WO2010066059A2 - Hybridfähiges anfahr- und fahrgetriebe - Google Patents

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WO2010066059A2
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Definitions

  • the present invention relates to a hybrid-compatible, continuously variable transmission with integrated starting converter, in particular for motor vehicles with an internal combustion engine as the primary power source and an electric battery.
  • a transmission consists of a planetary gearbox for branching and merging power streams, at least one stage Gearbox, two converter elements or clutches, a continuously variable transmission (variator or continuously variable transmission CVT, hydrostatic transmission, toroidal transmission) and two electric machines as a generator and starter.
  • an electric motor 22 alone takes over until the shortest variator ratio can be engaged like a first gear.
  • the engine can deliver power both with a generator via the electric motor 22 and a summing gear to the output, as well as the mechanical variator 14. It changes the electric motor of the single drive to parallel variator support, what as a so-called enhancement Reduction of variator performance is called.
  • the required electrical power comes either from the battery or from the engine. With strong engines and in fast vehicles, the use of this transmission is not possible because the conversion range of common variators is not sufficient to accelerate with great performance without the so-called polygon effect from standstill to maximum speed. As a polygon effect, unauthorized vibrations become high Speeds in the traction means (link chain, push belt) referred to.
  • the font (D2) uses the well-known Split Torque Geared Neutral (STGN) concept with two connected variator sections and suggests an improvement in creep forward and backward, ie at vehicle standstill and in the range of minimum speeds.
  • STGN Split Torque Geared Neutral
  • a targeted override with the aid of a grinding, controlled clutch completely or partially breaks the flow of the drive power in the STGN system. With a mechanical fast separation between power transmission and power interruption, vibrations in the drive train between engine and output are to be prevented and unwanted accelerations avoided.
  • controlled clutch in the font (D2) is related to the principle and mode of use of a frictional clutch. Controlled to use such couplings corresponds to their task.
  • insert described in claim 1 of (D2) is clearly different from the application proposed in the present invention.
  • a controlled clutch is expressly used to crawl a vehicle. This is achieved with a very small clutch torque, which is connected downstream of the converted drive and can specifically reduce it. This process is not competed by a start-enhancement described later, since in principle other controlled clutches cause an effect that is not creep according to the invention.
  • the controlled clutch in embodiments (D2) is serial and subtractive, controlled clutches in the present invention operate in parallel and additively.
  • the document (D3) describes a transmission concept in which a branch with powershift transmission stages and a variable branch with hydrostatic power conversion are combined in a planetary gear to sum branch on the vehicle drive.
  • the goal This concept of using the engine power with a stepless drive is achieved with a dual-clutch transmission. Especially in work machines, a high tightening force plays a central role. A sufficient dimensioning of the hydrostatic converter is required for the maximum drive torque when moving forward and backward, which is why it can not be reduced.
  • the concept of (D3) is limited to variators that allow reversal of the sense of rotation. Hydrostatic or electric variators, which can continuously change the direction of rotation, usually achieve a reduced efficiency. Despite various gears, operating points lacking in mechanical translation efficiency are lacking.
  • the portion of the stepless converter power is reduced with a multi-unit power split in favor of a direct mechanical gear train, so that the overall transmission can work efficiently even with partial load with long gear ratios.
  • the power of stepless transducer elements in comparison to the engine power can be reduced.
  • a multiple use of common mechanical, electrical and / or hydraulic stepless transducer elements of the total change range is extended. If necessary, a single transducer element with power from other transducer elements z. B. mechanically or electrically or hydraulically supported. If stepless areas overlap with activated transducer elements or couplings, the common transducer elements are used as mechanical gears, so-called fixed gears.
  • multiple direct gearshifts each with a freely dimensionable gearbox for variator bridging, can be used between the fixed gears. Continuous losses can be reduced and avoided with these fixed gear stages, which are permanently installed in the overall conversion range.
  • a so-called multi-torque transmission can additionally increase the variator effect in all converter ranges.
  • Fig. 2 shows a first, the transmission-1 of Fig. 1 corresponding
  • FIG. 3 shows a second embodiment of an inventive
  • Fig. 4 shows a second, the transmission-2 of Fig. 3 corresponding
  • FIG. 5 shows a third embodiment of an inventive
  • FIG. 6 shows a third, parallel to the transmission-3 of FIG. 5 shaft diagram in parallel
  • Fig. 7 shows a first, the transmission-3 of Fig. 5 corresponding
  • FIG. 8 shows a first transmission 2 in a coaxial design
  • FIG. 9 shows a second transmission 3 in a coaxial design
  • FIG. 10 shows a fourth embodiment of an inventive device
  • Fig. 12 is a third gear-10 in coaxial design
  • Fig. 13 a second, the transmission-2 in coaxial design of
  • FIG. 8 corresponding circuit diagram Fig. 14 shows a fifth embodiment of an inventive
  • a motor M drives a split-torque shaft 6 or an intermediate shaft 5.
  • a first gear 3 fixed on the split torque Shaft 6 is mounted, meshes with a second gear 2, which is fixedly mounted on the intermediate shaft 5.
  • a mechanical variator 7 with traction means or an otherwise suitable CVT mechanical continuously variable transmission, possibly a hydraulic gearbox or a toroidal variator
  • CVT hydraulic continuously variable transmission, possibly a hydraulic gearbox or a toroidal variator
  • the output shaft 51 is connected to a member of a split-torque transmission 10 and opens behind the electric motor 16 in an axle differential (not shown).
  • a third gear 12 which meshes with a fourth gear 13, which is connected to the summing member of the split-torque transmission 10.
  • This gearwheel 12 can be operatively connected to a first converter element 4, to a toothed clutch synchronously and without load, or to a friction clutch with the split-torque shaft 6.
  • a gear transmission 12/13 and the first transducer element 4 may also be designed as a manual transmission.
  • This can be designed as a toothed clutch, which is connected at the same speed to split-torque shaft 6 and the fifth gear 26, as a controlled clutch or as a manual 26/27 ,
  • the battery 50 in FIG. 1 may be boosted beyond its use for on-board power and the start of the engine M, for use with an automatic start-stop system and / or for electric drive operation. It can be designed as a supercapacitor, as an electric storage or as a combination thereof.
  • Sensors are not included in the figures to keep them readable. Sensors are located everywhere where operating parameters in the drive control 9 are to be processed to secure transmission ranges, shift and effect more favorable adjustments. Such sensors measure rotational speeds and torques of the motor M on the split-torque shaft 6, the converter on the variator shaft 8, the output on the output shaft 51 proportional to the vehicle speed, states and mode of action of the transducer elements and the vehicle brakes, electrical power in the E-machines 15, 16, charging and discharging currents and the state of charge of the battery 50, operating temperatures of the motor M, the transmission, the electric motors 15, 16.
  • Operating means are an accelerator pedal, a brake pedal, a directional choice forward or reverse, a parking brake.
  • the type of operation can be determined, such as "normal” for mechanical operation without battery support, "H” for start-stop operation with engine and battery support, "EV” for purely electric driving without rotating motor M.
  • the output signals of this Controls are transmitted to the drive controller 9 and processed with software, taking into account specific parameters, such as efficiency maps of the drive sources motor M, E-machines 15 and 16, strategies for battery charging and discharging.
  • Other control levels include strategies and algorithms to optimize the overall efficiency in the transmission and the integration of third-party data in compliance with specified transmission work areas.
  • the transmission 1 described is illustrated with the integration of further converter elements in the known split-torque-geared neutral method (STGN).
  • STGN split-torque-geared neutral method
  • the motor M rotates and supplies its power to the split-torque shaft 6.
  • the first converter element 4 is closed and thus connects the split-torque shaft 6 to the summing element of the split-torque transmission 10
  • the split-torque shaft 6 is connected via the first gear transmission 3/2, the intermediate shaft 5, the variator 7, via the variator shaft 8 with a second input, the first summand member of the split-torque transmission 10.
  • the output shaft 51, with the conversion of the variator 7 is a continuous rotation of forward - about the standstill - to the rear with a corresponding torque.
  • Active Standstill Green-Neutral
  • Parallel to the torque conversion with a first, mechanical stepless converter element variator 7, according to the invention can additionally with a second, electrical stepless converter element additional engine power to be transmitted, which happens here from the first electric motor 15 on the split-torque shaft 6 to the second electric motor 16 on the output shaft 51.
  • This type of conversion is referred to below as e-conversion.
  • Further converter elements can transmit even more power to the output shaft 51, which is particularly important when starting up.
  • STGN split-torque-geared-neutral method
  • the variator 7 is for this purpose a control performance as a product of control speed times control torque, which determines the power from the direct drive of the split-torque shaft 6 in the split-torque transmission 10. Motor power, which is not converted by the variator 7 with control power, remains unused in principle. Parallel to the increasing transmission ratio or increasing vehicle speed and the torque capacity increases in the variator 7 and reaches its maximum in the synchronization point B, ie in the shortest variator Ünderdrive. The potential of STGN gearbox variator is above the engine power in the Start-Split-1 range and then remains unused.
  • the two electric machines 15, 16 can convert part of the engine power with an E conversion in the variator bypass to additional torque on the output shaft 51.
  • the two electric motors 15, 16 have their highest torque and thus can ideally compensate for the described inverse torque characteristic of the traction means variator 7 in the start split-1 in Fig. 2 and together with the output torques of variator 7 convert a higher engine power. Thanks to the easy adjustability of the electric motors 15, 16 can also be achieved with the help of the drive control 9 with and without battery power a start-up characteristic that exceeds even the high standard of hydro converters thanks to more efficient minimum speeds.
  • a further part of the engine power can be used for additional drive.
  • the split-torque transmission 10 introduces a part of the engine power directly from the split-torque shaft 6 into the output shaft 51.
  • the e-machines 15, 16 can always be operated with additional power from the battery 50 and thus support the drive of the motor M and recuperate, except during a maximum power conversion in the start-split-1, where an additional power requirement is hardly given.
  • the engine M In a stationary vehicle, the engine M can stand still.
  • the vehicle When pressure is applied to the control element corresponding to the accelerator pedal, the vehicle immediately starts to move electrically in accordance with the invention.
  • the transducer elements 4, 14, 25 are open and allow the gear 12/13 and 26/27 a Unhindered turning on the summator of the split-torque transmission 10. If the motor M does not rotate, the shafts 5, 6, 8 and the variator 7 stand still.
  • the first electric motor 15 acts as a starter on the motor M via the split-torque shaft 6.
  • the motor is thus started parallel to the electric drive, turns up and acts immediately on its own ,
  • the first electric motor 15 can change from the electric motor to the electric generator and convert additional power of the internal combustion engine M.
  • the speed of the motor M is only smaller than the speed of the output shaft 51.
  • the merger with the transmission by activated transducer elements takes place in a higher translation, z. In the area of full-drive-1.
  • the drive control 9 can continuously regulate the transmission ratio of the variator 7 in favor of a mechanical connection between the split-torque shaft 6 and the output shaft 51 and jam-free the split-torque transmission 10 with the conversion element 14 without dome losses.
  • the full engine power then flows mechanically through the variator 7.
  • the gear ratio can be further changed, the electric motors 15, 16 can run empty or be operated with power from the battery 50.
  • Another way to start consists of a start with both electric motors 15, 16 at the same time.
  • the second electric machine 16 drives the output shaft 51, while the first electric motor 15 starts with closed converter elements 4 and 14, ie in the fixed gear 1, with blocked split-torque transmission 10, the motor M.
  • the variator 7 rotates without drive or control power.
  • Fix-Gang 1-Start the engine immediately gives off its own power and also supports the powertrain with the fixedly connected shafts 6 and 51 at very low speeds.
  • the Fix-Gear 1 can be used in a 2nd gear in a conventional multi-step transmission correspond.
  • the fixed gear 1 can leave, changed to the area Start-Split-1 and be driven with selectable increasing engine power.
  • a reduced pulley pressure level is sufficient, since only a reduced variator input torque has to be converted here with the highest performance of the torque multiplication with variator 7.
  • the fix gear 1-start allowed to start with a relatively small electric battery 50 and two minimal-sized electric machines 15, 16 at the same time, without previously keeping the engine M in idle ready. With the switched Fix gear 2 can be approached accordingly.
  • the split-torque transmission 10 can be dynamically coupled to the transducer element 14, i. H. starting before reaching the synchronous speed of variator shaft 8 and output shaft 51. In this process, the variator 7 is effectively overhauled and thus running load-free.
  • the drive control 9 can adapt the engine speed and drive it extended with the switched fixed gear 1. In the synchronization point B or after driving with the fixed gear 1, the direction of the power flow in the variator 7 changes.
  • the Variator 7 basically provides the entire transmission of the engine power.
  • the increased load without the split-torque mode can be reduced by an electric enhancement in the variator-ünderdrive.
