven Stillstand geschaltet wird und damit anfahrbereit ist.
Der Modus ”EV” für elektrisch fahren kann immer über die Antriebssteuerung 9 geschaltet werden, indem alle Kupplungen 4, 14, 25 gelöst werden und die Bremse 35 geöffnet bleibt, wobei der allenfalls noch drehende Motor M mit der ersten E-Maschine 15 gebremst und angehalten wird, bzw. von der Kupplung 44 blockiert wird.
In 5 ist drittes Ausführungsbeispiel als erfindungsgemässes Getriebe-3 dargestellt.
Im hohen Leistungsbereich, z. B. in Lastkraftwagen, Arbeitsmaschinen, Lokomotiven usw. müssen aufwendige Getriebe zum Anfahren und zur Wandlung der sehr hohen Motor-Leistungen eingesetzt werden. Meist bestehen diese Getriebe aus hydraulischen Wandlern, dieselelektrischer Transformation, Zahnrad-Stufen-Übersetzungen etc., die die Motorleistung oft in einzelne Leistungsstränge aufgeteilt zur Antriebsachse bringen.
In dieser hohen Leistungsklasse haben insbesondere die Treibstoffeffizienz sowie eine sichere und bequeme Anwendung sehr hohe Priorität. Mit Hilfe der gängigen Stufen-Getriebe ist das Anfahren mit schweren Lasten aber weder effizient noch wirklich bequem, wird es doch von den Gang- bzw. Bereichswechseln immer wieder unterbrochen. Die vielen Schaltvorgänge brauchen Zeit, obwohl sie meist automatisiert sind. Dabei kann die grundsätzlich vorhandene Motorleistung durch die beim Schalten notwendige Drehzahlabsenkung meist nicht voll genutzt werden. Die unumgängliche Anfahrkupplung sowie die vielen Zahnradpaare steigern das Getriebegewicht und verringern damit die Nutzlast.
Das hier beschriebene Getriebe-3 verbindet die Vorteile und Sicherheit eines Getriebes mit abgestuften Gängen mit dem dynamischen Potential eines stufenlosen Variator-Getriebes mit der wahlweise durchgehend vollen Leistung ohne Unterbruch. Obwohl hier auf hydrodynamische Wandler zum Anfahren ebenso verzichtet werden kann, wie auf andere spezifischen Anfahrhilfen, übertrifft die Gesamtleistung des Ausführungsbeispiels Getriebe-3 in allen Fahrbereichen, einschliesslich des Anfahrens, die Wandlerqualität anderer Getriebekonzepte auch in dieser hohen Leistungsklasse.
Neben einem weiten, stufenlosen Wandelbereich kann wahlweise in echten, hocheffizienten festen Gängen gefahren werden. Für die Schaltung im Getriebe-3 genügen für sieben mechanisch fixe Gänge mit einem speziellen Aktiver-Stillstand-Modus zwischen den sechs Stufenlos-Bereichen fünf Schaltelemente (Kupplungen, Bremse), vier Zahnrad-Stufengetriebe, drei Planetengetriebe, zwei Elektromaschinen und ein gängiger mechanischer Variator. Das Getriebe-3 deckt damit grössere stufenlose Leistungs- und Wandelbereiche ab, als dies die meisten gängigen Stufengetriebe können. Zusätzlich laufen die auftretenden höchsten Drehmomente meist aufgeteilt auf mehrere Zahnradpaarungen parallel und werden erst wieder im Umlauf-Getriebe eines Power-Multiplication-Planeten-Getriebes 20 zusammengeführt. Die im Wandelbereich verteilten sieben festen Stufen können als effiziente Variator-Overrides wie die Gänge in konventionellen Stufengetrieben genutzt werden. Wahlweise können mit zusätzlichen Zahnradgetrieben bzw. mit einem Multi-Torque-Getriebe zusätzliche Direktgänge zum Überbrücken der Variatorleistung dargestellt werden.
Eine singuläre Anwendungsmöglichkeit des Getriebe-3 bietet ein Aktiver-Stillstand-Modus, der sogenannte Fix-Gang X. Ein mechanisch direkt wirkender Geared-Neutral-Gang hält dabei ein Fahrzeug, unabhängig von der Motordrehzahl und unabhängig von der Variatorleistung, absolut unbewegbar im Aktiven Stillstand, also mit drehendem Motor äusserlich gestoppt. Auch wenn ein Fahrzeug mit dem Fix-Gang X parkiert ist, kann der Motor M unabhängig davon still stehen bzw. mit den vorhandenen E-Maschinen 15, 16 gestartet werden und leer drehen. Für den spezifischen Einsatz heisst das, dass z. B. in Arbeitsmaschinen auch andere Leistungszweige wie Generator, Hydraulikmotor etc. immer nach Bedarf mit der genauen Motorleistung auch bei sich ändernder Motordrehzahl versorgt werden können, völlig unabhängig vom eigentlichen Fahrbetrieb einschliesslich Fahrzeug-Stillstand.
Zur vollständigen Blockierung von Motor, Getriebe und Variator kann zusätzlich zum Fix-Gang X wahlweise das Inverter-Getriebe 30 oder das Direktgetriebe 42/43 in die Split-Torque-Welle 6 eingekuppelt werden. Dazu wird die Kupplung 36 oder die Kupplung 44 im Stillstand geschaltet, eventuell mit Unterstützung einer E-Maschine.
Zur Sicherheit im Getriebe-3 ist immer mindestens eine Kupplung ohne Verzögerung zum Freilauf freischaltbar.
Damit sind mit dem Getriebe-3 zwischen dem Motor M und der Abtriebsachse 51 alle praktisch sinnvollen Kombinationen von Drehbewegungen vorwärts, rückwärts, sowie Stillstand und Freilauf zulässig.
Mit einem dritten Planetengetriebe gemäss 5, hier Inverter-Getriebe 30 genannt, können die Ausführungsbeispiele Getriebe-1 bzw. Getriebe-2 zum Ausführungsbeispiel Getriebe-3 erweitert und gestärkt werden. Da im Getriebe-2 zur Darstellung eines Reverse-Bereichs die Wahl des Variatorbereichs R bzw. des Split-Torque-Planeten-Getriebefaktors K eingeschränkt ist – die Bedingung ist ja R > K –, kann im ersten Bereich Start-Split-2 gemäss 4 das Drehmoment der Kombination Variator × Split-Torque-Planeten-Getriebe nicht auf den maximalen Wert bei R = K gesteigert werden, ohne den Motorantrieb im Start-Split-2-Bereich zu unterbrechen. Mit einem Inverter-Getriebe 30 kann der Geared-Neutral-Punkt des Kern-Getriebe-1 (hier mit R = K) als zusätzlicher Drehpunkt für den Variator 7 im Bereich Start-Split-3 genutzt werden. Wenn hier ein Endpunkt der Variator 7-Verstellung platziert wird, kann mit dem Inverter-Getriebe 30 sowohl der Drehsinn als auch der Faktor der Torque-Multiplication von der Planetenwelle 11 zu einer Inverter-Welle 31 verändert werden. Da durch kann z. B. das Drehmoment im Bereich Start-Split-3 weiter gestärkt werden, ohne den Antrieb zu unterbrechen. Wie noch zu erläutern ist, wird dank dem Inverter-Getriebe 30 auch der Bereich Overdrive-Split-2 gemäss 4 zusätzlich nochmals da erweitert, wo das Effizienz-Maximum aller Stufenlos-Getriebe-Bereiche liegt.
Im Ausführungsbeispiel Getriebe-3 liegt nun am Geared-Neutral-Punkt A2, im Fix-Gang X, wahlweise auch das absolut höchste mechanische Drehmoment als Abtrieb an.
Erfindungsgemäss wird das Problem der Reduktion von Drehzahldifferenzen zwischen zwei Wellen bzw. das Problem des mechanischen Kuppelns von zwei unabhängig drehenden Wellen mit einer Drehzahl/Drehmoment-Transformation im sog. Aktiven Stillstand überwunden. Das Getriebe-3 wandelt auch sehr hohe Leistungen kontinuierlich fliessend und ohne Unterbruch in seinem Geared-Neutral-Punkt zwischen den beiden Bewegungsrichtungen vorwärts und rückwärts, mit dem sog. Fix-Gang X als einem mechanisch paradoxen Getriebe-Gang: durch seine Null-Bewegung ohne Leistungsbedarf – gleichzeitig mit höchstem mechanischen Drehmomentpotenzial bereit zum Anfahren.
Eine Variator 7-Optimierung, mit dem sog. Variator-Enhancement, wird durch die Wahl des kleinstmöglichen Variatorbereichs R erreicht (z. B. R ≤ 3). Die gegenläufige Dynamik, dass die Variatorleistung mit der zunehmenden Variator-Wandelbreite abnimmt bzw. umgekehrt, wird damit erfüllt. Dabei kann ein Doppelzugmittel die Variatorleistung weiter erhöhen.
Im Getriebe-3 wird der gleiche Variator-Wandelbereich gemäss 6 sechs Mal hintereinander eingesetzt.
Mit einer alternierenden, stufenlosen Abfolge von sog. Full-Variator-Bereichen mit Variator-Verstellungen von Underdrive zu Overdrive und sog. Split-Torque-Bereichen mit Variatorverstellungen von Overdrive zu Underdrive kann eine massive, stufenweise Bereichserweiterung erreicht werden.