  • the two electric machines 15, 16 can reduce the occurring variator load by converting drive power in the bypass, parallel to the variator 7.
  • the two electric motors 15, 16 can be temporarily overloaded.
  • An inferior electrical efficiency compared to mechanical variator conversion can be compensated by power from the battery.
  • Driving in variator-ünderdrive des The Full-Drive-1 range can be shortened by lowering the engine speed and at the same time shifting the gear ratio faster towards overdrive, which can also be compensated for by battery power.
  • the converter elements 4, 25 are opened, the second converter element 14 is closed, so that, without the power with an electric enhancement, the entire motor power flows through the variator 7. With a complete adjustment of the variator 7, the second synchronization point in Cl is reached. If the split-torque shaft 6 runs synchronously with the gear 26, which meshes with the gear 27, which in turn is driven by the split-torque transmission 10, the third converter lerelement 25 can be closed dynamically frictionally or synchronously load-free. After reaching the second fixed gear stage, here called fixed gear 2, the second split torque converter element 14 can be opened again and the overdrive split 1 can be used as a second split torque range.
  • the losses drop to the minimum of the three stepless ranges reverse-split-l / start-split-1, full-drive-1, overdrive-split-1.
  • the range Overdrive-Split-1 is the larger, the smaller the factor K is selected in the split-torque transmission 9, analogous to the range Reverse-Split-1 as a backward extension of the range Start-Split-1.
  • the drive control 9 also controls the drive during a so-called high-speed enhancement beyond the synchronization point C1 when changing into the overdrive split 1 range of the transmission.
  • Fix Gear 2 there is a second efficiency maximum with a fixed transmission ratio, thanks to another variator override.
  • the goal of a very long overdrive split-1 ratio is the maximum reduction in engine speed to avoid partial load losses.
  • the engine output can efficiently cover basic loads such as driving resistance at urban speeds, electrical on-board consumption, etc. directly from idling speed.
  • a load point increase is avoided, ie the artificial engine load with higher torque for power generation.
  • Only short-term changes in the driving resistance, e.g. Changes in the topography or small accelerations are covered by additional power from the battery 50, so that motor M and variator 7 do not have to constantly commute through their operating ranges.
  • smaller powers of motor M and battery 50 may also be combined as needed, with minimum dimensions of E-machines 15, 16 and battery 50. Battery 50 provides peak performance while basic power is more efficiently produced by motor M.
  • the drive controller 9 optimizes the operating conditions with a selection of engine / transmission / battery combinations.
  • Freely selectable optional direct gears can bridge the Variator 7 with fixed gear ratios. They consist of an eleventh gear 42 which is fixedly connected to the split-torque shaft 6 and a twelfth gear 43, which is connectable by means of a sixth transducer element 44 with the variator 8.
  • a direct transmission is controlled when it reaches one of its fixed ratio ratios with the transducer element 44 engaged or switched synchronously load-free. Thanks to the sequence of several variator areas in the overall gearbox, a direct gearbox in gearbox 1 can be used several times. Through an opening of the direct transmission 42/43 in the twelfth gear 43 and the placement of an additional planetary gear, a so-called multi-torque gear 49 and a supplement of the variator shaft 8 with another variator shaft 8A variator performance can be reduced or the motor drive power can be further increased.
  • the multi-torque transmission 49 is used as a summation gear, which adds power from the split-torque shaft 6 and power from the variator shaft 8 to the other variator shaft 8A and the torque of the variator 7, in relation to Gear factor K of the multi-torque transmission 49, multiplied.
  • the motor power lies above the power ranges of the stepless converter elements Varator 7 and E conversion with electric motors 15, 16,
  • the transmission power can be raised, an extended mechanical reverse area can be represented with high torque and the proportion of electrical power can be reduced.
  • the electro-hybrid region with a traction battery 50 remains freely selectable, as well as the options with direct transmissions 42/43 and with a multi-torque transmission 49.
  • the power-multiplication gear 20 combines powers from the fixed split-torque shaft 6 and the variable planetary shaft 11 to the output shaft 51. In order to continue to be able to start from the active standstill, it takes on one of the Summandenglieder the power-multiplication gear 20, a rotational movement in the negative direction. This is achieved with the installation of a transmission-1 of Fig. 1, which brings a continuous range of change from reverse to forward.
  • gearbox 1 of FIG. 1 to achieve the geared neutral point, the variator 7 -change range R must be selected larger than the split-torque gearbox factor K, i. R> K.
  • the power of engine M lies in gearbox 2 in the primary
  • the power multiplication transmission 20 with a first summand element is integral with the split-torque shaft 6 and with a second summand element, via a third step transmission 22/23 and a planetary shaft 11 a summand member of the split-torque transmission 10 connected.
  • the second gearbox-2 with the power-multiplication gearbox 20, all continuous powers of the planetary shaft 11 known as the output shaft 51 from the first embodiment gear-1 are combined with the direct power from the split-torque shaft 6, which is called power multiplication.
  • the areas known from FIG. 1, reverse split 1 / start split 1, foot drive 1, overdrive split 1, are produced by the combination of a transmission 1 according to FIG.
  • the shaft diagram for the transmission 2 according to FIG. 4 represents the relative rotational speeds. Transmission conversion, with double lines at the respective values zero.
  • the start-split-2 area is switched on for forward driving.
  • the variator 7 rotates in its maximum overdrive position, the split-torque shaft 6 is connected via the first transducer element 4 with the split-torque transmission 10, the transducer elements 14, 25 are open.
  • the variator 7 is adjusted in the direction of its ünderdrive.
  • the vehicle can be additionally accelerated with an e-conversion between the e-machines 15 and 16 in order to compensate for the lower overdrive torques when starting up with variator 7.
  • maximum acceleration can be achieved.
  • the converter element 4 is opened and the variator 7 is adjusted to overdrive with a variator inversion of overdrive.
  • the second gear 12/13 or the fourth gear 26/27 or the summation element of the split torque transmission 10 with the inversion brake 35 is completely stopped and held.
  • the vehicle can be braked with the help of vehicle brakes.
  • the variator 7 is adjusted in the direction of its overdrive, which accelerates the variator shaft 8. This movement is reversed by the stopped sum element in the split-torque transmission 10.
  • backward E-conversion and controlled coupling with the sixth transducer element 44 may occur.
  • the area of reverse split 2 differs only with the zero speed of the summation element of split torque transmission 10 from the other split areas in FIG. 2 and FIG. 3.
  • the performance is also with stopped split torque transmission 10 multiplied by the variator shaft 8 on the planetary shaft 11 corresponding to the factor K of the split-torque transmission 10 and converted in the sense of rotation.
  • the power supplied to the summing element is zero here.
  • the inversion in the split-torque transmission 10 satisfies the energy conservation with the reverse rotation of the planetary shaft 11.
  • Advantageously in reverse split 2 is the high-torque variator ünderdrive directly at the geared neutral point.
  • both summand elements of the power-multiplication gear 20 are driven by the same split-torque shaft 6.
  • the summand terms of the power-multiplication gear 20 must be driven by torques corresponding to the planetary gear factors [KI] and [1].
  • the effect of E-conversion and controlled clutches is amplified or multiplied by the power multiplication in the planetary gear 20.
  • the power-multiplication gear 20 functions as a mechanical element that reduces the proportion of power of stepless converter elements, such as the variator 7, E-conversion, in relation to the total transmission power.
  • the term power multiplication transmission thus refers to the increase of the specific power of the stepless converter elements, which often occur as limiting factors in continuously variable transmissions.
  • the power-multiplication gear 20 acts as a speed reduction stage, for example, before an axle differential.
  • the variator 7 torque increases less in the underdrive of the full-drive-2 range compared to the overdrive.
  • the technically given higher power potential of the traction means variator 7 in its overdrive range is used in the transmission 2 with a so-called. Torque enhancement to increase the transmission power.
  • the overall performance in the transmission-2 without reinforcement of individual transmission components can be further increased.
  • the relative power of the two electric machines 15, 16 can be further reduced.
  • the battery 50 can drive the vehicle alone, provided that the electric motor 16 is mounted on the planetary shaft 11.
  • the power-multiplication gear 20 acts as a standstill gear with a factor that increases together with the translation of the third gear 22/23, the starting torque.
  • the direct clutch 44 can be engaged or the electric motor 15 can act with a torque as a brake or as a dynamic control of the standstill of the split-torque shaft 6.
  • the engine M can be started with the first electric motor 15.
  • the drive control 9 regulates the ratio in the power multiplication gear 20 with the position of the variator 7, a combination of transducer elements 4 or 14 or 25 or 44 and the rotational speeds of the two electric machines 15, 16 and the motor M to a smooth transmission - merger.
  • the variator 7 only rotates without power transfer, driven by the intermediate shaft 5 and the variator shaft 8 on both sides.
  • the merger can take place with open converter elements 4, 14, 25, 44 and an activated adjustment of the variator 7, for example in the translation area Full-Drive-2.
  • the split-torque transducer element 14 can be closed dynamically, whereby the overall transmission is operated and controlled mechanically via the variator 7.
  • the two E-machines 15, 16 can be moved back or operated for support.
  • both electric motors 15, 16 can be started with blocked split-torque transmission 10 and switched converter element 4 or 25, in the fixed gear 1 or fixed gear 2, without support by the variator 7. As soon as the engine delivers power or the oil pressure in the variator 7 is built up, it is possible to steplessly steer. A longer compared to the translation with stepless conversion, the two electric motors 15, 16 compensate for the highest torque when starting.
  • the transducer elements 4 and 14 can be engaged, optionally with the position of the variator 7 for the translation of the Active Standstill in “Normal” or to the translation of the fix gear 1 in “hybrid".
  • the third converter element 25 can be engaged as a toothed clutch or optionally the fourth transmission 26/27 can be switched on as a manual transmission.
  • the switching between "normal”, “hybrid”, “EV” can be carried out with the aid of the transducer elements 4, 14, 25, 35, 44, the electric motors 15, 16 and the adjustment of the variator 7 during startup.
  • stepless transmission ranges can also be driven in efficient, fixed gears.
  • six converter elements gearbox, clutches, brake
  • five-step gearbox three planetary gearbox
  • two electric motors for engine Start and e-conversion and a common mechanical traction device variator.
  • the gearbox 3 thus covers the entire power and conversion ranges, both stepless and stepped.
  • the torques occurring split usually run on several parallel gear pairs and are brought together again in the epicyclic gear of a power-multiplication transmission 20.
  • the variator override has six direct gears distributed in the conversion area controlled or synchronized.
  • a multi-torque transmission 49 may additionally be used to enhance variator performance.
  • a further torque multiplication factor K in the inverter gear 30 can be selected.
  • the e-machine 16 is attached to the planetary shaft 11 or to the inverter shaft 31.
  • the electric range with the electric motors 15 and 16 and battery 50 can also be omitted completely, without loss of power in the forward range. Only when reversing the variator torque transmission is slightly reduced.
  • the geared neutral point of the gearbox 1 can be used as an additional pivot point for the conversion of the variator 7 in the area of start-split-3. If an end point of the variator 7 adjustment is placed here, the factor of torque multiplication from the planet shaft 11 to the inverter shaft 31 can be used with the inverter gear 30 in addition to the rotation change.
  • the area of the overdrive split 2 according to FIG. 4 is also expanded with the inverter transmission 30 where the maximum efficiency of all continuously variable transmission ranges lies.
  • gearbox 3 directly at the geared neutral point A2
  • the fixed gear X in the fixed gear X, the highest mechanical torque is infinitely variable as output.
  • the gear-3 with its fixed gear X converts power with very high torques without interruption at standstill continuously flowing between the directions of movement forward and backward.
  • the output can be dynamically stopped in gear-3 with rotating motor M and switched with the paradoxical fixed gear X as geared neutral and stopped - with output speed zero without power requirement and at the same time with the highest torque potential ready for drive.
  • Variator Enhancement exploits the increasing variator performance with decreasing variator range.
  • gearbox 3 the same variator with a small variator range R (eg R ⁇ 3) according to FIG. 6 is used six times in succession.
  • the variator performance can be additionally increased with a double traction device.
  • FuIl variator ranges with variator adjustments from ünderdrive to overdrive
  • split-torque ranges with variator adjustments from overdrive to overdrive
  • the combination of planetary gearboxes for speed reduction / torque increase / rotation reversal and for overdrive magnification, as well as with the power multiplication ensures that the stepless converter elements can convert engine power over the entire transmission range, which exceeds their transformer performance several times.
  • the drive control 9 cross-links the variator 7 by means of transducer elements 4, 14, 34, 35, 36, 44, 45 mechanically with the step gears 12/13, 22/23, 32/33, 42/43, as well as planetary gears 10, 20, 30, 49, to a combined method of split-torque and power-multiplication.