Mit Hilfe einer Kombination von Planeten-Getrieben zur Drehzahlreduktion-/Drehmomenterhöhung bzw. zur Overdrive-Vergrösserung sowie zur sog. Variator 7-Power-Multiplication kann erreicht werden, dass die Zugkrafthyperbel, d. h. das Drehzahl vs. Drehmoment-Diagramm des antreibenden Motors, ganz vom stufenlosen Wirkungsbereich des gesamten Getriebe-3 abgedeckt wird. Dazu werden der Variator 7, die Stufengetriebe 12/13, 22/23, 32/33 sowie die Planetengetriebe 10, 20, 30 mit Hilfe von Kupplungen mechanisch miteinander vernetzt zu einer Kombination aus einem sog. Split-Torque-Geared-Neutral-Verfahren und einem sog. Power-Multiplication-Verfahren. Die zwei E-Maschinen 15, 16 können zur Kompensation von einzelnen kleinen Leistungs-Defiziten in Bereichen des Variators 7 eingesetzt werden.
Mit der Integration des Reverse-Bereichs aus Ausführungsbeispiel Getriebe-1, analog zu Getriebe-2, werden auch in Getriebe-3 die Gesamtwandel-Bereiche und Drehmoment-Bereiche im Variator-Ast vergrössert.
Mit einem Drehsinnwechsel beim Split-Torque-Betrieb im Inverter-Getriebe 30, d. h. wenn das Planetengetriebe 30 nicht als Ganzes blockiert ist, wird im Vergleich zum Getriebe-2 zusätzlich der höchstmögliche Faktor zur Torque-Multiplication also mit R = K anwendbar. Der Schaltsprung im Geared-Neutral-Punkt mit Variator-Inversion aus Getriebe-2 fällt in Getriebe-3 weg. Zusätzlich kann im nun unterteilten Bereich Start-Split-3, in einem sog. Bereich Start-Split-Low-3 gemäss 6, der K-Faktor des Inverter-Getriebes 30 für eine noch stärkere Torque-Multiplication gewählt werden.
Mit mechanischen Fix-Gängen und abgestuften Direktgängen bzw. einem reinem E-Betrieb können wahlweise die System-Grenzen einer mechanischen Variator-Wandlung ganz überwunden werden.
In Getriebe-3 folgen sich im Gesamt-Wandelbereich gemäss 6 insgesamt sechs vollständige Variator-Verstellungen: Reverse-Split-3, Start-Split-Low-3, Start-Split-High-3, Full-Drive-3, Overdrive-Split-Low-3, Overdrive-Split-High-3. Dazwischen liegen 5 Synchronpunkte, nämlich A2, A1, B, C1, C2 mit dem Fix-Gang X und den sog. Fix-Gängen 1, 2, 3, 4. Ein sechster Gang, der Spezial-Gang Max-3 als Maximalübersetzungsgang bei C3 mit Variator-Freilauf und ein siebenter Gang bei C1, der Spezial-Gang Speed-3 als Höchstgeschwindigkeitsgang ohne Variator-Beteiligung bzw. ohne Polygon-Effekt-Limitierung, ergänzen das Getriebe-3.
Eine feste Zahnrad-Getriebe-/Planeten-Getriebekombination kann den Stillstand-Gang, den sog. Fix-Gang X, liefern. Damit wird die Abtriebsdrehzahl an Welle 51 dynamisch auf Null gehalten, also im Aktiven Stillstand, und der Abtrieb steht unabhängig von der Motor-(Eingangs-)Drehzahl im Getriebe-3 still. Dieser Fix-Gang X kann sowohl als mechanische Stufe für „Dynamische Bremse zum Halten am Berg” mit laufendem Motor M genutzt werden, als auch für „Park-Bremse”. Je nachdem, welches der beiden Schaltelemente, Kupplung 4 oder Kupplung 14, geöffnet wird, bewegt sich das Fahrzeug, der Variatorverstellung folgend, mit höchstem mechanischem Dreh-moment vorwärts bzw. mit hohem mechanischem Drehmoment rückwärts.
Alle Fix-Gänge werden von je drei aktivierten Kupplungen eingeschaltet. Durch die selektive Öffnung einer dieser Kupplungen wird der Variator 7 befreit und kann seine stufenlose Wandlung in Richtung des nächsten Fix-Ganges vornehmen. Bei den kurzen Fix-Gängen mit grosser Schalt- und Wechseldynamik werden vorzugsweise Reibkupplungen 14, 34 eingesetzt, damit sie die Schaltvorgänge schnell und mit einem Variator 7-Override ausführen können. Zur Getriebesicherung ist in jedem festen Fix-Gang entweder die Split-Torque-Kupplung 14 oder die Inverter-Kupplung 34 aktiviert. Bei Bedarf können beide Kupplungen ihre wahlweise reibschlüssige Blockierung sofort und verzögerungsfrei lösen. In vier von sechs Bereichen mit stufenloser Wandlung wirkt ebenfalls mindestens eine der beiden Kupplungen 14 bzw. 34. Beim Anfahren im Bereich Start-Split-Low-3 wirkt die Inversionsbremse 35, die ebenfalls vorzugsweise als reibschlüssiges Element ausgeführt werden kann.
Im längsten Bereich Overdrive-Split-High-3 wirkt wahlweise der Variator 7 mit seinen Anpress-Scheiben als reibschlüssiges Sicherheits-Element neben den wahlweise formschlüssigen Zahnkupplungen 4 und 36.
Auch für die wahlweise eingeschalteten Direktgänge z. B. mit dem Getriebe 42/43, wirken die Kupplungen 14, 34 und die Bremse 35 als Sicherungselemente analog zum stufenlosen Betrieb mit dem Variator 7, denn die Direktgänge überbrücken, wie schon beschrieben, die Variator-Leistung.
Gegenüber dem Ausführungsbeispiel Getriebe-2 wird einzig das Inverter-Getriebe 30 zwischen die Split-Torque-Welle 6 und die Planetenwelle 11 eingebaut, mit den drei Schaltelementen Inverter-Kupplung 34, Inversionsbremse 35, Zahnrad-Kupplung 36. Dieses Getriebe 30 ersetzt aus dem Ausführungsbeispiel Getriebe-2 das Zahnradgetriebe 26/27 mit der Kupplung 25 und platziert die Inversionsbremse 35 vom Zahnradgetriebe 26/27 oder dem Split-Torque-Getriebe 10 in Getriebe-2 neu im Getriebe-3 an das Zahnradgetriebe 32/33 oder das Inverter-Getriebe 30. Die Funktion der Inversionsbremse 35 ist auch hier das Stoppen des Summenglieds im Planetengetriebe 30, was sinngemäss zur Umkehrung oder Inversion der Drehzahl von der Planetenwelle 11 zur Inverter-Welle 31 in Getriebe-3 führt. Zur Steigerung des Drehmoments kann ein Torque-Multiplication-Faktor K im Inverter-Getriebe 30 gewählt werden.
7 Schaltablauf Aktiver Stillstand, Anfahren, Vorwärtsbeschleunigung bis zum maximalen Overdrive:
Beim Motorstart im Getriebe-3 können die Kupplung 4, die Split-Torque-Kupplung 14 und die Inversions-Bremse 35 geschlossen sein, so dass der sog. Fix-Gang X eingelegt ist. Der Abtrieb an der Welle 51 ist damit prinzipiell Null. Bei drehendem Motor M, sobald die Split-Torque-Kupplung 14 gelöst wird und der Variator 7 von Underdrive in Richtung Overdrive verstellt wird, fährt das Fahrzeug vorwärts im Bereich Start-Split-Low-3 an. Beim Fix-Gang 1 am Ende des Variator 7-Overdrive, im Punkt A1 gemäss 6, oder wahlweise schon vorher als Gesteuerte Kupplung, wird die Inverter-Kupplung 34 aktiviert, so dass die Inverter-Welle 31 beim Durchfahren des Nullpunktes beispielsweise kurz still steht. Die Inverter-Kupplung 34 verbindet bzw. blockiert das Summanden-Glied an der Planetenwelle 11 mit dem Summenglied des Inverter-Getriebes 30 und kann als reibende Kupplung ausgeführt werden, welche dynamisch gesteuert schaltbar ist. Beim Nulldurchgang, d. h. beim Stillstand von Planetenwelle 11 und der Inverter-Welle 31 oder dynamisch früher, kann die Inversions-Bremse 35 gelöst werden und anschliessend der Bereich Start-Split-High-3 mit der umgekehrten Verstellrichtung des Variators 7 durchfahren werden, bis mit dem vorzugsweise dynamisch gesteuerten Einkuppeln der Split-Torque-Kupplung 14 der Fix-Gang 2 im Punkt B im Wellendiagramm gemäss 6 erreicht ist. Hier kann die Kupplung 4 gelöst und die Variator-Verstellung wieder umgekehrt werden. So kann der Bereich Full-Drive-3 durchfahren werden, bis der Fix-Gang 3 mit dem Einkuppeln der Kupplung 36 im Punkt C1 erreicht ist. Mit dem Lösen der Inverter-Kupplung 34 und der Umkehrung der Variatorverstellung kann der Overdrive-Split-Low-3 durchfahren werden bis der Fix-Gang 4 mit dem Einkuppeln der Kupplung 4 erreicht ist. Mit dem Lösen der Split-Torque-Kupplung 14 und der Umkehrung der Variator-Verstellung kann der Bereich Overdrive-Split-High-3 durchfahren werden bis zur maximalen Getriebeübersetzung bei minimalem Variator-Moment. Ein zweiter Aktiver-Stillstand, diesmal nur mit der Planetenwelle 11, kann hier mit Hilfe des Variators 7 die Drehzahl auf Null halten, so dass bei maximaler Übersetzung die ganze Motorleistung, abzüglich der Variator 7-Verluste, über die mechanischen Äste und durch das Power-Multiplication-Getriebe 20 in die Abtriebswelle 51 fliesst.