  • the six complete variator adjustments in the transmission 3 are shown in FIG. 6 and FIG. 7 with reverse split 3, start split low 3, start split high 3, full drive 3, overdrive. Split-Low-3, Overdrive-Split-High-3.
  • the five fixed gears the fixed gear X and the fixed gears 1, 2, 3, 4.
  • a sixth gear Max-3 as a special gear to Maximum gear ratio at C3, and a seventh gear Speed-3 as maximum speed gear at Cl, allow fixed translations without variator participation and without limitation by the polygon effect.
  • the fixed gear X can provide a standstill gear with parking position. All fix gears are switched by three activated clutches each. With the opening of one of these clutches of the variator 7 is released and can make a stepless change in the direction of the next fix gear out.
  • second and fourth transducer elements 14, 34 For short fixed gears with greater switching and alternating dynamics controlled clutches can be used as second and fourth transducer elements 14, 34, which simplify the switching operations with overrides of the variator 7.
  • the split-torque converter element 14 or the inverter converter element 34 can be frictionally activated and released without delay in each fixed gear.
  • At least one of the second and fourth transducer elements 14, 34 acts in four of six regions with stepless conversion.
  • the inversion brake 35 can act as a further frictionally engaged element during startup.
  • the variator 7 with its contact pressure disks can act as a frictionally engaged safety element.
  • Direct passages bridge the stepless converter elements with switchable converter elements.
  • the variator 7 act with direct gears the same frictional transducer elements 14, 34 and the brake 35 as securing elements.
  • a first circuit diagram in Fig. 7 shows an overview of the variator ranges and gears with the activated transducer elements. Fixed gears are switched by the activated transducer elements from adjacent stepless areas. With the release of a corresponding transducer element, the stepless transducer elements are freed in an adjustment direction and take over and control the transducer performance.
  • the special speed-3 gear is switched with an alternative combination, the special gear max-3 with shift jump, traction interruption and bridging with an e-conversion, that split-torque transmission 10 and variator 7 can rotate detached.
  • transmission and variator 7 in addition to the fixed gear X, optionally the inverter gear 30 and / or the direct gear 42/43 can be engaged in the split-torque shaft 6.
  • transducer element 36 or 44 can be switched at standstill with the assistance of the electric motors 15, 16.
  • the transmission-10 is running with an electric stepless converter element, to which the electric motor 16 is mounted on the variator shaft 8.
  • the transmission 10 is suitable with appropriate battery power, especially for hybrid vehicles.
  • the transmission-10 takes advantage of the high torque capacity of the electric motors 15, 16 at startup and thanks to its wide speed range can do without a specific reverse range, which eliminates the inversion brake 35.
  • the electric motor 16 may be accelerated at the geared neutral point rather than being braked as for forward driving.
  • the transmission 10 according to FIG. 10 is described with a multi-torque transmission 49 which can be used for further torque amplification.
  • the power flows from the rotating motor M via the split-torque shaft 6 into the power multiplication Transmission 20, where the power split or returned via the third gear 22/23 and the planetary shaft 11 to the split-torque transmission 10 and further converted.
  • the split-torque transmission 10 can be connected to the first torque converter element 4 and the second transmission 12/13 and to the third torque converter 25 and the fourth transmission 26/27 to the split-torque shaft 6.
  • the further variator shaft 8A leads to the summing member of the multi-torque transmission 49, which in turn has a summand member via the sixth transmission 42/43 with the split-torque shaft 6, with a second Summand member is connected via the variator shaft 8 to the second electric motor 16.
  • the electric machine 16 can rotate through its entire forward and reverse rotation range without limitation by a minimum ratio. Smaller torques are combined with a larger range of transducers and reinforced with the multi-torque gearbox 49.
  • the second electric motor 16 is used as a generator and, after transition to the original range of rotation, as an electric drive. Between fixed gear 1 and fixed gear 2, the direct gear 2 can be engaged via the seventh clutch 45, the two electric motors 15, 16 completely relieved with a bypass. In addition, the engine speed can be reduced with the drive control 9, with power compensates the battery 50, the gear change direction overdrive changed and the fixed gear 2 can be reached faster.
  • the fixed gear 2 is turned on with the third converter element 25.
  • the overdrive split-10 range can be traversed with the e-conversion, optionally interrupted by the direct gear 3 with the seventh transducer element 45. In the longest overdrive, there is an efficiency maximum with the e-conversion. because here the electrical power is zero. In the transmission 10, the reverse and overdrive split 10 areas are limited solely by the maximum speed of the second electric machine 16.
  • the gear-10 can be approached dynamically pure electric one behind the other, thanks to several split-torque methods.
  • the torque of the low-speed second electric machine 16 can be further increased by overloading at startup.
  • a transmission 10 with a direct transmission and a multi-torque transmission 49 allows eight solid forward gears with five shift elements. In all areas and fixed aisles, the electric machines 15, 16 feed or branch off electrical power.
  • Torque transmission 10 act as a stationary transmission at engine standstill. This can be used in the areas of Start-Split-10, Overdrive-Split-10 or Full-Drive-10.
  • the first electric motor 15 can start the engine M if necessary, which then supports the drive with its power via the multi-torque transmission 49, the power-multiplication transmission 20 and optionally the split-torque transmission 10.
  • the drive control 9 can be used to optimize the Drive the gear ratio or the rotational speeds of the two electric motors 15, 16, z. B. in the direction of underdrive or overdrive to be able to drive more efficiently with fixed gears or direct gears. Analogously, with the second electric machine 16 with reversed directions of rotation can also be approached and driven electrically in the area Reverse-10.
  • the transmission-20 in the coaxial version represents a simplified transmission-10 in coaxial version according to FIG. 12 with a mechanical stepless converter element variator 7, without e-conversion and battery 50, as a starting and driving gear without overdrive area and can optionally be operated with reverse range.
  • Mechanical transmission 20 can be used, for example, as a continuously variable racing car transmission with three gears.
  • an electric transmission 20 may be operated with the first and second electric machines 15, 16, without variator 7, third transmission 22/23 and intermediate shaft 5.
  • This transmission 20 can z. B. as a marine propulsion with dynamic clutch backward and three-stage forward and in addition to the on-board power production with two electric motors 15, 16 are used.
  • Transmission 20 are used with the first, second and seventh transducer elements 4, 14, 45 as controlled clutches, gear clutches or gearbox.
  • Each two converter elements switch a gear, so the transducer elements 4 and 45, a first stage, the transducer elements 4 and 14, a second stage, the transducer elements 14 and 45, a third stage for direct connection of split-torque shaft 6 and output shaft 51.
  • a multi-torque transmission 49 can be used.
  • gear-1, gear-2, gear-3, gear-10 and gear-20 can be arranged on both main shafts as so-called.
  • Parallel version as well as on a main shaft as so-called.
  • Coaxial version In the previous versions, all gearbox variants, except the gear-20, have been described as parallel versions. Because all functions of the parallel versions are retained in the coaxial versions, only special features of the coaxial versions are explicitly emphasized.
  • the split-torque shaft 6 In the coaxial versions of the motor drive M and the transmission 10, 20, 30, 49 are on the split-torque shaft 6, optionally also a combination-stage transmission 40, formed from the second and fourth gears 12/13, 26th / 27 with the first and third transducer elements 4, 25 and the inversion brake 35. Planetary gears are straight with high power, low speeds and high torque first choice.
  • the split-torque shaft 6 leads as a continuous drive shaft from the motor M to the power-multiplication gearbox 20.
  • the intermediate shaft 5 can be used to translate the converter torques of the variator 7 and / or the electric machines 15, 16 serve to a different speed level.
  • the variator shaft 8 is connected to the split-torque transmission 10 via the third gearbox 22/23 which has been placed over, optionally a multi-torque gearbox 49 and the further variator shaft 8A.
  • the seventh transducer element 45 can be arranged so that direct gears are switchable.
  • the sixth gear can be omitted 42/43 or be used with the sixth transducer element 44 as another direct transmission.
  • the variator 7, as well as the two electric machines 15, 16 are freely accessible at two shaft ends, but with the possibility of electric driving with the second electric machine 16 is omitted.
  • the brake 35 can be placed by the summing member of the split-torque transmission 10 as a brake in the planetary gear 40, which allows all functions of the separate step transmission, even if the switching elements are used here in a different order ,
  • First transmission-2 in a coaxial design according to FIG. 8 In the transmission 2, the motor M and the three planetary gears Multi-step transmission 40, split-torque transmission 10 and power-multiplication transmission 20 lie on the split in this order -Torque- wave 6.
  • the planetary shaft 11 is a compound of split-torque transmission 10 and power-multiplication gear 20, a common ring element of these two gearbox on which the second electric machine 16 can rotate.
  • At the summing member of the split-torque transmission 10 three gear stages can be switched with the combination-stage gear 40, namely a standstill, which is activated by the action of the brake 35 and converter element 25, a first stage, the activated by the transducer element.
  • Second coaxial gearbox-3 of FIG. 9 In coaxial gearbox-3, the motor M and the three planetary gear split-torque gear 10, inverter gear-30 and power-multiplication gear 20 lie on the split in this order Torque shaft 6.
  • the electric machine 16 may also be mounted on the planetary shaft 11.
  • the inversion brake 35 can act directly on the summation of the inverter gear 30 or the ninth gear 32 of the fifth gear 32/33.
  • the sixth and seventh transducer elements 44, 45 in the sixth gear 42/43 and in the multi-torque gear 49 can each switch six direct gears.
  • Third gear-10 in coaxial embodiment of FIG. 12 In the coaxial gear-10 are motor M and the three planetary gear multi-stage gear 40, split-torque gear 10, power-multiplication gear 20 in this order on the Split-Torque-Welle 6.
  • a sixth transducer element 44 in the sixth gear 42/43 and a seventh transducer element 45 can each switch three direct gears.
  • the seventh transducer element 45 in the coaxial version can switch another direct transmission.
  • the drive control 9 controls the variator 7 in the variator overdrive position and the first converter element 4 and inversion brake 35 are closed for the geared neutral standstill and the start split 2 area.
  • the direct-gears 6 and 2 can be switched for variator bridging.
  • the fixed gear 1 is reached or already prematurely blocked with the controlled clutch 14.
  • the variator 7 can convert in the full drive 2 range, optionally bridged by the direct gears 3 and 7.
  • the multi-stage transmission 40 can rotate unlocked.
  • the first conversion element 4 is activated in the area of full-Drive-2, can be controlled by coupling the third transducer ⁇ elements 25 of the fix-passage 2 at the end of the variator overdrive maral- tet.
  • the variator can continue the conversion in the region of overdrive split 2, optionally bridged by direct gears 8 and 4.
  • the variator 7 goes into the position variator Underdrive, whereupon the third transducer element 25 and the inversion brake 35 are closed, the multi-stage transmission 40 block at a standstill and the geared neutral standstill Switch on the Reverse-Split-2 section.
  • the vehicle drives backwards, whereby the variator 7 can be bridged in this area by the direct gears 1 and 5.
  • the sixth and seventh transducer elements 44 and 45 are designed as positive toothed clutches or as a manual transmission, with the engine stopped with the simultaneous switching on of two direct gears, the transmission can be locked in parking position.
  • frictional transducer elements 14 and / or 25 and / or 35 may be connected while driving, which are solved without delay when needed.
  • Task of the drive control 9 is the optimization of the overall drive with the help of static and dynamic parameters, as well as the integration of externally controlled Impact requirements, such as signals from operating elements, driving dynamics programs, consumption reduction strategies, GPS data.
  • the generation of power in the engine M can be optimized with data from consumption maps, fuel consumption measurements, speed and torque sensors in the variable transmission.
  • the drive control 9 is designed so that all levels of complexity between an elementary operation of the stepped transmission with traction interruption and friction clutches up to the optimal interaction of efficient, immissionsarmem engine operation without interruption of traction, flowing transitions of stepless ranges and grades, with maximum torque reserve and recuperation in the electrical field , with driving dynamics presets, adaptive control systems, freely selectable can be realized.