Wahlweise kann hier mit einem Schaltsprung, d. h. mit Zugkraftunterbrechung oder einem sog. E-Maschinen-Override, das Inverter-Getriebe 30 aus der mechanisch gegebenen Sequenz herausgelöst und zu einem Spezial-Gang geschaltet werden. Dazu werden die Kupplungen 4, 36 gelöst und anschliessend die Inverter-Kupplung 34 eingekuppelt und blockiert, sowie die Inversions-Bremse 35 gebremst. Diese Schaltung kann als Spezial-Gang-Max-3 im Punkt C3 genutzt werden.
Ein zusätzlicher Gang, zum Antrieb über die Polygon-Effekt-Limitierung hinaus, kann zwischen den Bereichen Full-Drive-3 und Overdrive-Split-Low-3 geschaltet werden. Dieser sog. Spezial-Gang-Speed-3 wird erreicht, indem im Fix-Gang-3, statt der Inverter-Kupplung 34, die Split-Torque-Getriebe-Kupplung 14 gelöst wird. So kann der Variator 7 herausgelöst und in Richtung der eins-zu-eins-Übersetzung mit kleinerer Zugmittelgeschwindigkeit zurückgefahren werden, um aus dem Polygoneffekt-Bereich zu kommen. Dieser mechanische Spezial-Gang-Speed-3 kann z. B. für das absolute Geschwindigkeitsmaximum bzw. bei maximaler Motorleistung eingesetzt werden. Dank dem Variator 7-Freilauf kann das Getriebe-3 unlimitiert drehen, ev. mit zusätzlicher elektrischer Unterstützung über die E-Maschinen 15, 16.
Schaltablauf: Aktiver Stillstand, Anfahren, Rückwärtsbeschleunigung:
Beim Motorstart im Ausführungsbeispiel Getriebe-3 können die Kupplung 4, die Split-Torque-Kupplung 14 und die Inversions-Bremse 35 geschlossen sein, so dass der sog. Fix-Gang X eingeschaltet ist. Der Abtrieb an der Welle 51 ist damit prinzipiell Null. Mit dem Lösen der Kupplung 4 und der Variatorverstellung in Richtung Variator-Overdrive bewegt sich das Fahrzeug rückwärts durch den Bereich Reverse-Split-3.
Wie in allen anderen Bereichen kann das mechanische Drehmoment mit einer E-Wandlung von der ersten E-Maschine 15 auf der Split- Torque-Welle 6 zur zweiten E-Maschine 16 auf der Planetenwelle 11 bzw. Inverter-Welle 31 erhöht werden.
Nur im Bereich Start-Split-Low-3 verläuft die E-Wandlung umgekehrt, weil hier die Inverter-Welle 31 im umgekehrten Sinn dreht. Bei der Vorwärts-Beschleunigung kann die Inverter-Welle 31 deshalb mit der zweiten E-Maschine 16 als Generator gebremst werden; die erste E-Maschine 15 treibt dann als Motor die Split-Torque-Welle 6 an. Um Verluste zu minimieren, kann die zweite E-Maschine 16 sinngemäss möglichst nahe zum Power-Multiplication-Getriebe 20 platziert werden, d. h. alternativ auch auf die Inverter-Welle 31.
Bei einer entsprechenden Dimensionierung des Variator-Bereichs R, des Faktors K im Split-Torque-Getriebe 10 und des Torque-Multiplication-Faktors im Inverter-Getriebe 30 kann im Ausführungsbeispiel Getriebe-3 der ganze elektrische Bereich mit den E-Maschinen 15 und 16 weggelassen werden, ohne Leistungseinbusse im Vorwärts-Bereich des Getriebes bzw. ohne dass bei der Wandlung der Motorleistung Lücken in der zugkrafthyperbel auftreten. Einzig beim Rückwärtsfahren ist prinzipiell die Drehmomentübertragung reduziert.
Variante Getriebe-3.0 ohne Reverse-Bereich:
In einer weiteren Variante des Ausführungsbeispiels Getriebe-3 wird der grundsätzlich vorhandene Reverse-Bereich in den Vorwärtsfahrbereich integriert. Mit der zweiten Integration eines Reverse-Bereichs, des Reverse-Bereichs aus Getriebe-3, zusätzlich zur ersten Integration aus Getriebe-1 gemäss 1, kann die Gesamtgetriebeleistung im Getriebe-3.0 maximal gesteigert werden.
Starke Dieselmotoren können bisher in Arbeitsmaschinen und Lokomotiven nur mit Hilfe von aufwendigen (hydraulischen, dieselelektrischen etc.) Anfahr-Wandlungen eingesetzt werden. Dank dem stufenlosen mechanischen Anfahren mit dem Getriebe-3.0 können nun auch diese Einsatzbereiche mit sehr hohen Leistungen erschlossen werden. Im Betrieb, z. B. in Lokomotiven, ist dabei oft keine eindeutige Vorwärts- bzw. Rückwärts-Richtung mehr gegeben bzw. müssen beide Fahr-Bereiche symmetrisch abgedeckt sein. Damit kann nicht mehr von einem weiten Vorwärtsbereich und einem kurzen Rückwärtsbereich ausgegangen werden, wie ihn das Getriebe-3 z. B. für LKW-Antriebe bietet.
Im Getriebe-3.0 können auch sehr kleine Variator-Wandel-bereiche (z. B. R < 2,5) zur Stärkung des Variator-Enhancements eingesetzt werden. Gleichzeitig kann ein grosser Faktor K im Power-Multiplication-Planetengetriebe gewählt werden. Die Wahl der Dimensionen von Variator (R) und Planetengetriebe 10, 20, 30 erlaubt es, die als Konsequenz daraus anfallenden fixen Gänge z. B. möglichst regelmässig im Gesamtwandelbereich zu verteilen und damit die Gesamtwirkung zu unterstützen bzw. mit den festen Getriebestufen zu ergänzen.
Zur zusätzlichen Unterteilung der Bereiche zwischen den Fix-Gängen können mit einem Multi-Torque-Getriebe 49 mit einer Kupplung 45, mit einem oder mehreren Getrieben 42/43 mit je einer Direkt-Kupplung 44, je sechs sog. Direkt-Gänge geschaffen werden. Insbesondere beim Anfahren mit dem Getriebe 3.0, im Bereich Reverse-Split-3 aus Getriebe-3, kann mit einem Direktgang als 1. Gang die erhebliche Belastung der beiden E-Maschinen 15, 16 minimiert werden.
In der Variante Getriebe-3.0 kann die Gesamtleistung mit der Integration des Reverse-Bereichs weiter erhöht werden. Dazu wird zur maximalen Wandlerleistung der gesamte Vorwärts- und Rückwärtsbereich eines Getriebe-3 gebraucht. Auch auf der höchsten Leistungsstufe werden mit dieser Variante des Getriebe-3.0 ohne Zugkraft-Unterbrüche alle Vorwärts-Fahrbereiche, inklusive das Anfahren aus dem Aktiven Stillstand, über einen Gesamtbereich von sechs Variator 7-Verstellbereichen mit allen dazwischen liegenden Fix-Gängen mechanisch gewandelt. Dabei wird der Variator wahlweise von zwei relativ kleinen Elektro-Maschinen unterstützt. Die E-Maschine 16 kann in dieser Variante auf der Variator-Welle 8 sitzen. Wenn der Reverse-Bereich aus Getriebe-3 im Getriebe-3.0 integriert wird, entfällt ein integrierter Rückwärtsbereich vollständig bzw. nach Wahl teilweise.
Auch die Variante Getriebe-3.0 baut auf dem Kern-Getriebe-1 sowie dem Getriebe-3 auf und funktioniert damit sinngemäss gleich. Bei gleichen Teilen, wie sie im Getriebe-3 verbaut sind, kann für die Variante Getriebe-3.0 die Dimensionierung des Variator-Bereiches R, des Faktors K im Split-Torque-Getriebe 10, sowie des Multiplication-Faktors im Power-Multiplication-Getriebe 20 und im Inverter-Getriebe 30 so gewählt werden, dass der Geared-Neutral-Punkt im Punkt A3 erreicht wird. Wie schon für das Ausführungsbeispiel Getriebe-2 erläutert, hängt der Faktor der Power-Multiplication direkt mit dem Verhältnis A3-B/A1-B im Wellendiagramm gemäss 6 zusammen. Dank einer noch weiter gehenden Verschiebung des Geared-Neutral-Stillstands, bzw. der Drehzahl der Abtriebswelle 51 ergibt sich eine nochmalige Leistungs-erhöhung. Die Zugkrafthyperbel verschiebt sich mit dem Getriebe-3.0 noch weiter nach links zum neuen Geared-Neutral-Punkt A3. Die nochmalige Verbreiterung bzw. Abflachung der Zugkrafthyperbel reduziert die Drehmomente im Variator 7 beim Durchlaufen des Bereiches Full-Drive-3 im Variator-Underdrive im Vergleich zum Variator-Overdrive noch weiter. Dadurch kann das Torque-Enhancement im Variator 7 auch noch weiter steigen. Zusätzlich wächst der Faktor des Power-Enhancements stark an, so dass mit dieser Variante von Getriebe-3 die absolut höchste Getriebeleistung stufenlos gewandelt werden kann.
Mit einem doppelten Zugmittel bzw. einem zweifachen Variator 7 kann ein absolutes Leistungsmaximum erreicht werden.