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Abstract

Ein hybridfähiges Power-Split-Getriebe mit Geared Neutral wandelt Antriebsleistungen von Motor (M) und Batterie (50) mit Hilfe einer Antriebssteuerung (9) zu vier kontinuierlichen, stufenlosen Übersetzungsbereichen mit integriertem Anfahren vorwärts und rückwärts, sowie zu zehn Getriebegängen mit Variator-Überbrückung. Die Wandlerleistungen von E-Maschinen (15, 16), mechanischem Variator 7 und Steuerbaren Kupplungen werden mit Wandlerelementen (4, 14, 25, 35), Split-Torque-Getriebe (10), Kombi-Stufen-Getriebe (40), Zwischenwelle (5) und Split-Torque-Welle (6) zu einem stufenlosen Mehrbereichs-Antrieb vernetzt. Ein Power-Multiplication-Getriebe (20) summiert variable und direkte Antriebsleistungen einer Planetenwelle (11) und der Split- Torque-Welle (6) zur Abtriebswelle (51) und steigert die Wandlerleistungen für die stufenlose Übertragung von hohen Motorleistungen ohne Zugkraftunterbrechung. Die Antriebssteuerung (9) schaltet und sichert die im Gesamtgetriebe integrierten zwei Fix-Gang-Stufen und acht Direkt-Gänge eines Direkt-Getriebes (42/43) mit den Wandlerelementen (44, 45). Die Batterie (50) und eine E-Wandlung mit zwei E-Maschinen (15, 16) bilden einen uneingeschränkten Hybridantrieb mit integrierter Start-Stopp-Automatik. Das Getriebe ermöglicht, vorwärts und rückwärts, rein-elektrisch Drehmoment-verstärkt und im Geared-Neutral-Verfahren mechanisch- elektrisch kombiniert, mit hohem Drehmoment anzufahren, mit elektrischer Spurtreserve und weitem Übersetzungsbereich effizient zu fahren sowie Bremsenergie zu rekuperieren.

Description

Hybridfähiges Anfahr- und Pahrgetriebe
Die vorliegende Erfindung betrifft ein hybridfähiges, stufenloses Getriebe mit integriertem Anfahrwandler insbesondere für Motorfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor als primärer Leistungsquelle und einer elektrischen Batterie nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Generell besteht ein solches Getriebe aus einem Planetengetriebe zur Verzweigung und Zusammenführung von Leistungsströmen, mindestens einem Stufen-Getriebe, zwei Wandlerelementen oder Kupplungen, einem stufenlosen Getriebe (Variator oder Continously Variable Transmission CVT, Hydrostat- Getriebe, Toroid-Getriebe) und zwei Elektro-Maschinen als Generator und Anlasser.
Solche Antriebe sind mehrere bekannt geworden, so aus US 2006/ 0247 086 Al (Dl), DE 196 31 294 Al (D2) , EP 1 626 206 A2 (D3) , welche zugleich den nächstliegenden Stand der Technik darstellen. Einen weiteren naheliegenden Stand der Technik stellt der Two-Mode Hybrid der Global Hybrid Cooperation dar (27. Internationales Wiener Motorensymposium, 2006, Werbebroschüre (D4)) .
Im Antrieb gemäss (Dl) übernimmt eine E-Maschine 22 allein das Anfahren bis die kürzeste Variator-Übersetzung eingekuppelt werden kann wie ein 1. Gang. Der Motor kann Leistung sowohl mit einem Generator über die E-Maschine 22 und ein Summiergetriebe an den Abtrieb abgeben, als auch über den mechanischen Variator 14. Dabei wechselt die E-Maschine vom Alleinantrieb zu paralleler Variator- Unterstützung, was als sog. Enhancement zur Reduktion der Variator-Leistung bezeichnet wird. Die benötigte elektrische Leistung stammt entweder aus der Batterie oder vom Motor. Mit starken Motoren und in schnellen Fahrzeugen ist der Einsatz dieses Getriebes nicht möglich, weil der Wandelbereich von gängigen Variatoren nicht ausreicht, um mit grosser Leistung ohne den sog. Polygon- Effekt vom Stillstand bis zur Maximalgeschwindigkeit zu beschleunigen. Als Polygoneffekt werden unerlaubte Schwingungen bei hohen Geschwindigkeiten im Zugmittel (Gliederkette, Schubgliederband) bezeichnet. Eine Erhöhung der Leistung mit einer gleichzeitigen Vergrösserung des Wandelbereichs wird mit dem vorliegenden Konzept nur beschränkt erreicht. Die Schrift (D2) greift das bekannte Konzept Split Torque Geared Neutral (STGN) mit zwei verbundenen Variator-Bereichen auf und schlägt eine Verbesserung beim Kriechen vorwärts und rückwärts vor, d. h. beim Fahrzeugstillstand und im Bereich von minimalen Geschwindigkeiten. Durch einen gezielten Override mit Hilfe einer schleifenden, gesteuerten Kupplung wird der Fluss der Antriebsleistung im STGN-System ganz oder teilweise unterbrochen. Mit einer mechanischen Fast-Trennung zwischen Leistungsübertragung und Leistungsunterbrechung sollen Schwingungen im Antriebsstrang zwischen Motor und Abtrieb unterbunden und unerwünschte Beschleuni- gungen vermieden werden.
Dass der Begriff der gesteuerten Kupplung in der Schrift (D2) ebenfalls verwendet wird, hängt mit Prinzip und Einsatzweise einer reibschlüssigen Kupplung zusammen. Solche Kupplungen gesteuert zu verwenden entspricht ihrer Aufgabe. Der im Anspruch 1 von (D2) beschriebene Einsatz hingegen ist eindeutig verschieden von der Anwendung, die in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird. In (D2) wird eine gesteuerte Kupplung ausdrücklich zum Kriechen eines Fahrzeugs eingesetzt. Dies wird mit einem sehr kleinen Kupplungsmoment erreicht, welches dem gewandelten Antrieb nach- geschaltet ist und ihn gezielt reduzieren kann. Dieser Vorgang wird von einem später beschriebenen Start-Enhancement nicht konkurrenziert, da prinzipiell andere gesteuerte Kupplungen einen Effekt bewirken, der erfindungsgemäss nicht Kriechen ist. Die gesteuerte Kupplung in den Ausführungen (D2) wirkt seriell und subtraktiv, gesteuerte Kupplungen in der vorliegenden Erfindung wirken parallel und additiv.
Die Schrift (D3) beschreibt ein Getriebekonzept, bei dem ein Zweig mit lastschaltbaren Getriebestufen und ein variabler Zweig mit hydrostatischer Leistungswandlung in einem Planetengetriebe zum Summenzweig am Fahrzeugantrieb zusammengeführt werden. Das Ziel dieses Konzepts, die Motorleistung mit einem stufenlosen Antrieb zu nutzen, wird mit einem Doppelkupplungsgetriebe erreicht. Insbesondere in Arbeitsmaschinen spielt eine hohe Anzugskraft eine zentrale Rolle. Eine ausreichende Dimensionierung des Hydro- statwandlers ist für das maximale Antriebsmoment beim Anfahren vorwärts und rückwärts erforderlich, weshalb diese nicht reduziert werden kann. Das Konzept von (D3) ist auf Variatoren beschränkt, welche eine Umkehr des Drehsinns erlauben. Hydrostatische oder elektrische Variatoren, die stufenlos die Drehrichtung wechseln können, erreichen meist eine reduzierte Effizienz. Trotz- verschiedener Getriebegänge fehlen Betriebspunkte, die die Effizienz von mechanischen Übersetzungen erreichen. Insgesamt unterscheidet sich Getriebe in (D3) klar in Bezug auf Leistungsniveau, Geschwindigkeitspotenzial und erreichbare Maximaleffizienz. Einen weiteren naheliegenden Stand der Technik beschreibt (D4) . Mit der Kombination eines Stufenautomatikgetriebes mit zwei E-Ma- schinen und einer Traktionsbatterie sollen die Getriebestufen mit stufenlosen Übersetzungsbereichen ergänzt und der elektrische Leistungsbereich reduziert werden. Die Problematik der Verluste mit den hohen elektrischen Leistungsflüssen wird zwar angegangen, jedoch nicht befriedigend gelöst. In der Praxis reichen vier mechanische Gänge für eine effektive Motordrehzahlabsenkung nicht aus und halten einen Antrieb, der insbesondere für schwere bzw. starke Fahrzeuge bestimmt ist, relativ unflexibel.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu überwinden, insbesondere die Getriebeleistung bei stufenloser Wandlung von den limitierenden Dimensionen von mechanischen Variatoren und E-Maschinen zu befreien, bei Verbrennungsmotoren die Leistung schon bei tiefen Drehzahlen und Drehmomenten zu hohen Abtriebsdrehmomenten aus dem Stillstand vorwärts und rückwärts zu wandeln, sehr lange Übersetzungen mit stufenlosen Wandelbereichen von über R-Quadrat zu erreichen, wobei R = Übersetzungsbereich des mechanischen Variators, ein Gesamtgetriebe mit stufenloser Wandlung auch für sehr hohe Geschwindigkeiten und sehr grosse Antriebsleistungen im Bereich eines Mehrfachen der gängigen Variator-Leistungen zu bauen, zusätzlich mit Gängen ohne Variator-Leistung zu fahren, als Hybridantrieb mit einer Batterie und den elektrischen Maschinen einzeln unabhängig und auch in Synergie mit dem Verbrennungsmotor anzufahren, zu fahren und beim Bremsen zu rekuperieren, mit einer Start-Stopp-Automatik das Fahrzeug und den Motor in Bewegung zu setzen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist wiedergegeben im kenn- zeichnenden Teil des Anspruchs 1 hinsichtlich ihrer wesentlichen Merkmale, in den folgenden Ansprüchen hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausbildungen.
Mit einer Aufteilung der Antriebsleistung auf fest übersetzte mechanische und variable mechanische und/oder elektrische und/oder hydraulische Leistungsstränge können alle Fahrsituationen mit einem Fahrzeug zwischen Stillstand, Motorleerlauf, Anfahren, Fahren auch mit sehr langen Übersetzungen und Rückwärtsfahren stufenlos abgedeckt werden. Dank einer Vernetzung der regelbaren Variator-Ausgänge mit dreigliedrigen Planetengetrieben und unterteilten Antriebswellen kann ohne spezielles Einkuppeln mit einem gesteigerten Drehmoment angefahren und über den ganzen Bereich der Übersetzung stufenlos beschleunigt werden. Weil der Motor sofort stufenlos antreibt kann die elektrische Leistung der zwei E-Ma- schinen auch mit einer integrierten Start-Stopp-Automatik zum Anfahren klein gehalten werden.
Der Anteil der stufenlosen Wandlerleistung wird mit einer mehr- gliedrigen Leistungsteilung zugunsten eines direkten mechanischen Getriebestrangs zurückgenommen, so dass das Gesamtgetriebe auch mit Teillast bei langen Übersetzungen effizient arbeiten kann. Mit dem erfindungsgemässen Getriebe kann die Leistung von stufenlosen Wandlerelementen im Vergleich zur Motorleistung verkleinert werden. Durch einen mehrfachen Einsatz von gängigen mechanischen, elektrischen und/oder hydraulischen stufenlosen Wandlerelementen wird der Gesamtwandelbereich erweitert. Bei Bedarf kann ein einzelnes Wandlerelement mit Leistung von weiteren Wandlerelementen z. B. mechanisch oder elektrisch oder hydraulisch unterstützt werden. Wenn sich stufenlose Bereiche mit aktivierten Wandlerelementen oder Kupplungen überlappen, werden die gemeinsamen Wandlerelemente als mechanische Getriebegänge, sogenannte Fix- Gänge genutzt. Zusätzlich können zwischen den Fix-Gängen mehrfach schaltbare Direkt-Gänge mit je einem frei dimensionierbaren Getriebe zur Variator-Überbrückung eingesetzt werden. Verluste durch stufenlose Wandlung können mit diesen fest im Gesamt- Wandelbereich eingebauten, formschlüssigen Getriebestufen reduziert und vermieden werden. Anstelle eines Direkt-Getriebes kann ein sogenanntes Multi-Torque-Getriebe die Variator-Wirkung in allen Wandlerbereichen zusätzlich verstärken.
Mit Hilfe der Antriebssteuerung werden im Gesamtgetriebe einzelne Leistungsstränge zusammengeschaltet, gesichert und optimiert. In den zwei E-Maschinen ■ sind im erfindungsgemässen Getriebe die Funktionen Generator zur Erzeugung des Bordstroms und Anlasser bzw. Starter für einen Start-Stopp-Betrieb integriert. Diese E- Maschinen können mit einer entsprechenden Bordstrom-/Antriebsbatterie auch zum elektrischen Fahren, zu Unterstützung/Boosten und zur Rekuperation beim Bremsen eingesetzt werden. Motor- und Batterieleistung lassen sich frei kombinieren. Getriebe mit mechanischer oder hydraulischer stufenloser Wandlung sind vom Anteil der elektrischen Leistung weitgehend unabhängig, werden von der Grosse des elektrischen Speichers wenig beeinflusst und sind auch ganz ohne E-Maschinen und Batterie einsetzbar.