Die Leistungsübertragung/Leistungssteuerung hin zur Inverter-Welle 31 kann weitgehend der Variator 7 übernehmen. Einzig im kürzesten Anfahrbereich aus dem Stillstand besteht grundsätzlich eine mechanische Anfahrschwäche, weil dieser Bereich, Start-3.0 genannt, nur vom Inverter-Getriebe 30 allein bzw. ohne das Split-Torque-Getriebe 10 verstärkt werden kann. Mit Unterstützung der beiden E-Maschinen 15, 16 kann z. B. noch bei tiefen Motordrehzahlen der erste Direkt-Gang-1 bzw. der aus dem Fix-Gang X entstandene erste Fix-Gang 3.0 erreicht werden. Anschliessend kann rein mechanisch im Fix-Gang 3.0 mit der steigenden Motorleistung beschleunigt werden. Mit tiefen Motordrehzahlen anzufahren deckt sich auch bei Grossmotoren mit dem Ziel der Energieeffizienz und stärkt ausserdem das früher schon erläuterte Low-Speed-Enhancement mit seiner grösseren Variatorleistung und der höheren Drehmomentkapazität der E-Maschinen bei tieferen Motordrehzahlen. Da es sich hier sinngemäss um eine kurzzeitige Anwendung handelt, können die E-Maschinen entsprechend überlastet werden. Zusätzlich kann mit der Inverter-Kupplung 34 gesteuert eingekuppelt werden, so dass die erste feste Stufe mit dem Fix-Gang 3.0 schneller erreicht wird. Im Fix-Gang 3.0 werden die gleichen Schaltelemente eingesetzt, wie im Fix-Gang X im Getriebe-3.
Alternativ kann die Zahnkupplung 44 am Getriebe 42/43, als Reibkupplung ausgeführt oder als hydraulische Anfahrkupplung, beim Einkuppeln des ersten Direktganges zur Unterstützung eingesetzt werden.
Das Getriebe-3.0 führt die Getriebereihe Getriebe-1, Getriebe-2, Getriebe-3 dadurch logisch weiter, dass bei Gleichläufen (gleiche Drehzahl von Wellen) und bei Nulldurchgängen (Stillstand einer Welle) Planetengetriebe so eingesetzt werden, dass sie für den Variator einen Richtungswechsel und im Getriebe eine Drehmomentverstärkung erlauben. Die grundsätzlich kontinuierlich steigenden bzw. sinkenden Eingangsdrehzahlen vor dem Summiergetriebe werden mit Hilfe dieser Planetengetriebe im Variator-Ast mit Auf- und Ab-Bewegungen wie in einer Harmonika zusammengefaltet. Theoretisch lassen sich mit diesem Getriebe-System viele Varianten als Getriebe darstellen.
Eine weitere Variante von 3 stellt das Getriebe-10 gemäss 10 dar. Diese Getriebevariante läuft ohne mechanischen Variator, nur mit einer E-Wandlung zwischen den E-Maschinen 15 und 16. Dieses Getriebe-10 eignet sich dadurch z. B. für kleinere Hybridfahrzeuge. Es nutzt vor allem beim Anfahren die hohe Drehmomentkapazität der E-Maschinen 15, 16 und kombiniert im Bereich Overdrive-Split-10 den reduzierten Einsatz von elektrischer Energie bei der stufenlosen Wandlung und parallel dazu die Stärken von festen Gängen. Zusätzlich kann dank dem grossen Drehzahlbereich der E-Maschine 16 auf einen spezifischen Reverse-Bereich verzichtet werden, wodurch die Inversionsbremse 35 entfällt. Für eine Rückwärtsbewegung kann die E-Maschine 16 am Geared Neutral-Punkt beschleunigt werden, statt gebremst wie zum vorwärts Fahren, so dass im Split-Torque-Getriebe 10 eine negative Drehbewegung resultiert. Mit den E-Maschinen 15, 16 wird wahlweise von der hohen Drehmomentverstärkung mit einem Multi-Torque-Getriebe 49, von den grossen Drehzahlbereichen vorwärts und rückwärts und vom hohen Drehmoment bei kleinen Drehzahlen profitiert.
Beim Anfahren mit drehendem Motor M fliesst im Getriebe-10 die Leistung über die Split-Torque-Welle 6 in das Power-Multiplication-Getriebe 20. Da wird die Leistung im Stillstand vom Power-Multiplication-Getriebe 20 aufgeteilt bzw. über das Getriebe 22/23 und die Planeten-Welle 11 zum Split-Torque-Getriebe 10 geleitet, wo sie ein zweites Mal gewandelt bzw. aufgeteilt wird.
Das Split-Torque-Getriebe-10 ist mit dem Getriebe 12/13 und der Kupplung 4 oder wahlweise mit dem Getriebe 26/27 und der Kupplung 25 mit der Split-Torque-Welle 6 verbunden, was bewirkt, dass das Drehmoment der E-Maschine 16 an der Variator-Welle 8 verstärkt wird.
Dank dieser Drehmomentverstärkung kann auch mit tiefer Motordrehzahl und einem tiefen Motordrehmoment mit der kombinierten Wirkung aus Torque-Multiplication – entsprechend dem Faktor K des Split-Torque-Getriebes 10, hohem Drehmoment der E-Maschine 16, wahlweise zusätzlich mit Überlastung der E-Maschine 16 –, sehr dynamisch im Split-Torque-Verfahren angefahren werden. Das Drehmomentpotenzial der E-Maschine 16 ist bei tiefer Motordrehzahl am grössten und sie kann zusätzlich kurzzeitig überlastet werden.
Sobald im Synchronpunkt B der Fix-Gang 1 erreicht ist, wird das Split-Torque-Getriebe 10 wahlweise mit Hilfe einer Gesteuerten Split-Torque-Kupplung 14 dynamisch verblockt und die Kupplung 4 gelöst. Dadurch wird der Bereich Full-Drive-10 erreicht, in welchem die Wandlerleistung zwischen E-Maschine 15 und E-Maschine 16 fliesst. Zwischen Fix-Gang 1 und Fix-Gang 2 kann wahlweise über die Kupplung 44 ein Direkt-Gang eingekuppelt werden, der die E-Maschinen mit einem Bypass vollständig entlastet. Ausserdem kann mit der Antriebssteuerung 9 die Motordrehzahl gesenkt und dadurch die Getriebewandlung Richtung Overdrive beschleunigt werden, damit der Fix-Gang 2 schneller erreicht wird. Der Fix-Gang 2 wird mit der Kupplung 25 eingeschaltet. Sobald die Kupplung 14 gelöst ist, kann mit der E-Wandlung der Bereich Overdrive-Split-10 durchfahren werden, wahlweise unterbrochen mit einem weiteren Direkt-Gang mit der Kupplung 44. Im längsten Overdrive liegt ein Wirkungsgradmaximum mit der E-Wandlung vor, da hier die elektrische Leistung, die schon dank dem Power-Multiplication-Getriebe 20 reduziert ist, ergänzt mit dem Split-Torque-Verfahren, gegen Null strebt.
Ein Getriebe-10 mit zwei Direkt-Getrieben ermöglicht mit fünf Schaltelementen acht feste Vorwärtsgänge. In allen Bereichen und festen Gängen können die E-Maschinen 15, 16 elektrische Leistung einspeisen bzw. abzweigen.
Rückwärts Fahren:
Wenn am Geared Neutral-Punkt die elektrische Leistung statt von E-Maschine 16 zu E-Maschine 15 in umgekehrter Richtung fliesst, wird die Drehzahl der Variatorwelle 8 zusätzlich erhöht, was im Power-Multiplication-Getriebe 20 eine Rückwärtsdrehung zur Folge hat und den Bereich Reverse-Split-10 erschliesst.
Elektrisch Anfahren im Modus „Hybrid”:
Bei still stehendem Motor M kann direkt mit der E-Maschine 16 losgefahren werden. Die E-Maschine 16 treibt bei geschlossener Kupplung 14 das Power-Multiplication-Getriebe 20 an, das bei Motorstillstand als Standgetriebe wirkt. Damit wird praktisch im Bereich Full-Drive-10 angefahren. Die E-Maschine 15 kann bei Bedarf den Motor M andrehen, der sofort mit seiner Leistung über das Power-Multiplication-Getriebe 20 den Antrieb unterstützen kann. Ausserdem kann die Getriebeübersetzung, das heisst können die Drehzahlen der beiden E-Maschinen verändert werden, z. B. in Richtung Underdrive, um mit dem Split-Torque-Verfahren im Start-Split-10, also mit geschlossener Kupplung 4 und geöffneter Kupplung 14, antreiben zu können.
Sinngemäss kann auch mit umgekehrter Drehrichtung in den Bereich Reverse-10 beschleunigt werden.
Spezielle Verfahren für koaxiale Getriebeformen:
Alle Getriebevarianten Getriebe-1, Getriebe-2, Getriebe-3, Getriebe-3.0, Getriebe-10, lassen sich sowohl auf zwei Haupt-Wellen, als sog. Parallel-Ausführungen, als auch auf einer Haupt-Welle, als sog. Koaxial-Ausführungen, darstellen. In den bisherigen Ausführungen sind ausschliesslich Getriebevarianten als Parallel-Ausführungen beschrieben worden. Die Besonderheiten der Koaxial-Ausführungen werden nachfolgend ausdrücklich hervorgehoben.
In allen Koaxial-Ausführungen wird die Split-Torque-Welle 6 zur Hauptachse, auf der alle Planetengetriebe liegen, die Getriebe 10, 20, 30, vorzugsweise auch ein Kombi-Stufen-Getriebe 40, gebildet aus den Stufengetrieben 12/13, 26/27 und den entsprechenden Schaltelementen 4, 25, 35, wahlweise auch ein Multi-Torque-Getriebe 49, sowie wahlweise auch der Motorantrieb M. Planetengetriebe sind gerade bei grossen Leistungen mit niederen Drehzahlen und sehr hohen Drehmomenten erste Wahl.