Auch wenn Verbrennungsmotoren in Motorfahrzeugen die häufigste primäre Leistungsquelle darstellen, können auch Turbinen oder sonstige Antriebsquellen als Motor verstanden werden. Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Getriebes-1,
Fig. 2 ein erstes, dem Getriebe-1 von Fig. 1 entsprechendes
Wellendiagramm, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen
Getriebes-2 in paralleler Ausführung, Fig. 4 ein zweites, dem Getriebe-2 von Fig. 3 entsprechendes
Wellendiagramm, Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen
Getriebes-3 in paralleler Ausführung,
Fig. 6 ein drittes, dem Getriebe-3 von Fig. 5 entsprechendes Wellendiagramm in paralleler Ausführung,
Fig. 7 ein erstes, dem Getriebe-3 von Fig. 5 entsprechendes
Schaltdiagramm
Fig. 8 ein erstes Getriebe-2 in koaxialer Ausführung, Fig. 9 ein zweites Getriebe-3 in koaxialer Ausführung, Fig. 10 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen
Getriebes-10 in paralleler Ausführung, Fig. 11 ein viertes, dem Getriebe-10 von Fig. 10 entsprechendes
Wellendiagramm,
Fig. 12 ein drittes Getriebe-10 in koaxialer Ausführung, Fig. 13 ein zweites, dem Getriebe-2 in koaxialer Ausführung von
Fig. 8 entsprechendes Schaltdiagramm Fig. 14 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen
Getriebes-20 in koaxialer Ausführung.
Im ersten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 mit einer Getriebekonfiguration Getriebe-1 sind folgende Bauelemente miteinander verknüpft:
Ein Motor M treibt eine Split-Torque-Welle 6 oder eine Zwischen- welle 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 der Zwischenwelle 5 montiert ist. Mit der Zwischenwelle 5 ist verbunden ein mechanischer Variator 7 mit Zugmitteln oder ein sonst geeignetes CVT (mechanische Continously Variable Trans- mission, allenfalls ein hydraulisches Getriebe oder ein Toroid- Variator) , welches eine zweite, gleichsinnig laufende Welle aufweist, die als Variator-Welle 8 funktioniert. Auf der Split- Torque-Welle 6 sitzt weiter eine erste E-Maschine 15, welche im primären Antriebsstrang auch auf der Zwischenwelle 5 montiert sein kann. Im sekundären Antriebsstrang, auf einer Abtriebswelle 51, sitzt eine zweite E-Maschine 16. Die Abtriebswelle 51 ist mit einem Glied eines Split-Torque-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 einem ersten Wandlerelement 4, mit einer Zahnkupplung synchron und lastfrei oder mit einer Reibkupplung mit der Split-Torque-Welle 6 wirkverbunden werden. Alternativ können ein Zahnradgetriebe 12/13 und das erste Wandlerelement 4 auch als Schaltgetriebe ausgeführt sein. Das Split-Torque-Getriebe 10 mit drei Gliedern, dessen Summenglied verbunden ist mit dem vierten Zahnrad 13 und mit einem sechsten Zahnrad 27, welches mit einem fünften Zahnrad 26 auf der Split- Torque-Welle 6 kämmt, dessen erstes Summandenglied verbunden ist mit der Variator-Welle 8, dessen Differenz- bzw. zweites Summandenglied verbunden ist mit der Abtriebswelle 51, kann über die Wirkung eines zweiten Split-Torque-Wandlerelements 14, das z.B. zwischen den zwei Summanden-Gliedern montiert ist, partiell akti- viert, d.h. als Gesteuerte Kupplung 14 reibschlüssig gesteuert und auch ganz blockiert werden. Auf der Split-Torque-Welle 6 sitzt ferner ein drittes Wandlerelement 25. Dieses kann als Zahnkupplung, die bei gleicher Drehzahl an Split-Torque-Welle 6 und dem fünften Zahnrad 26 geschaltet wird, als Gesteuerte Kupplung oder als Schaltgetriebe 26/27 ausgeführt sein. Die Batterie 50 in Fig. 1 kann über den Einsatz für Bordstrom und den Start des Motors M hinaus verstärkt sein, zum Einsatz mit einer Start-Stopp-Automatik und/oder für einem elektrischen Fahrbetrieb. Sie kann als Superkondensator, als Elektrospeicher oder auch als Kombination davon ausgeführt sein.
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 Getriebebereiche zu sichern, zu schalten und vorteilhaftere Einstellungen zu bewirken. Solche Sensoren messen Drehzahlen und Drehmomente des Motors M an der Split-Torque-Welle 6, des Wandlers an der Variator-Welle 8, des Abtriebs an der Abtriebswelle 51 proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit, Zustände und Wirkungsart der Wandlerelemente sowie der Fahrzeugbremsen, elektrische Leistungen in den E-Maschinen 15, 16, Lade- und Entladeströme sowie den Ladezustand der Batterie 50, Betriebstemperaturen des Motors M, des Getriebes, der E-Maschinen 15, 16.
Bedienungsmittel sind ein Gaspedal, ein Bremspedal, eine Richtungswahl Vorwärts oder Rückwärts, eine Parkbremse. Mit einem Wählschalter kann die Art des Betriebes bestimmt werden, wie "Normal" für mechanischen Betrieb ohne Batterieunterstützung, "H" für Start-Stopp-Betrieb mit Motor und Batterieunterstützung, "EV" für rein elektrischen Fahrbetrieb ohne drehenden Motor M. Die Ausgangssignale dieser Bedienungsorgane werden an die Antriebssteuerung 9 übermittelt und mit einer Software verarbeitet, unter Einbezug von spezifischen Parametern, wie Wirkungsgradkennfelder der Antriebsquellen Motor M, E-Maschinen 15 und 16, Strategien zur Batterie-Ladung bzw. -Entladung. Weitere Steuerungsebenen umfassen Strategien und Algorithmen zur Optimierung des Gesamt-Wirkungsgrades im Getriebe und die Integration von Fremddaten unter Einhaltung von festgelegten Getriebearbeitsbereichen. Mit Hilfe einer 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. In den Ausführungen zu Fig. 1, Fig. 3, Fig. 5, Fig. 10 und Fig. 14 werden Betriebsverfahren für Getriebe in einer sog. Parallel- Version erläutert. Später beschriebene Getriebe in Fig. 5, 6 und 12 sind in einer sog. Koaxial-Version angeordnet. Bezeichnungen für die Betriebsverfahren werden, sofern bekannt, aus der Literatur übernommen. Neue Verfahren werden hier mit neuen Bezeichnungen versehen, die durchgehend die gleiche Bedeutung beibehalten. Die Endungszahlen in den Bezeichnungen stimmen mit der Kardinalzahl der beschriebenen Getriebevariante überein.
Erfindungsgemässe Verbesserungen im ersten Ausführungsbeispiel Getriebe-1 nach Fig. 1 und erstem Wellendiagramm nach Fig. 2: Das beschriebene Getriebe-1 ist mit der Integration von weiteren Wandlerelementen im bekannten Split-Torque-Geared-Neutral-Ver- fahren (STGN) dargestellt. Im Bereich Start-Split-1 dreht der Motor M und liefert seine Leistung an die Split-Torque-Welle 6. Das erste Wandlerelement 4 ist geschlossen und verbindet so die Split-Torque-Welle 6 mit dem Summenglied des Split-Torque- Getriebes 10. Gleichzeitig ist die Split-Torque-Welle 6 über das erste 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 Variator-Wandelbereichs R von Variator 7, der Auslegung des Split-Torque-Getriebes 10 mit dem Differenzialfaktor K und der Übersetzung der beiden Getriebe 2/3, 12/13 führt das dritte Glied des Split-Torque-Getriebes 10, hier die Abtriebswelle 51, mit der Wandlung des Variators 7 eine kontinuierliche Drehung von vorwärts - über den Stillstand - zu rückwärts mit einem entsprechenden Drehmoment aus. Der darin enthaltene Aktive Stillstand (Geared-Neutral) erreicht den Stillstand eines Fahrzeugs mit eingekuppeltem, drehendem Motor, erfindungsgemässen
Parallel zur Drehmomentwandlung mit einem ersten, mechanischen stufenlosen Wandlerelement Variator 7, kann erfindungsgemäss zusätzlich mit einem zweiten, elektrischen stufenlosen Wandler- element zusätzliche Motorleistung übertragen werden, was hier von der ersten E-Maschine 15 auf der Split-Torque-Welle 6 zur zweiten E-Maschine 16 auf der Abtriebswelle 51 passiert. Diese Art Wandlung wird im Folgenden als E-Wandlung bezeichnet. Weitere Wandler- elemente können noch mehr Leistung an die Abtriebswelle 51 übertragen, was besonders beim Anfahren von grosser Bedeutung ist. Im Zusammenhang mit dem Split-Torque-Geared-Neutral-Verfahren (STGN) ist von "Anfahrschwäche" zu lesen. Grund dafür ist allein die Anwendung mit mechanischen Zugmittel-Wandlern, nicht das prinzipielle Verfahren. Die grosse Torque Multiplication des STGN- Verfahrens wurde oft experimentell verifiziert (z. B. GM Studie und US 4'644'820), die Kinematik der Variatorübertragung in der Nähe von Geared-Neutral bleibt dagegen nur ungenau beschrieben. In allen Bereichen mit Split-Torque-Drehmomentaufteilung, also gemäss Fig. 2 in Reverse-l/Start-Split-1 und Overdrive-Split-1, wird die Variator-Wirkung bzw. die Drehmomentübertragung vom Split-Torque-Getriebe 10 verstärkt und gespiegelt. Das heisst, beim vorwärts Anfahren aus dem Stillstand kommt der Overdrive- Bereich des Variators mit Antriebsradius gross und Abtriebsradius klein vor dem Underdrive-Bereich. In der Praxis heisst das, dass gerade beim Anfahren, wenn die Variator-Leistung mit hoher Zugmittelgeschwindigkeit gross ist, nur ein kleineres Drehmoment mit dem Split-Torque-Getriebe 10-Faktor (K -1) wirken kann. Im Split-Torque-Geared-Neutral-Verfahren (STGN) kann allein das stufenlose Wandlerelement Motor-Eingangsleistung zu einem Drehmoment an der Abtriebswelle wandeln, Torque Multiplication genannt. Der Variator 7 gibt dazu eine Steuerleistung als Produkt aus Steuerdrehzahl mal Steuerdrehmoment vor, welche im Split- Torque-Getriebe 10 die Leistung aus dem direkten Antrieb von der Split-Torque-Welle 6 bestimmt. Motorleistung, die nicht mit Steuerleistung vom Variator 7 gewandelt wird, bleibt prinzipiell ungenutzt. Parallel zur steigenden Getriebe-Übersetzung bzw. zur steigenden Fahrzeuggeschwindigkeit steigt auch die Drehmomentkapazität im Variator 7 und erreicht im Synchronpunkt B ihr Maximum, d. h. im kürzesten Variator-Ünderdrive. Das Potenzial des STGN-Getriebe-Variators liegt im Bereich Start-Split-1 über der Motorleistung und bleibt dann ungenutzt.
Beim Anfahren im STGN-Bereich ist somit eine Steigerung der Motordrehzahl zur Kompensation eines zu kleinen Abtriebsmomentes grundsätzlich kontraproduktiv, weil dies eine kürzere Getriebeübersetzung erfordert, was wiederum eine dynamischere Beschleunigung verhindert. Dies führt zur sogenannten "Anfahrschwäche". Erst ein präziser Betrieb des Motors bringt dem Anfahren die höchste Effizienz. Ein Motorbetrieb mit dem optimalen Drehzahl- minimum beim Anfahren wird als Low-Speed-Enhancement bezeichnet.
1. Elektro-Enhancement mit Hilfe einer E-Wandlung
Beim STGN-Anfahren kann zusätzliche Motorleistung über die Variator-Leistung hinaus, parallel elektrisch, hydraulisch und/oder mechanisch gewandelt werden. Unabhängig von der Batterie können die zwei E-Maschinen 15, 16, einen Teil der Motorleistung mit einer E-Wandlung im Variator-Bypass zu zusätzlichem Drehmoment an der Abtriebswelle 51 wandeln. Gerade beim Anfahren mit tiefen Motordrehzahlen haben die beiden E-Maschinen 15, 16 ihr höchstes Drehmoment und können dadurch die beschriebene umgekehrte Drehmomentcharakteristik des Zugmittel-Variators 7 im Bereich Start- Split-1 in Fig. 2 ideal kompensieren und gemeinsam mit den Abtriebsdrehmomenten von Variator 7 eine höhere Motorleistung wandeln. Dank einer leichten Regulierbarkeit der E-Maschinen 15, 16 lässt sich ausserdem mit Hilfe der Antriebssteuerung 9 mit und ohne Batterieleistung eine Anfahrcharakteristik erreichen, die selbst den hohen Standard von Hydrowandlern dank effizienteren Minimaldrehzahlen übertrifft.
2. Start-Enhancement mit Gesteuerter Kupplung
Zum Anfahren kann, von der Antriebssteuerung 9 dosiert, durch geregeltes Aktivieren bzw. schleifendes Einkuppeln im Split- Torque-Getriebe 10 mit dem ersten Wandlerelement 14 ein weiterer Teil der Motorleistung für zusätzlichen Antrieb genutzt werden. Dabei werden zwei wählbare Glieder des Split-Torque-Getriebes 10 reibend bzw. nur teilweise verbunden, analog einem schleifenden Einkuppelvorgang in einem Stufengetriebe. Mit dem sog. Gesteuerten Kuppeln leitet das Split-Torque-Getriebe 10 einen Teil der Motorleistung direkt von der Split-Torque-Welle 6 in die Abtriebswelle 51 ein.
Das Gesteuerte Kuppeln mit dem Wandlerelement 14 hat beim Anfahren den kleinsten Wirkungsgrad, verhilft dem Gesamtgetriebe aber durch eine vollständige Blockierung des Split-Torque-Getriebes 10 zu einer festen mechanischen Stufe mit höchstem Wirkungsgrad. Dabei wird der Motor M über die Split-Torque-Welle 6 und das Getriebe 12/13 direkt mit der Äbtriebswelle 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 Variator-Wandelbereich R und Differenzialfaktor K des Split-Torque-Getriebes 10 zusammen: K = nl/n3, bei n2 = 0; nl, n2, n3 sind die Drehzahlen der einzelnen Glieder des Split-Torque-Getriebes 10. Mit R > K wird der Split-Torque-Wandelbereich vom Geared-Neutral Punkt aus um einen Rückfahrbereich (Reverse) erweitert, während sich die Torque-Multiplication vom Maximum entfernt. Mit R = K ergibt sich die höchste Torque-Multiplication, die jedoch nur einen Split-Torque-Bereich mit Anfahren vorwärts aus dem Geared- Neutral-Stillstand 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 sowie rekuperieren, ausser während einer maximalen Elektrowandlung im Start-Split-1, wo ein zusätzlicher Leistungsbedarf kaum gegeben ist. In einem stehenden Fahrzeug kann auch der Motor M still stehen. 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, sind die Wandlerelemente 4, 14, 25 geöffnet und erlauben den Getrieben 12/13 und 26/27 ein ungehindertes Drehen am Summenglied des Split-Torque-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 kann vom E-Motor zum E-Generator wechseln und zusätzliche Leistung des Verbrennungsmotors M wandeln. Die Drehzahl des Motors M ist dabei erst kleiner als die Drehzahl der Abtriebswelle 51. Der Zusammenschluss mit dem Getriebe durch aktivierte Wandlerelemente findet in einer höheren Übersetzung statt, z. B. im Bereich Full-Drive-1. Die Antriebssteuerung 9 kann das Übersetzungsverhältnis des Variators 7 kontinuierlich zuguns- ten einer mechanischen Verbindung zwischen Split-Torque-Welle 6 und Abtriebswelle 51 regeln und ruckfrei ohne Kuppelverluste das Split-Torque-Getriebe 10 mit dem Wandelelement 14 blockieren. Die volle Motorleistung fliesst dann mechanisch durch den Variator 7. Das Übersetzungsverhältnis kann weiter verändert werden, die E- Maschinen 15, 16 können leer laufen bzw. mit Leistung aus der Batterie 50 betrieben werden.
Eine weitere Möglichkeit zum Anfahren besteht aus einem Start mit beiden E-Maschinen 15, 16 gleichzeitig. Die zweite E-Maschine 16 treibt dabei die Abtriebsachse 51 an, während die erste E-Maschine 15 bei geschlossenen Wandlerelementen 4 und 14, d.h im Fix-Gang 1, mit blockiertem Split-Torque-Getriebe 10, den Motor M startet. Der Variator 7 dreht ohne Antriebs- bzw. Steuerleistung mit. Bei diesem sog. Fix-Gang 1-Start gibt der Motor sofort selber Leistung ab und unterstützt auch bei sehr tiefen Drehzahlen den Antriebsstrang mit den fest miteinander verbundenen Wellen 6 und 51. Der Fix-Gang 1 kann in einem konventionellen Stufengetriebe 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 mit wählbar steigender Motorleistung gefahren werden. Direkt vom Fix-Gang 1 im Synchronpunkt B ausgehend, genügt schon ein reduziertes Scheibendruckniveau, weil hier bei höchster Leistungsfähigkeit der Torque-Multiplication mit Variator 7 nur ein reduziertes Variator-Eingangsmoment gewandelt werden muss. Der Fix-Gang 1-Start erlaubt, mit einer relativ kleinen elektrischen Batterie 50 und zwei minimal dimensionierten E-Maschinen 15, 16 gleichzeitig anzufahren, ohne vorher den Motor M im Leerlauf bereit zu halten. Mit dem geschaltetem Fix-Gang 2 kann sinngemäss angefahren werden.
Full-Drive-1
Beim Synchronpunkt B am oberen Ende des Bereichs Start-Split-1 kann das Split-Torque-Getriebe 10 mit dem Wandlerelement 14 dyna- misch gesteuert eingkuppelt werden, d. h. beginnend vor Erreichen der Synchrondrehzahl von Variator-Welle 8 und Abtriebswelle 51. Bei diesem Vorgang wird der Variator 7 wirkungsmässig überholt und damit lastfrei laufend. Die Antriebssteuerung 9 kann zur Optimierung der Leistungsübertragung im Getriebe die Motordrehzahl anpas- sen und verlängert mit dem geschalteten 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 erhöhte Belastung ohne den Split-Torque-Modus kann durch ein Elektro-Enhancement im Variator-ünderdrive reduziert werden. Wie im Start-Split-1 können die beiden E-Maschinen 15, 16 die auftretende Variator-Belastung reduzieren indem sie Antriebsleistung im Bypass, parallel zum Variator 7 wandeln. Im Gegensatz zur mechanischen Variator-Höchstleistung können die beiden E-Maschinen 15, 16 kurzfristig überlastet werden. Ein im Vergleich zur mechanischen Variator-Wandlung schlechterer elektrischer Wirkungsgrad kann durch Leistung aus der Batterie kompensiert werden. Das Fahren im Variator-ünderdrive des Bereichs Full-Drive-1 kann verkürzt werden indem die Motordrehzahl abgesenkt und gleichzeitig die Getriebeübersetzung schneller in Richtung Overdrive verstellt wird, was ebenfalls mit Batterieleistung kompensiert werden kann.
Overdrive-Split-1
Im Bereich des Full-Drive-1 sind die Wandlerelemente 4, 25 geöffnet, das zweite Wandlerelement 14 ist geschlossen, so dass, ohne die Leistung mit einem Elektro-Enhancement, die ganze Motor- leistung durch den Variator 7 fliesst. Mit einer vollständigen Verstellung des Variators 7 wird der zweite Synchronpunkt in Cl erreicht. Wenn 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 das dritte Wand- lerelement 25 geschlossen werden, dynamisch reibschlüssig oder synchron lastfrei. Nach dem Erreichen der zweiten fixen Getriebestufe, hier Fix-Gang 2 genannt, kann das zweite Split-Torque- Wandlerelement 14 wieder geöffnet und der Overdrive-Split-1 als zweiter Split-Torque-Bereich genutzt werden. Mit der abnehmenden Leistung, die im Variator rezirkuliert, sinken die Verluste auf das Minimum der drei stufenlosen Übersetzungsbereiche Reverse- Split-l/Start-Split-1, Full-Drive-1, Overdrive-Split-1. Der Bereich Overdrive-Split-1 wird umso grösser, je kleiner der Faktor K im Split-Torque-Getriebe 9 gewählt wird, analog zum Bereich Reverse-Split-1 als Rückwärts-Verlängerung des Bereichs Start-Split-1.
4. High-Speed-Enhancement zur Erhöhung der Variator-Leistung
Wenn der Zugmittel-Variator mit der höchsten Motorleistung seinen Overdrive durchfährt, können am oberen Teil des Full-Drive-1 und zu Beginn des Overdrive-Split-1 unzulässige Schwingungen im Zugmittel auftreten, der sog. Polygoneffekt. Zur Vermeidung dieser Vibrationen, die direkt von der Zugmittelgeschwindigkeit abhängen, müssen bei einer weiteren Beschleunigung entweder die Motor- drehzahl oder das Variator-Übersetzungsverhältnis oder beide zusammen reduziert werden. Um trotzdem eine steigende Geschwindigkeit zu erreichen, kann die Motordrehzahl gesenkt und gleichzeitig die Getriebeübersetzung stärker erhöht werden, weil eine Veränderung der Motordrehzahl im Quadrat wirksamer ist als eine gegenläufige Veränderung der Variator-Übersetzung. Defizite bei der Motorleistung können mit Batterieleistung kompensiert werden. Die Antriebssteuerung 9 regelt den Antrieb auch während eines sog. High-Speed-Enhancements über den Synchronpunkt Cl hinaus, wenn in den Overdrive-Split-1-Bereich des Getriebes gewechselt wird. Im Fix-Gang 2 liegt ein zweites Effizienzmaximum mit fester Getriebe- Übersetzung vor, dank einem weiteren Variator-Override.
Ziel einer sehr langen Overdrive-Split-1-Übersetzung ist die maximale Absenkung der Motordrehzahl zur Vermeidung von Teillast- Verlusten. Die Motorleistung kann auch ohne Hybridtechnik schon direkt ab Leerlaufdrehzahl effizient Grundlasten wie Fahrwiderstände bei urbanen Geschwindigkeiten, elektrischen Bordverbrauch etc. abdecken. Eine Lastpunktanhebung wird vermieden, also das künstliche Motorbelasten mit höherem Drehmoment zur Stromer- zeugung. Nur kurzfristige Änderungen beim Fahrwiderstand, z.B. durch Veränderungen in der Topografie oder kleine Beschleunigungen werden durch Zusatzleistung aus der Batterie 50 abgedeckt, so dass Motor M und Variator 7 nicht ständig durch ihre Betriebsbereiche pendeln müssen. So können auch kleinere Leistungen von Motor M und Batterie 50 nach Bedarf kombiniert werden, mit minimalen Dimensionen von E-Maschinen 15, 16 und Batterie 50. Die Batterie 50 liefert Spitzenleistungen während die Grundleistung effizienter vom Motor M produziert wird.
5. Variator-Enhancement
Ein weiterer Ansatz zur Leistungssteigerung in stufenlosen Getrieben liegt bei der Verbesserung der spezifischen Variator-Leistung mit einem sog. Variator-Enhancement. Mit einer Reduktion des Variator-Wandelbereichs R/Standard-R wird 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 R/Standard-R in der l,5ten Potenz stattfinden, mit Standard-R * 6,4. Mehrere kleinere Variatorbereiche können zu einem insgesamt grosseren Getriebe-Gesamtwandelbereich kombiniert werden, der auch eine grossere Flexibilität und einen höheren Wirkungsgrad erreichen kann. Zusätzlich lassen sich Variatoren bei kleinem Wandelbereich R mit Doppelketten/Doppel-Zugmitteln ausrüsten, womit ihre Wandlerleistung weiter erhöht werden kann.
6. Hybrid-Flexibilität
Allein mit der Batterie 50 wird aus dem stufenlosen Getriebe-1 ein Hybridantrieb ohne Einschränkungen. Dank den beiden E-Maschinen 15, 16 lässt sich zwischen den Antriebsquellen Motor M und Batterie 50 immer die höchste Effizienz ausnützen. Grundsätzlich bringt die Leistung vom Motor M mit einem Leistungsfluss durch die mechanischen Getriebeteile den höchsten Wirkungsgrad. Der elektrische Antrieb ist mit der Batterie immer einsatzbereit und kann kinetische und potentielle Energien rekuperieren bzw. speichern. Zur Verstärkung der Torque-Multiplication in den Bereichen Start- Split-1 und Overdrive-Split-1 kann der mechanische Bereich Reverse-Split-1 klein gehalten werden oder entfallen. Der Bereich Reverse-Split-1 wird dann elektrisch mit der zweiten E-Maschine 16 abgedeckt. Dabei generiert die E-Maschine 15 bei drehendem Motor M die nötige Leistung zum Fahren auch ohne Batterieleistung.