In den Koaxial-Ausführungen kann die Split-Torque-Welle 6 als Antriebswelle vom Motor M bis in das Power-Multiplication-Getriebe 20 durchlaufen, und alle anderen Planetengetriebe können sich um diese Achse drehen. Die Zwischenwelle 5 kann wahlweise zur Verkleinerung der Dimensionen von Variator 7 und/oder der E-Maschine 15 auf höherem Drehzahlniveau dienen, die Variatorwelle 8 wird mit dem umplatzierten Getriebe 22/23 mit dem Split-Torque-Getriebe 10 verbunden. Hierbei kann wahlweise ein Multi-Torque-Getriebe 49 ebenfalls mit Split-Torque-Welle 6 verbunden montiert werden. In den koaxialen mechanischen Getrieben mit dem Motorantrieb an der Split-Torque-Welle 6 können der Variator 7, sowie wahlweise die beiden E-Maschinen 15, 16 an zwei Wellenenden frei zugänglich montiert werden.
Das koaxiale Drehen der Split-Torque-Welle 6 und des ersten Summandenglieds des Split-Torque-Getriebes 10 erlaubt ein direktes Zusammenkuppeln dieser beiden Wellen mit Hilfe einer zusätzlichen Direkt-Kupplung 45. Weil die Übersetzungsverhältnisse der Getriebe 2/3 und 42/43 meist ähnliche Werte besitzen, kann das Direkt-Getriebe 42/43 wahlweise ganz weggelassen werden. Alternativ kann das Getriebe 42/43 mit der Kupplung 44 auch mit der zusätzlichen Kupplung 45 betrieben werden, so dass die doppelte Anzahl von Direkt-Gängen im Getriebe zur Verfügung steht, unab hängig davon, ob ein Multi-Torque-Getriebe 49 eingebaut ist oder nicht.
Im Stillstand, mit zwei geschlossenen Direktkupplungen 44, 45 und stehendem Motor M, sonst aber durchgehend geöffneten Kupplungen und Bremsen, kann mit der E-Maschine 16 angefahren werden, wenn sie auf der Planetenwelle 11 liegt, ohne dass die E-Maschine 15 die Zwischenwelle stabilisieren muss, weil die beiden geschalteten Direkt-Gänge die Zwischenwelle 5 und die Split-Torque-Welle 6 blockieren.
Beim Einsatz eines Kombi-Stufen-Getriebes 40 kann die Bremse 35 vom Summenglied des Split-Torque-Getriebes 10 als Bremse im Planeten-Getriebe 40 platziert werden, was alle Funktionen der separaten Stufengetriebe zulässt, aber die Funktionen der Schaltelemente verändert.
Die Koaxial-Ausführung von Getriebe-2 nach 8:
In diesem Getriebe-2 liegen die drei Planetengetriebe Power-Multiplication-Getriebe 20, Split-Torque-Getriebe 10 und Multi-Stufen-Getriebe 40 in dieser Reihenfolge auf der Split-Torque-Welle 6. Das heisst, dass die Planetenwelle 11 als Verbindung von Split-Torque-Getriebe 10 und Power-Multiplication-Getriebe 20 das Ringelement dieser beiden Getriebe darstellt, auf welchem die E-Maschine 16 drehen kann. Am Summenglied des Split-Torque-Getriebes 10 können drei Gangstufen mit dem Kombi-Stufen-Getriebe 40 wirken, nämlich ein Stillstand, der durch das gemeinsame Wirken von Bremse 35 mit Kupplung 25 aktiviert wird, eine erste Stufe, die durch die aktivierte Kupplung 4 und die Bremse 35 geschaltet wird, eine zweite Stufe, die durch die Kupplungen 4 und 25 geschaltet wird. Obwohl die gleichen Schaltelemente wie in der Parallelausführung vorhanden sind, ist ihre Funktionsweise in der Koaxialausführung verschieden.
Wahlweise schaltet eine Kupplung 45 vier Direkt-Gänge, mit einem zusätzlichen Getriebe 42/43 und einer Kupplung 44 kommen nochmals 4 Direkt-Gänge dazu.
Die Koaxial-Ausführung von Getriebe-3 nach 9:
In diesem Getriebe-3 liegen die drei Planetengetriebe Power-Multiplication-Getriebe 20, Inverter-Getriebe-30 und Split-Torque-Getriebe 10 in dieser Reihenfolge auf der Split-Torque-Welle 6. Das heisst, dass die Inverterwelle 31 als Verbindung von Power-Multiplication-Getriebe 20 und Inverter-Getriebe 30 das Ringelement dieser beiden Getriebe darstellt, auf welchem die E-Maschine 16 drehen kann. Die Bremse 35 kann wahlweise direkt am Summenglied des Inverter-Getriebes 30 oder indirekt am Zahnrad 32 des Getriebes 32/33 wirken.
Wahlweise schaltet eine Kupplung 45 sechs Direkt-Gänge, mit einem zusätzlichen Getriebe 42/43 und einer Kupplung 44 kommen nochmals sechs Direkt-Gänge dazu.
Die Koaxial-Ausführung von Getriebe-10 nach 12:
In diesem Getriebe-2 liegen die drei Planetengetriebe Power-Multiplication-Getriebe 20, Split-Torque-Getriebe 10 und Multi-Stufen-Getriebe 40 in dieser Reihenfolge auf der Split-Torque-Welle 6.
Zum elektrisch Anfahren vorwärts kann mit Hilfe der Bremse 35 und der Kupplung 25 die Zwischenwelle 5 gestoppt werden und das Fahrzeug mit der E-Maschine 16 rückwärts drehend, vom Split-Torque-Getriebe 10 und vom Power-Multiplication-Getriebe 20 Drehmoment-verstärkt beschleunigt werden bzw. sinngemäss in der umgekehrten Fahrtrichtung.
Wahlweise schaltet eine Kupplung 45 drei Direkt-Gänge, mit einem zusätzlichen Getriebe 42/43 und einer Kupplung 44 kommen nochmals drei Direkt-Gänge dazu.
Ein Schaltablauf ist in 13 für ein Getriebe-2 in Koaxial-Ausführung dargestellt. Die Schaltelemente sind die Kupplungen 4, 14, 25 und wahlweise 44 und/oder 45, sowie die Bremse 35.
Beim Motorstart im Getriebe-2 kann die Bremse 35 aktiviert sein. Entsprechend dem Signal des Fahrers zum vorwärts Anfahren, geht der Variator 7 in die Stellung Variator-Overdrive, worauf die Kupplung 4 und die Bremse 35 zum Geared Neutral-Stillstand geschlossen werden und der Bereich Start-Split-2 eingeschaltet ist. Je nach Anzahl Direkt-Getriebe mit den Kupplungen 44, 45, können in diesem Bereich die Direkt-Gänge 3, 4 zur Variator-Überbrückung geschaltet werden. In der maximalen Underdrive-Stellung des Variators 7 wird der Fix-Gang 1 erreicht und wahlweise schon vorzeitig mit der Gesteuerten Kupplung 14 dynamisch blockiert. Sobald die Bremse 35 gelöst ist, wahlweise auch die Kupplung 4, kann der Variator 7 im nun geschalteten Bereich Full-Drive-2 antreiben, wahlweise überbrückt von den Direkt-Gängen 5, 6. Das mitdrehende Multi-Stufen-Getriebe 40 kann wahlweise ganz frei geschaltet werden. Im Bereich Full-Drive-2 kann die Kupplung 4 aktiviert bleiben, wodurch allein mit der dynamischen Aktivierung der Kupplung 25 der Fix-Gang 2 am Ende des Variator-Overdrive geschaltet wird. Sobald die Kupplung 14 gelöst ist, kann der Variator im Bereich Overdrive-Split-2 die Wandlung fortsetzen, wahlweise überbrückt von Direkt-Gängen 7, 8.
Im Stillstand, entsprechend dem Signal des Fahrers zum rückwärts Anfahren, geht der Variator 7 in die Stellung Variator-Underdrive, worauf die Kupplung 25 und die Bremse 35 geschlossen werden und damit das Multi-Stufen-Getriebe 40 im Stillstand blockieren, wodurch im Geared Neutral-Stillstand der Bereich Reverse-Split-2 eingeschaltet wird. Mit der Variator-Verstellung in Richtung Overdrive fährt das Fahrzeug rückwärts, wobei der Variator 7 auch in diesem Bereich wahlweise von den Direkt-Gängen 2, 1 überbrückt werden kann.
Wenn die Kupplungen 44 und 45 als formschlüssige Zahnkupplungen oder als Schaltgetriebe ausgeführt sind, kann mit dem gleichzeitigen Einschalten von zwei Direkt-Gängen das Getriebe in Park-Stellung bei gestopptem Motor blockiert werden. Zur Getriebesicherheit sind im Fahrbetrieb reibschlüssige Schaltelemente 14 und/oder 25 und/oder 35 eingeschaltet, die bei Bedarf verzögerungsfrei gelöst werden können.
Als Minimal-Variante kann das Getriebe-10 gemäss 10 auch als einfacher und gleichzeitig leistungsstarker Anfahrwandler mit Reverse-Bereich, aber ohne Overdrive-Bereich, betrieben werden. Dieses Getriebe-10.0 kann mit einem Minimum an Teilen, wahlweise ohne Batterie 50, als Kupplung mit Drehmomentverstärkung zwei Wellen, z. B. dynamisch zum Gleichlauf, wahlweise auch mit zwei zusätzlichen kleineren festen Stufen, beschleunigen und zusammenkuppeln, und danach, mit einem vorgegebenen Grenzdrehmoment in der Split-Torque-Kupplung 14, jederzeit zur Sicherheit trennbar halten. Wahlweise können alle drei Kupplungen 4, 14, 45 auch als Zahnkupplungen oder als Schaltgetriebe ausgeführt sein. Je zwei Kupplungen schalten eine Gangstufe, also die Kupplungen 4 und 45 eine erste Stufe, die Kupplungen 4 und 14 eine zweite Stufe, die Kupplungen 14 und 45 eine dritte Stufe, den Gleichlauf der Split-Torque-Welle 6 und der Abtriebswelle 51. Das Split-Torque-Getriebe 10 lässt sich einerseits entsprechend den spezifischen Beschleunigungsansprüchen dimensionieren, andererseits kann es parallel zum Einsatz als Wellenkupplung auch als elektrischer Generator benutzt werden.
Antriebsteuerung Grundlagen:
Das vorgeschlagene Getriebe besteht aus einem fest übersetzten Stufengetriebe, das in einer Sequenz geschaltet wird. In der erfindungsgemässen Ausführung werden die Zwischenbereiche von einer Leistungswandlung durch einen Variator bzw. zwei E-Maschinen abgedeckt, was zu einem stufenlosen Getriebe ohne Zugkraftunterbrechung führt. Dadurch kann das erfindungsgemässe Getriebe als variables Verbindungsglied zwischen dem Antriebsbereich mit einem Motorantrieb M und Leistung aus einer Batterie 50 und dem Abtriebsbereich bzw. Fahrzeugantrieb wirken. Der Fahrer hat keinen direkten Einfluss auf dieses Getriebe. Das Gaspedal ist ein reines Funktionspedal zum Beschleunigen. Ein solches Getriebe besteht aus verschiedenen Teilbereichen, die erfindungsgemäss von je einem Variator-Bereich R abgedeckt werden. Die Stufenschaltungen an den Endpunkten dieser Variator-Bereiche können in der einfachsten Form mit Schaltgetrieben ausgeführt sein, die beim Synchronlauf der entsprechenden Wellen geschaltet werden. In komplexeren Ausführungen werden Reibkupplungen eingesetzt, die auch ohne Synchronlauf schaltbar sind, was einen entscheidenden Einfluss auf die Getriebe-Wandeldynamik hat.
In hierarchischen Ebenen von zunehmender Komplexität wird die Antriebssteuerung nachfolgend mit dem notwendigem Bedarf an Hardware und Programmierung beschrieben.
Auf der elementarsten, ersten Ebene werden Drehzahlsensoren von Split-Torque-Welle 6, Variator-Welle 8, Abtriebswelle 51 in der Antriebssteuerung 9 entsprechend einem Schaltschema mit Synchrondrehzahlen, als Verhältnisse der Split-Torque-Welle 6 und der Variator-Welle 8 bzw. der Abtriebswelle 51, und der Schaltsequenz der Schaltelemente, Kupplungen und Bremsen, mit der Software verknüpft. Die Schaltvorgänge werden dann von der Antriebssteuerung 9 im Synchronlauf, in einem Zeitfenster ohne Verstellung des Variators 7 zur Sicherung des Getriebes, ausgeführt.
Auf der zweiten Ebene wird mit einem Algorithmus in der Software in der Antriebssteuerung 9 zusätzlich die Drehzahl-Dynamik des Antriebs integriert und geregelt, beispielsweise bestehend aus einer Leistungs-/Drehzahlsteigerung des Motors M und einer Steigerung der Leistung aus der Batterie 50. Damit kann die Antriebsdynamik als Produkt aus der Drehzahl-Dynamik des Motors M mal die Verstell-Dynamik des Variators 7 so geregelt werden, dass sich die Geschwindigkeit beispielsweise auch ohne Variator- Verstellung während eines Schaltvorgangs erhöht, weil gleichzeitig die Motordrehzahl gesteigert wird.
Auf der dritten Ebene können in der Software der Antriebssteuerung 9 spezifische Regel-Parameter für die Schaltung von Gesteuerten Kupplungen, wie einstellbare Toleranzbreiten bei Synchrondrehzahlen, vorgegeben werden. Wenn beispielsweise eine Reibkupplung zur Schaltung des nächstfolgenden Bereichs den Wirkungsgrad des Variators, entsprechend den numerischen Software-Vorgaben, erreicht oder übertrifft, wird sie, der Steuerdynamik entsprechend, elektrisch oder hydraulisch aktiviert und zur Stufenschaltung ganz geschlossen. Parallel kann auch das Auskuppeln derjenigen Kupplung, die im folgenden Bereich nicht mehr aktiv ist, vorzeitig, also vor Erreichen der Synchrondrehzahl durchgeführt werden, so dass der Variator nicht ganz an das Ende seines Bereichs verstellt werden muss, bevor er die Verstellrichtung wieder ändert, weil Zugmittel-Variatoren prinzipiell Differenzen bzw. Schlupf zur Regelung der Drehzahlen benötigen.
Als weitere Parameter können die Übersetzungsverhältnisse der festen Gang-Stufen in Relation zur Effizienz der Motorleistung als kombinierte Antriebs-Wirkungsgrade dreidimensional dargestellt werden, beispielsweise als Darstellungen der von den Stufen-Getriebe-Wirkungsgraden reduzierten Motor-Treibstoffverbrauchs- vs. Fahrzeuggeschwindigkeit-Kennfel-der, die sich überlagern. Diese Darstellung kann von einer weiteren dreidimensionalen Darstellung des Variator-Wirkungsgrads bei einem gegebenen Antriebsleistung/Treibstoffverbrauchs-Wirkungsgrad vs. Fahrzeuggeschwindigkeit als Fläche senkrecht zur dazu gehörenden Zugkraft-Hyperbel geschnitten werden. Die Aufgabe der Antriebssteuerung 9 mit der entsprechenden Software ist es, aufgrund der aktuellen Getriebekonstellation, Veränderungen zur Optimierung der Antriebseinheit Motor-Getriebe-Batterie vorzunehmen, beispielsweise indem eine nahe liegende feste Getriebe-Stufe mit besserer Gesamteffizienz erreicht wird. Das geschieht ohne Auswirkungen am Abtrieb 51.
Auf der vierten Ebene kann aufgrund von Vorgaben in der Software, beispielsweise den Motor M langsam hochzudrehen, die Batterie möglichst nur bis zu einem bestimmten Grad zu entladen, mit Hilfe der Regelsignale der Antriebssteuerung 9 die Leistung im Motor und in den E-Maschinen gesteigert werden.
Auf der fünften Ebene wird mit einer Echtzeit-Prozess-steuerung in der Antriebsteuerung 9 mit den Daten aus den Drehzahlsensoren und mit zusätzlichen Drehmomentsensoren an der Split-Torque-Welle 6, an der Variator-Welle 8, an der Abriebswelle 51, die Antriebsleistung aus Motor M und Batterie 50 mit der Abtriebsleistung verglichen und die Getriebe-Effizienz bestimmt. Gleichzeitig werden die Auswirkung von Veränderungen, beispielsweise bei der Erhöhung der Motor-drehzahl mit gegenläufiger Reduktion der Getriebeübersetzung, mit spezifischer Software selbsgesteuert ermittelt und optimiert, ohne dass es zu einer Auswirkung am Abtrieb kommt.
Auf der sechsten Ebene können mit Daten aus GPS-/Navigationssystem Routenverbrauchsprofile aufgenommen und gespeichert werden, die mit entsprechender Software zu einem lernfähigen Antriebssystem integriert werden. Beispielsweise zeigt das Navigationssystem über ein Dialogfeld die erkannte Route an, die der Fahrer bestätigen kann. Dies kann einen Einfluss auf die Nutzung der Batterie haben, insbesondere wenn das Fahrzeug als Hybrid eingesetzt wird, bei dem am Schluss der Fahrt die Batterie leer sein soll.
Die Funktion der Motorbremse wird unabhängig von den Schaltebenen im stufenlosen, automatischen Getriebe integriert. Das kann dadurch geschehen, dass beim bergab Fahren die Bremse betätigt wird, schwach oder stark, und die aktuelle Geschwindigkeit dar aufhin gehalten wird, bis mit dem Gaspedal diese Funktion Elektrisches Bremsen mit Rekuperation/Motorbremse wieder aufgehoben wird. Umgekehrt kann die Geschwindigkeit nach einer Beschleunigung auf ein bestimmtes Niveau automatisch gehalten werden, bis mit dem Antippen des Bremspedals ein Ausrollen lassen ohne Antrieb eingeleitet wird. Damit kann eine Tempomat-Funktion direkt integriert werden.