7. Mechanik-Enhancement
Der bessere Wirkungsgrad in mechanischen Getrieben unterliegt oft einer schlechteren Motoreffizienz. Die Flexibilität mit stufenloser Wandlung wird mit reduziertem Wirkungsgrad erkauft. Zusätzlich werden aktive Komponenten in den mechanischen, elektrischen, hydraulischen Wandlern oft stark belastet. Kombinationen aus stufenlosen Übersetzungen und festen Gängen nutzen die besten Wirkungsgrade in einem Gesamtsystem mit variabler Flexibilität. Die Antriebssteuerung 9 optimiert mit einer Auswahl von Motor/Getriebe/Batterie-Kombinationen die Betriebsbedingungen. Frei wählbare optionale Direkt-Gänge können den Variator 7 mit festen Übersetzungsverhältnissen überbrücken. Sie bestehen aus einem elften Zahnrad 42, welches fest mit der Split-Torque-Welle 6 verbunden ist und einem zwölften Zahnrad 43, das mit Hilfe eines sechsten Wandlerelements 44 mit der Variatorwelle 8 verbindbar ist. Wie beim Erreichen eines Synchronpunktes wird ein Direktgetriebe beim Erreichen eines seiner festen Übersetzungs- Verhältnisse mit dem Wandlerelement 44 gesteuert eingekuppelt oder synchron lastfrei geschaltet. Dank der Abfolge von mehreren Variator-Bereichen im Gesamtgetriebe kann ein direktes Getriebe im Getriebe-1 mehrmals genutzt werden. Durch eine Öffnung des Direkt-Getriebes 42/43 im zwölften Zahnrad 43 und die Platzierung eines zusätzlichen Planetengetriebes, einem sogenannten Multi-Torque-Getriebe 49 sowie eine Ergänzung der Variator-Welle 8 mit einer weiteren Variator-Welle 8A kann die Variator-Leistung reduziert oder die Motor-Antriebsleistung weiter erhöht werden. Das Multi-Torque-Getriebe 49 wird als Summier- getriebe eingesetzt, das Leistung von der Split-Torque-Welle 6 und Leistung von der Variator-Welle 8 an der weiteren Variator-Welle 8A addiert und das Drehmoment des Variators 7, in Relation zum Getriebefaktor K des Multi-Torque-Getriebes 49, multipliziert.
Erfindungsgemässe Verbesserungen im zweiten Ausführungsbeispiel Getriebe-2 nach Fig. 3 und zweitem Wellendiagramm nach Fig. 4: Wenn bei der Auswahl für ein Getriebe-1 gemäss Fig. 1
- die Motorleistung über den Leistungsbereichen der stufenlosen Wandlerelemente Varator 7 und E-Wandlung mit E-Maschinen 15, 16 liegt,
- der mechanische Reverse-Bereich wegen R ≥ K zu schwach ist oder wegfällt,
- ein klein ausgelegter elektrischer Leistungsbereich nicht für den Anfahrbetrieb reicht, - mit hoher Leistung sehr dosiert angefahren werden soll (wie z.B. mit einem Hydrowandler) ,
- ein hoher Anfahrwandler- bzw. Getriebewirkungsgrad erreicht werden soll, erfüllt das Ausführungsbeispiel Getriebe-2 diese Anforderungen mit allen im Getriebe-1 nach Fig. 1 beschriebenen Möglichkeiten.
Mit einem sog. Power-Multiplication-Planetengetriebe 20 und einer Inversions-Bremse 35 kann die Getriebeleistung angehoben, ein erweiterter mechanischer Reverse-Bereich mit hohem Drehmoment dargestellt und der Anteil der elektrischen Leistung reduziert werden. Der elektro-hybride Bereich mit einer Traktionsbatterie 50 bleibt dabei frei wählbar erhalten, ebenso die Optionen mit direkten Getrieben 42/43 und mit einem Multi-Torque-Getriebe 49.
Das Power-Multiplication-Getriebe 20 führt Leistungen von der festen Split-Torque-Welle 6 und der variablen Planetenwelle 11 an der Abtriebswelle 51 zusammen. Um weiterhin vom Aktiven Stillstand aus anfahren zu können, braucht es an einem der Summandenglieder des Power-Multiplication-Getriebes 20 eine Drehbewegung auch in negativer Richtung. Dies wird mit dem Einbau eines Getriebes-1 nach Fig. 1 erreicht, das einen kontinuierlichen Wandelbereich vom Reverse zu Vorwärts mitbringt. Im Getriebe-1 nach Fig. 1 muss für das Erreichen des Geared-Neutral-Punkts der Variator 7- Wandelbereich R grösser als der Split-Torque-Getriebe-Faktor K gewählt werden, d.h. R > K.
Eine im Getriebe-2 gemäss Fig. 3 z. B. am vierten Getriebe 26/27 oder am Summenglied des Split-Torque-Getriebes 10 angebrachte Inversionsbremse 35 kann das Summenglied stoppen und festhalten, womit bei geöffnetem Wandlerelement 14 der Drehsinn der Bewegungen aus dem Variator 7 für die Planetenwelle 11 umgekehrt wird. Mit einer vollständigen Verstellung des Variators 7, einer sog. Inversion, kann im Getriebe-2 der Übersetzungsbereich um einen mechanischen Reverse-Bereich erweitert werden. Direkt am Geared- Neutral-Punkt A2 gemäss Fig. 4 liegt dann der Underdrive-Bereich des Variators 7 zum stufenlosen Rückwärts-Fahren.
Mit dem Power-Multiplication-Getriebe 20 wird die Gesamtgetriebe- leistung bei gleichbleibender Leistung des Variators 7 gesteigert. Der Gesamt-Wandelbereich von Getriebe-1 wird im Getriebe-2 redu- ziert und gleichzeitig um einen Bereich Reverse-Split-2 erweitert.
Betriebsverfahren für Getriebe-2 nach Fig. 3 gemäss Fig. 4
Die Leistung von Motor M liegt im Getriebe-2 im primären
Leistungsstrang an der Split-Torque-Welle 6 und wird dort aufge- teilt. Zusätzlich zum Getriebe-1 gemäss Fig. 1 ist das Power- Multiplication-Getriebe 20 mit einem ersten Summandenglied fest mit der Split-Torque-Welle 6 und mit einem zweiten Summandenglied, über ein drittes Stufengetriebe 22/23 und eine Planetenwelle 11, fest mit einem Summandenglied des Split-Torque-Getriebes 10 ver- bunden. Im zweiten Getriebe-2 werden mit dem Power-Multiplication- Getriebe 20 alle stufenlosen Leistungen der Planetenwelle 11, die vom ersten Ausführungsbeispiel Getriebe-1 her als Abtriebswelle 51 bekannt ist, mit der direkten Leistung von der Split-Torque-Welle 6 kombiniert, was als Power-Multiplication bezeichnet wird. Die aus Fig. 1 bekannten Bereiche Reverse-Split-1/Start-Split-l, FuIl- Drive-1, Overdrive-Split-1 werden durch die Kombination eines Getriebe-1 nach Fig. 1 mit dem Power-Multiplication-Getriebes 20 neu zu den Bereichen Start-Split-2, Full-Drive-2, Overdrive-Split- 2 im Getriebe-2 gemäss Fig. 3; ein Reverse-Split-2 Bereich kommt neu dazu, wobei die -2 für die Kardinalzahl des Ausführungsbeispiels steht.
Das Wellendiagramm für das Getriebe-2 gemäss Fig. 4 stellt die relativen Drehzahlen vs . Getriebewandlung dar, mit Doppellinien bei den jeweiligen Werten Null.
Mit laufendem Motor M im Aktiven Stillstand wird der Bereich Start-Split-2 zum Vorwärts-Fahren eingeschaltet. Der Variator 7 dreht in seiner maximalen Overdrive-Stellung, die Split-Torque- Welle 6 ist über das erste Wandlerelement 4 mit dem Split-Torque- Getriebe 10 verbunden, die Wandlerelemente 14, 25 sind offen. Zur Beschleunigung wird der Variator 7 in Richtung seines ünderdrive verstellt. Das Fahrzeug kann mit einer E-Wandlung zwischen den E- Maschinen 15 und 16 zusätzlich beschleunigt werden, um die tieferen Overdrive-Drehmomente beim Anfahren mit Variator 7 zu kompen- sieren. Zusätzlich kann mit Gesteuertem Kuppeln mit dem Split- Torque-Wandlerelement 14 maximal beschleunigt werden.
Soll das Fahrzeug rückwärts anfahren, werden das Wandlerelement 4 geöffnet und der Variator 7 mit einer Variator-Inversion von Over- drive zu Ünderdrive verstellt. Zur Schaltung von Reverse-Split-2 wird das zweite Getriebe 12/13 oder das vierte Getriebe 26/27 oder das Summenglied des Split-Torque-Getriebes 10 mit der Inversionsbremse 35 vollständig gestoppt und festgehalten. Das Fahrzeug kann mit Hilfe der Fahrzeugbremsen gebremst sein. Beim Rückwärts- Anfahren wird der Variator 7 in Richtung seines Overdrive verstellt, was die Variator-Welle 8 beschleunigt. Diese Bewegung wird durch das gestoppte Summenglied im Split-Torque-Getriebes 10 umgedreht. Zusätzlich können eine E-Wandlung rückwärts und ein Gesteuertes Kuppeln mit dem sechsten Wandlerelement 44 erfolgen. Der Bereich Reverse-Split-2 unterscheidet sich nur mit der Drehzahl Null des Summengliedes von Split-Torque-Getriebe 10 von den anderen Split-Bereichen in Fig. 2 und Fig. 3. Auch mit gestopptem Split-Torque-Getriebe 10 wird die Leistung von der Variator-Welle 8 auf die Planetenwelle 11 entsprechend dem Faktor K des Split- Torque-Getriebes 10 multipliziert und im Drehsinn gewandelt. Die am Summenglied zugeführte Leistung ist hier Null. Die Inversion im Split-Torque-Getriebe 10 erfüllt mit der Rückwärtsdrehung der Planetenwelle 11 die Energieerhaltung. Vorteilhaft ist in Reverse-Split-2 der drehmomentstarke Variator- ünderdrive direkt beim Geared Neutral-Punkt . Entsprechend den Werten von Variator-Bereich R und Differenzialfaktor K des Split- Torque-Getriebes 10 kann ausschliesslich rückwärts oder zusätzlich auch vorwärts angefahren werden. So kann Reverse-Split-2 zum langsamen hin-und-her-Rangieren mit hohem Drehmoment und tiefer Motordrehzahl z.B. in schweren Lastwagen genutzt werden. Primär werden beide Summandenglieder des Power-Multiplication- Getriebes 20 von der gleichen Split-Torque-Welle 6 angetrieben. Um im Gleichgewicht mit dem Drehmoment des Abtriebsstrangs 51 mit dem Faktor K zu stehen, müssen die Summandenglieder des Power- Multiplication-Getriebes 20 von Drehmomenten entsprechend den Planetengetriebefaktoren [K-I] und [1] angetrieben sein. Wie von allen Wandlungen wird die Wirkung von E-Wandlung und von Gesteuerten Kupplungen durch die Power-Multiplication im Planeten- Getriebe 20 verstärkt bzw. multipliziert. Beim Zuführen von Leistung aus der Batterie 50 in die E-Maschine 16 an der Planetenwelle wird der Anteil des Motorleistung direkt durch die Split-Torque-Welle 6 erhöht, so dass die Drehmoment-Verhältnisse im Power-Multiplication-Getriebe 20 erhalten bleiben. Das Power-Multiplication-Getriebe 20 funktioniert als mechanisches Element, das den Anteil der Leistung von stufenlosen Wandlerelementen, wie des Variator 7, E-Wandlung, in Bezug auf die Gesamtgetriebeleistung reduziert. Die Bezeichnung Power-Multiplication-Getriebe bezieht sich damit auf die Erhöhung der spezifischen Leistungen der stufenlosen Wandlerelemente, die oft als limitierende Faktoren in stufenlosen Getrieben auftreten. Gleichzeitig wirkt das Power-Multiplication-Getriebe 20 als Drehzahl-Reduktionsstufe, z.B. vor einem Achsdifferenzial.
Mit einer entsprechenden Auslegung von drittem Getriebe 22/23, Variator-Bereich R, Faktoren K der Split-Torque-Getriebe 10 und Power-Multiplication-Getriebe 20 in einer parallel-seriellen Kombination von Getriebe-1 und Power-Multiplication-Getriebe 20, wird am Ende des Bereichs Reverse-Split-1 im ersten Ausführungsbeispiel Getriebe-1 nach Fig. 2 und am Ende eines Variator 7-Bereichs, der mit A2 bezeichnete Geared-Neutral-Punkt genutzt. Punkt A2 liegt im Drehzahl vs. Getriebe-Übersetzungs- Diagramm gemäss Fig. 4 links von Punkt Al, dem Geared Neutral- Punkt von Getriebe-1 in Fig. 2. Damit verändern sich auch die Drehmomente der Wandlerelemente im Verlauf der gesamten Getriebeübersetzung, was mit Hilfe eines Zugkraftdiagramms darge- stellt werden kann. Eine Zugkrafthyperbel, die sich für das Getriebe-1 gemäss Fig. 2 ergibt, wird im Ausführungsbeispiel Getriebe-2 gemäss Fig. 4 mit der Wirkung eines festen und eines variablen Asts im Power-Multiplication-Getriebe 20 angehoben. Mit der Integration des Bereichs Reverse-1 im Getriebe-2 verschiebt sie sich mit dem Geared-Neutral-Nullpunkt und wird bei gleicher Wandlerleistung des Variators 7 flacher. Die Variator 7-Drehmo- mente steigen im Underdrive des Bereichs Full-Drive-2 im Vergleich zum Overdrive weniger stark an. Das technisch gegebene höhere Leistungspotenzial des Zugmittel-Variators 7 in seinem Overdrive- Bereich wird im Getriebe-2 mit einem sog. Torque-Enhancement zur Erhöhung der Getriebeleistung genutzt. Damit kann die Gesamtleistung im Getriebe-2 ohne Verstärkung von einzelnen Getriebekomponenten weiter angehoben werden. Die relative Leistung der beiden E-Maschinen 15, 16 kann weiter reduziert werden.