M: Motor
2: Zahnrad
3: Zahnrad
4: Kupplung
5: Zwischenwelle
6: Split-Torque-Welle
7: Variator
8: Variator-Welle
8A: Variator-Welle
9: Antriebssteuerung
10: Split-Torque-Getriebe
11: Planeten-Welle
12: Zahnrad
13: Zahnrad
14: Split-Torque-Kupplung
15: E-Maschine 1
16: E-Maschine 2
20: Power-Multiplication-Getriebe
22: Zahnrad
23: Zahnrad
25: Kupplung
26: Zahnrad
27: Zahnrad
30: Inverter-Getriebe
31: Inverter-Welle
32: Zahnrad
33: Zahnrad
34: Inverter-Kupplung
35: Inversionsbremse
36: Kupplung
40: Kombi-Stufen-Getriebe
42: Zahnrad
43: Zahnrad
44: Direkt-Kupplung
45: Direkt-Kupplung
49: Multi-Torque-Getriebe
50: Batterie
51: Abtriebswelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0247086 A1 [0002]
- US 4644820 [0052]

Claims

Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe für ein von einem Motor (M) als primärere Leistungsquelle angetriebenes Motorfahrzeug mit mindestens folgenden Bauelementen: – einer Split-Torque-Welle (6), – einer Variator-Welle (8), – einem Planetengetriebe (10), – zwei kämmenden dritten und vierten Zahnrädern (12, 13), welche in ihrem Zusammenwirken ein mindestens erstes Stufengetriebe darstellen, – einer Antriebssteuerung (9), – mindestens zwei Kupplungen (4, 14), – einer Abtriebswelle (51), – einem stufenlosen Getriebe, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Getriebe ferner Mittel enthält, welche gestatten, das von ihm angetriebene Motorfahrzeug vorwärts und rückwärts mit vollem Abtriebs-Drehmoment anfahren zu lassen und stufenlos den ganzen Fahr- und Leistungsbereich dieses Motorfahrzeugs abzudecken.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bauelemente zusätzlich vorhanden sind und die genannten Mittel darstellen: – ein mechanischer Variator (7), mit einer Zwischenwelle (5), einem ersten Zahnrad (3) auf der Split-Torque-Welle (6) und einem zweiten Zahnrad (2) auf einer Zwischenwelle (5), welche kämmen, wobei die Zwischenwelle (5) zugleich die erste Variator-Welle ist, – eine erste E-Maschine (15) im primären Leistungsstrang auf der Split-Torque-Welle (6) oder auf der Zwischenwelle (5), – eine zweite E-Maschine (16) im sekundären Leistungsstrang, z. B. auf der Abtriebswelle (51), – wobei die geschlossene erste Kupplung (4) die Split-Torque-Welle (6) mit dem Summenglied des Planetengetriebes (10) über die Zahnräder (12, 13) verbindet, und ferner gleichzeitig die Split-Torque-Welle (6) über die Paarung der Zahnräder (3, 2), die Zwischenwelle (5), den Variator (7), die Variator-Welle (8), mit einem zweiten Eingang, dem ersten Summandenglied des Getriebes (10) verbunden ist, – wobei der Variator (7) einen Bereich R und das Getriebe (10) einen Differenzialfaktor K aufweist, und – die Abtriebswelle (51), bei entsprechender Veränderung (Stellung) des Variators (7), eine kontinuierliche Drehung von vorwärts über den Stillstand zu rückwärts, sowie umgekehrt, ausführen kann, und – alle genannten Elemente zusammen das mechanische Kern-Getriebe darstellen.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bauelemente zusätzlich vorhanden sind und die genannten Mittel darstellen: – eine erste E-Maschine (15) im primären Leistungsstrang, auf der Split-Torque-Welle (6), – eine zweite E-Maschine (16) am variablen Strang, auf der Variator-Welle (8), – wobei die geschlossene erste Kupplung (4) die Split-Torque-Welle (6) mit dem Summenglied des Planetengetriebes (10) über die Zahnräder (12, 13) verbindet, – und alle genannten Elemente zusammen das elektrische Kern-Getriebe darstellen.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Batterie (50) vorhanden ist, wobei diese Batterie (50) eine Traktionsbatterie und/oder ein Super-Kondensator-Speicher und/oder ein andersartiger elektrischer Speicher sein kann und in der Speichergrösse frei wählbar ist.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anfahren und Fahren des Fahrzeugs, sowohl – Motorleistung von der ersten E-Maschine (15) im primären Leistungsstrang auf die zweite E-Maschine (16) im sekundären Leistungsstrang, – Motorleistung von der zweiten E-Maschine (16) im sekundären Leistungsstrang auf die erste E-Maschine (15), und – zusätzliche Batterieleistung von der E-Maschine 15 über den primären Leistungsstrang auf den Motor (M), übertragen, als auch – elektrische Leistung aus den E-Maschinen (15) und/oder (16) in der Batterie (50) gespeichert, werden kann.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Vielzahl von Sensoren vorhanden ist, welche folgende Betriebsparameter überwachen und an die Antriebssteuerung (9) übermitteln: – mindestens die Drehzahlen der Split-Torque-Welle (6), der Variator-Welle (8) und der Abtriebswelle (51), – die Drehmomente in der Split-Torque-Welle (6), der Variator-Welle (8), der Abtriebswelle (51), – der Leistungen der E-Maschinen (15, 16), – die Lade- und Entladeströme der Batterie (50), sowie den Ladungszustand der Batterie (50), – die Zustände der Schaltelemente (4, 14, 25, 34, 35, 36, 44, 45), die Wirkungsart von Gesteuerten Kupplungen, wahlweise (4, 14, 25, 34, 35, 36, 44, 45), – die Wirkungsart der Fahrzeugbremsen, – die Betriebstemperaturen der beiden E-Maschinen (15, 16), sowie – die auf die Bedienungsorgane, wie Gaspedal, Fussbremse ausgeübten Kräfte und die Stellungen von manuell zu bedienenden Wählschaltern, wie Richtungswahl, Moduswahl, das heisst Fahren mechanisch oder hybrid oder rein elektrisch.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerbare Kupplungen vorhanden sind, wahlweise die Kupplungen (4, 14, 25, 34, 35, 36, 44, 45), welche Reibkupplungen oder elektromagnetische Kupplungen oder hydraulische Kupplungen sind.
Stufenloses Fahr- und Anfahrgetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den vorhandenen Elementen folgende Elemente vorhanden sind: – ein Planetengetriebe (20), ein kämmendes Zahnradpaar (22, 23), – eine Planetenwelle (11), wobei – die Split-Torque-Welle (6) auf das eine Summandenglied des Power-Multiplications-Planetengetriebes (20) gelegt ist, – das Zahnrad (22) auf das zweite Summendenglied, des Power-Multiplication-Getriebes (20) gelegt ist, – das weitere Zahnrad (23) fest mit der Planetenwelle (11) oder der Inverterwelle (31) verbunden ist, welche ihrerseits mit einem Summandenglied, entweder – des Split-Torque-Getriebes (10) oder des Invertergetriebes (30), verbunden ist, wobei – im Planetengetriebe (20) als Summiergetriebe, die Drehmomente und Drehzahlen der Split-Torque-Welle (6), und über das Getriebe (22, 23) die Drehmomente und Drehzahlen, entweder der Planetenwelle (11) oder der Inverterwelle (31), kombiniert werden, und – die Leistungen an Planetenwelle (11) oder der Inverterwelle (31), wahlweise aus – elektrischer Wandlung zwischen den E-Maschinen (15) und (16) und/oder mechanischer Wandlung im Variator (7) und/oder von den Steuerbaren Kupplungen (4) oder (14) oder (25) oder (34) oder (35) oder (36) oder (44) oder (45), – in Relation zum Differenzialfaktor K des Getriebes (20) multipliziert wird, das heisst, das Drehmoment an der Split-Torque-Welle (6) entsprechend verstärkt und im Summiergetriebe (20) addiert wird.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise zusätzlich zu den vorhandenen Elementen folgende Elemente vorhanden sind: – ein kämmendes Zahnradpaar (42, 43), wobei – entweder das siebente Zahnrad (42) fest mit der Split-Torque-Welle (6) verbunden ist, – oder das achte Zahnrad (43) fest mit der Variatorwelle (8) verbunden ist, und – entweder eine vierte Kupplung (44) vorhanden ist, die eines der beiden Zahnräder (42, 43) trennbar mit der entsprechenden Welle verbinden kann, wobei die vierte Kupplung (44) als Zahnkupplung oder als Schaltgetriebe oder als Gesteuerte Kupplung ausgeführt sein kann, – oder ein fünftes Planetengetriebe vorhanden ist, als Multi-Torque-Getriebe (49) bezeichnet, wobei dieses Leistung von der Split-Torque-Welle (6) als erstem Summanden und von der Variator-Welle (8) als zweitem Summanden zu einer Summenleistung an einer zusätzlichen Variator-Welle (8A) zusammenführen kann, – und wahlweise zusätzlich – eine fünfte Kupplung (45) vorhanden ist, welche als Zahnkupplung oder als Schaltgetriebe oder als Gesteuerte Kupplung ausgeführt sein kann, welche zu einer festen Getriebestufe blockiert werden kann, die als Direkt-Getriebe bezeichnet wird.
Stufenloses Fahr- und Anfahrgetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gesamtzahl der stufenlosen Wandelbereiche im Getriebe ergibt, – addiert aus – erstens einem Bereich ohne Split-Torque-Wandlung, – wahlweise – dem Bereich R des Variators (7) oder – einem Bereich der elektrischen Wandlung von E-Maschine (15) zu E-Maschine (16) beim Beschleunigen und umgekehrt beim Verzögern, welcher – mit der Blockierung des Split-Torque-Getriebes (14) eingeschaltet wird, und – zweitens der Anzahl Stufen, die auf das Summenglied des Getriebes (10) wirken, welche – über das Getriebe (12, 13) mit der Kupplung (4), und/oder – über das Getriebe (26, 27) mit der Kupplung (25), und/oder, – mit der Bremse (35) schaltbar sind, bei einem wahlweise zusätzlichen Inverter-Getriebe (30), – multipliziert mit drittens, der Anzahl Stufen, die auf das Summenglied von Getriebe (30) wirken, welche – über das Getriebe (32, 33) mit der Kupplung (36), und/oder – zwischen zwei Gliedern des Inverter-Getriebes (30) mit einer Kupplung (34), und/oder – am Summenglied des Inverter-Getriebes (30) mit einer Bremse (35), schaltbar sind, und dass sich die Gesamtzahl der Direkt-Gänge als Produkt aus der Anzahl der stufenlosen Wandelbereiche multipliziert mit der Anzahl der Direktkupplungen, wahlweise den Kupplungen (44) und (45) ergibt.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise die vorhandenen Elemente in folgender Anordnung vorhanden sind: – ein wahlweise aus den Stufengetrieben (12, 13) und (26, 27) und den Schaltelementen (4, 25) sowie wahlweise der Bremse (35) gebildetes, mehrstufiges Umlaufgetriebe (40), – alle enthaltenen Umlaufgetriebe oder Planetengetriebe (10, 20, 30), wahlweise auch das zusätzliche Getriebe (40), auf der Split-Torque-Welle (6) liegend, und dass in dieser koaxialen Getriebeausführung, wahlweise – durch das Verbinden der Split-Torque-Welle (6) mit dem Variator-seitigen Summandenglied des Split-Torque-Getriebes (10) mit Hilfe – einer zusätzlichen Kupplung (45) ein zusätzliches Direkt-Getriebe geschaltet werden kann, sowie wahlweise – das Getriebe (42, 43) und die Kupplung (44) entfallen können.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass, – mit dem mechanischem Kern-Getriebe, mit – einem Bereich des Variators (7) R und einem Differenzialfaktor K des Getriebes (10), – von einem ganzen Bereich des Variators (7), ohne Umschaltung im Aktiven Stillstand, – mit R > K ein kontinuierlicher Vorwärts- und Rückwärts-Fahrbereich, – mit R = K ein Vorwärts-Fahrbereich oder ein Rückwärts-Fahrbereich, abgedeckt wird.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass, folgende Elemente zusätzlich vorhanden sind, nämlich – zwei kämmende Zahnräder (26, 27), eine Kupplung (25), eine Inversionsbremse (35), wobei – die Inversionsbremse (35) auf das Summenglied des Getriebes (10) oder wahlweise auf das Getriebe (12, 13) oder das Getriebe (26, 27) wirkt und es festhalten kann, sowie – das Zahnrad (27) fest mit dem Summenglied des Split-Torque-Getriebes (10), das Zahnrad (26) kuppelbar über die Kupplung (25) mit der Split- Torque-Welle (6) verbunden ist oder als Schaltgetriebe (26, 27) ausgeführt ist, womit – im mechanischen Kern-Getriebe zwei zusätzliche Variator-Bereiche mit Split-Torque-Betrieb schaltbar sind.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Elemente zusätzlich vorhanden sind, nämlich – ein Invertergetriebe (30), zwei kämmende Zahnräder (32, 33), eine Inverterwelle (31), eine, wahlweise gesteuerte Kupplung (34), eine Inversionsbremse (35) und eine wahlweise gesteuerte Kupplung (36) oder wahlweise ein Schaltgetriebe (32, 33), wobei – das Power-Multiplication-Getriebe (20) über das Zahnrad (23) fest mit der Inverterwelle (31) verbunden ist, welche – ihrerseits mit einem zweiten Summandenglied des Invertergetriebes (30) verbunden ist, wobei das Getriebe (30) mit seinem ersten Summandenglied mit der Planetenwelle (11), mit dem Summenglied über das Getriebe (33, 32) mit der Split-Torque-Welle (6) verbunden ist, wobei – das Zahnrad (32) mit Hilfe der Kupplung (36) oder als Schaltgetriebe fest mit der Split-Torque-Welle (6) verbunden werden kann, sowie – die Inversionsbremse (35) auf das Summenglied des Getriebes (30) oder auf das Getriebe (32, 33) wirken und es festhalten kann, womit – im mechanischen Kern-Getriebe vier zusätzliche Variator-Bereiche mit Split-Torque-Betrieb schaltbar sind, und wahlweise – die elektrische Wandlung zwischen den E-Maschinen (15, 16) überflüssig wird oder die Dimensionierung von E-Maschine (16) und/oder von E-Maschine (16) stark reduziert werden kann.
Stufenloses Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Elemente zusätzlich vorhanden sind, nämlich – eine dritte, wahlweise geteuerte Kupplung (25), zwei weitere kämmende Zahnräder (26, 27), wobei das Zahnrad (27) fest mit dem Summenglied des Split-Torque-Getriebes (10), das Zahnrad (26) kuppelbar über die Kupplung (25) mit der Split-Torque-Welle (6), verbunden ist, oder die kämmenden Zahnräder (26, 27) als Schaltgetriebe ausgeführt sind, womit – im elektrischen Kern-Getriebe ein weiterer Split-Torque-Bereich schaltbar ist.
Stufenloses Fahr- und Anfahrgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – eine spezifische Software in der Antriebssteuerung (9) vorhanden ist, welche – unter Einbezug von spezifischen Parametern wie – Wirkungsgrad-Kennfelder von Motor (M), E-Maschinen (15, 16), Batterielade- und Batterieentladestrategie, sowie – den Werten der Synchrondrehzahlen von Split-Torque-Welle (6), Variatorwelle (8), Abtriebswelle (51) und der Schaltsquenz der Schaltelemente (4, 14, 25, 34, 35, 36, 44, 45) – mit Algorithmen zur Optimierung der mechanischen Getriebewirkungsgrade, fahrzeugspezifischen Werten für ESP, ABS, GPS, Tempomat, sowie – den Werten der zulässigen Getriebearbeitsbereiche, zusätzlich – mit den Signalen des Fahrers, mit der Fahrtrichtungswahl vorwärts oder rückwärts, mit der Stellung des Gaspedals oder des Bremspedals, für Beschleunigen, Geschwindigkeit halten, Verzögern, verarbeitet werden, sowie als Steuersignale – zum Motor (M), den E-Maschinen (15, 16), den Kupplungen und Bremsen, sowie wahlweise zum Variator (7), geleitet werden, mit den Befehlen zu, wahlweise – elektrischem und/oder mechanischem, wahlweise Beschleunigen und/oder Drehzahl halten und/oder Verzögern, – der Split-Torque-Welle (6), der Variator-Welle (8), der Abtriebswelle (51), und/oder – der Planetenwelle (11), und/oder der Inverter-Welle (31), sowie – zur Schaltung der entsprechenden Schaltelemente (4, 14, 25, 34, 35, 36, 44, 45), was zu einem integrierten Antriebssystem verarbeitet, zu einem Gesamtgetriebe mit stufenloser Wandlung und/oder mit festen Übersetzungsstufen, sowie zur Drehzahlsteuerung und Drehmomentsteuerung des Motors (M) und der Abtriebswelle (51), führt.
Stufenloses Fahr- und Anfahrgetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein E-Boost-Schalter für eine elektrische Unterstützung als zusätzliches Bedienungselement vorhanden ist, welches bei drehendem Motor (M), wahlweise – im stillstehenden oder im fahrenden Fahrzeug, zum Antreiben, wahlweise – mit der E-Maschine (15) und/oder mit der E-Maschine (16), – in allen stufenlosen Bereichen des Getriebes und bei allen geschalteten Fix-Gängen und Direkt-Gängen, elektrische Leistung aus der Batterie (51) zur Unterstützung des Antriebs einsetzt.
Stufenloses Fahr- und Anfahrgetriebe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Start-Stopp-Schalter als zusätzliches Bedienungselement vorhanden ist, welches bewirkt, dass – bei still stehendem Fahrzeug und still stehendem Motor (M), mit einem geschalteten Fix-Gang, gleichzeitig – mit den beiden E-Maschinen (15), (16) der Motor (M) gestartet und das Fahrzeug beschleunigt werden kann, wobei – der gestartete Motor (M) mit eigener Leistung den Antrieb (51) sofort unterstützen und/oder ganz übernehmen kann.
Stufenloses Fahr- und Anfahrgetriebe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Bedienungselement zur Richtungsvorwahl vorwärts/rückwärts vorhanden ist, mit welchem – der Aktive Stillstand mit einem Split-Torque-Bereich zum Vorwärts-Anfahren mit Hilfe der Kupplung (4) und des Variators (7) in Over-drive-Stellung, – der aktive Stillstand mit einem Split-Torque-Bereich zum Rückwärts-Anfahren mit Hilfe der Bremse (35) und des Variators (7) in Under-drive-Stellung, geschaltet wird, und – auf das Signal des Fahrers zum Richtungswechsel von vorwärts zu rückwärts Fahren, wahlweise – beim Stillstand des Fahrzeugs, mit Hilfe der Antriebssteuerung (9), wahlweise gleichzeitig, – das Summenglied des Getriebes (10) mit der Bremse (35) gestoppt, – die Kupplung (4) gelöst, – der Variator (7) von Overdrive zu Underdrive verstellt wird, und – dieser Ablauf beim Richtungswechsel von rückwärts zu vorwärts Fahren im umgekehrten Sinn durchgeführt wird.
Stufenloses Fahr- und Anfahrgetriebe nach Anspruch 15 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass – ein EV-Schalter für rein elektrisches Fahren als zusätzliches Bedienungselement vorhanden ist, welcher bewirkt, dass – bei still stehendem Motor (M) und, bei wahlweise – still stehendem Fahrzeug, und mit wahlweise – geschlossener Kupplung (4) oder Kupplung (25) oder Bremse (35), das Fahrzeug mit elektrischer Leistung aus der Batterie (50), wahlweise – mit rückwärts drehender E-Maschine (16) vorwärts beschleunigt, oder – mit vorwärts drehender E-Maschine (16) rückwärts beschleunigt, und dabei – das Drehmoment von den Getrieben (10) und (20) verstärkt wird.