Elektrisches Anfahren und Fahren im Modus "Hybrid"
Wenn die Split-Torque-Welle 6 mit dem Motor M still steht und die
Wandlerelemente 4, 14, 25 sowie die Inversionsbremse 35 geöffnet sind, kann die Batterie 50 das Fahrzeug allein antreiben, sofern die E-Maschine 16 an der Planeten-Welle 11 montiert ist. Das Power-Multiplication-Getriebe 20 wirkt als Standgetriebe mit einem Faktor, der zusammen mit der Übersetzung des dritten Getriebes 22/23 das Anfahrmoment verstärkt. Zusätzlich zum Widerstand des stehenden Motors M kann die Direktkupplung 44 eingekuppelt werden oder die E-Maschine 15 mit einem Drehmoment als Bremse bzw. als dynamische Steuerung des Stillstandes der Split-Torque-Welle 6 wirken.
Parallel zum Anfahren des Fahrzeugs kann der Motor M mit der ersten E-Maschine 15 gestartet werden. Die Antriebssteuerung 9 regelt die Übersetzung im Power-Multiplication-Getriebe 20 mit der Stellung des Variators 7, einer Kombination von Wandlerelementen 4 oder 14 oder 25 oder 44 sowie den Drehzahlen der beiden E- Maschinen 15, 16 und des Motors M zu einem ruckfreien Getriebe- zusammenschluss. Der Variator 7 dreht dabei erst ohne Leistungstransfer mit, von der Zwischenwelle 5 und von der Variator-Welle 8 beidseitig angetrieben. Der Zusammenschluss kann bei offenen Wandlerelementen 4, 14, 25, 44 und einer aktivierten Verstellung des Variators 7 z.B. im Übersetzungsbereich Full-Drive-2 stattfinden. Zum Zusammenschluss kann das Split-Torque-Wandlerelement 14 dynamisch geschlossen werden, wodurch das Gesamtgetriebe mechanisch über den Variator 7 betrieben und gesteuert wird. Die beiden E-Maschinen 15, 16 können zurückgefahren oder zur Unterstützung weiterbetrieben werden.
Kombiniertes Starten des Motors M und Anfahren mit beiden E-
Maschinen 15, 16, beispielsweise im Modus "Hybrid":
Zum Motorstart und zum Anfahren mit beiden E-Maschinen 15, 16 kann mit blockiertem Split-Torque-Getriebe 10 und geschaltetem Wandlerelement 4 oder 25, im Fix-Gang 1 oder Fix-Gang 2, ohne Unterstützung durch den Variator 7 losgefahren werden. Sobald der Motor Leistung abgibt bzw. der Öldruck im Variator 7 aufgebaut ist, kann stufenlos gefahren werden. Eine im Vergleich zur Übersetzung mit stufenloser Wandlung längere Übersetzung können die beiden E-Maschinen 15, 16 mit höchstem Drehmoment beim Anfahren kompensieren.
Zum Festbremsen des Fahrzeuges sowohl im mechanischen Variator- Modus "Normal" als auch im Hybrid-Modus "Hybrid" können die Wand- lerelemente 4 und 14 eingekuppelt sein, wahlweise mit der Stellung des Variators 7 zur Übersetzung des Aktiven Stillstandes in "Normal" oder zur Übersetzung des Fix-Ganges 1 in "Hybrid". Zur Sicherung eines reibschlüssigen Wandlerelements 14 und zum vollständigen Blockieren von Motor und Getriebe kann das dritte Wandlerelement 25 als Zahnkupplung eingekuppelt oder gegebenenfalls das vierte Getriebe 26/27 als Schaltgetriebe eingeschaltet werden. Das Umschalten zwischen "Normal", "Hybrid", "EV" kann mit Hilfe der Wandlerelemente 4, 14, 25, 35, 44, der E-Maschinen 15, 16 und der Verstellung des Variators 7 beim Anfahren durchgeführt werden. Erfindungsgemässe Verbesserungen im dritten Ausführungsbeispiel Getriebe~3 nach Fig. 5 und dritten Wellendiagramm nach Fig. 6: In Lastkraftwagen, Arbeitsmaschinen, Lokomotiven usw. müssen zum Anfahren und zur Wandlung von hohen Motorleistungen aufwendige Getriebe verwendet werden. Diese bestehen meist aus hydraulischen Wandlern, Diesel-elektrischer Transformation, Split-Übersetzungen, Zahnrad-Getrieben. Treibstoffeffizienz sowie eine sichere und bequeme Anwendung haben Priorität. Dennoch ist Anfahren mit gängigen Getrieben und schweren Lasten oft wenig effizient und wird von vielen Gangwechseln unterbrochen. Die vorhandene Motorleistung kann wegen den Zugkraftunterbrechungen mit Drehzahlabsenkung nicht voll genutzt werden, Fahrer und Kupplung können wegen den Schaltvorgängen grossen Belastungen ausgesetzt sein. Das Getriebe-3 verbindet wählbare Gänge und die Sicherheit der Stufen-Getriebe mit dynamischem Potential und durchgehend voller Leistung der stufenlosen Getriebe. Obwohl auf spezifische Hilfen zum Anfahren, wie Kupplungen oder hydrodynamische Wandler, verzichtet werden kann, übertreffen Qualität und Gesamtleistung des Getriebe-3 andere Getriebekonzepte beim Anfahren und in den anderen Fahrbereichen.
Zusätzlich zu den stufenlosen Übersetzungsbereichen kann auch in effizienten, festen Gängen gefahren werden. Zum Schalten von zwölf mechanischen Gängen und einem speziellen Geared-Neutral-Modus sowie von sechs Stufenlos-Bereichen genügen im Getriebe-3 nach Fig. 5 sechs Wandlerelemente (Schaltgetriebe, Kupplungen, Bremse) , fünf Stufengetriebe, drei Planetengetriebe, zwei Elektromaschinen für Motor-Start und E-Wandlung und ein gängiger mechanischer Zugmittel-Variator. Das Getriebe-3 deckt damit den ganzen Leistungs- und Wandelbereiche sowohl stufenlos als auch gestuft ab. Die auftretenden Drehmomente laufen aufgeteilt meist auf mehreren parallelen Zahnradpaarungen und werden erst wieder im Umlaufgetriebe eines Power-Multiplication-Getriebes 20 zusammengeführt. Mit dem sechsten Direkt-Getriebe 42/43 können zum Variator-Override sechs im Wandelbereich verteilte Direkt-Gänge gesteuert oder synchron geschaltet werden. Ein Multi-Torque- Getriebe 49 kann zusätzlich zur Verstärkung der Variator-Leistung eingesetzt werden.
Eine singuläre Anwendungsmöglichkeit des Getriebe-3 bietet ein Geared-Neutral-Modus, der sogenannte Fix-Gang X. Ein mechanisch direkt wirkender Geared-Neutral-Gang hält dabei das Fahrzeug unabhängig von Motordrehzahl und Variator-Leistung äusserlich unbewegbar im Aktiven Stillstand, also mit drehendem Motor gestoppt. Wenn das Fahrzeug mit dem Fix-Gang X parkiert ist, kann der Motor M unabhängig davon still stehen und mit den vorhandenen E-Maschinen 15, 16 gestartet werden. Eine Arbeitsmaschine kann damit weitere Leistungszweige wie Generator, Hydraulikmotor mit der nötigen Motorleistung versorgen, unabhängig vom Fahrbetrieb, einschliesslich dem Fahrzeug-Stillstand.
Mit einem Getriebe-3 sind zwischen dem Motor M und der Abtriebsachse 51 alle praktisch sinnvollen Kombinationen von Motor- und Fahrbewegungen zulässig, wie vorwärts-, rückwärts-Fahren, Stillstand und Freilauf. Dank dem mechanischen stufenlosen Anfahren mit dem Getriebe-3 können auch Einsatzbereiche mit sehr hohen Leistungen stufenlos erschlossen werden. Wo beim Betrieb keine eindeutige Vorwärtsbzw. Rückwärts-Richtung gegeben ist, z. B. in Schienenfahrzeugen, müssen beide Fahrtrichtungen symmetrisch abgedeckt sein. Dazu können der Variator-Bereich R und die Faktoren K der Planetengetriebe 10, 20, 30, 49 des Getriebes-3 so gewählt werden, dass der enthaltene Reverse-Bereich in den Vorwärts-Bereich integriert wird, mit gleichbleibenden Funktionen, aber ohne Fix-Gang X, der dann zu einem normalen Fix-Gang 0 mutiert.
Gegenüber dem Ausführungsbeispiel Getriebe-2 wird im Getriebe-3 nach Fig. 5 ein Inverter-Getriebe 30 mit den vierten und fünften Wandlerelementen 34, 36 und der Inversionsbremse 35 zwischen die Split-Torque-Welle 6, die Planetenwelle 11 und das Multi-Torque- Getriebe 20 eingebaut. Das vierte Getriebe 26/27 mit dem dritten Wandlerelement 25 aus dem Ausführungsbeispiel Getriebe-2 wird dadurch ersetzt, die Inversionsbremse 35 im Getriebe-3 neu an das fünfte Getriebe 32/33 oder das Inverter-Getriebe 30 platziert. Die Funktion der Inversionsbremse 35 ist nun das Stoppen des Summen- gliedes im Inverter-Getriebe 30, was sinngemäss zur Inversion oder Umkehrung der Drehrichtung von Planetenwelle 11 zur Inverter-Welle 31 führt. Zur Steigerung des Drehmoments kann ein weiterer Torque- Multiplication-Faktor K im Inverter-Getriebe 30 gewählt werden. Für den Einsatz mit einem unabhängigen Hybridantrieb und zur Unterstützung des Motorstarts wird die E-Maschine 16 an der Planetenwelle 11 oder an der Inverter-Welle 31 angebracht. Im Ausführungsbeispiel Getriebe-3 kann der elektrische Bereich mit den E-Maschinen 15 und 16 und Batterie 50 auch ganz entfallen, ohne Leistungseinbusse im Vorwärts-Bereich. Einzig beim Rückwärts- Anfahren ist die Variator-Drehmomentübertragung etwas reduziert.
Mit einem Inverter-Getriebe 30 gemäss Fig. 5 werden die Ausführungsbeispiele Getriebe-1 bzw. Getriebe-2 zum Getriebe-3 erweitert und verstärkt. Ist im Getriebe-2 die Wahl des Variator- Bereichs R bzw. des Split-Torque-Getriebe 10-Faktors K zur Darstellung eines Reverse-Bereichs eingeschränkt, - die Bedingung ist R > K -, wird im Getriebe-3 der maximale Wert mit R = K umgesetzt, ohne den Motorantrieb beim Anfahren zu unterbrechen. Mit dem Inverter-Getriebe 30 kann der Geared-Neutral-Punkt des Getriebe-1 als zusätzlicher Drehpunkt für die Wandlung des Variators 7 im Bereich Start-Split-3 genutzt werden. Wenn ein Endpunkt der Variator 7-Verstellung hier platziert ist, kann mit dem Inverter- Getriebe 30 neben dem Drehsinnwechsel auch der Faktor der Torque- Multiplication von der Planetenwelle 11 zur Inverter-Welle 31 genutzt werden. Zusätzlich zur Stärkung des Drehmoments im Bereich Start-Split-3 wird mit dem Inverter-Getriebe 30 auch der Bereich Overdrive-Split-2 gemäss Fig. 4 da erweitert, wo das Effizienz- Maximum aller Stufenlos-Getriebe-Bereiche liegt. Im Getriebe-3 liegt direkt am Geared-Neutral-Punkt A2, im Fix-Gang X, das höchste mechanische Drehmoment stufenlos als Abtrieb an. Erfindungsgemäss ist mechanisches Kuppeln einer -drehenden Welle und einer zweiten Welle im sog. Aktiven Stillstand mit einer stufenlosen Drehzahl-/Drehmoment-Transformation möglich. Das Getriebe-3 mit seinem Fix-Gang X wandelt Leistungen mit sehr hohen Drehmomenten ohne Unterbruch im Stillstand kontinuierlich fliessend zwischen den Bewegungsrichtungen vorwärts und rückwärts. Der Abtrieb kann im Getriebe-3 mit drehendem Motor M dynamisch still stehen und mit dem paradoxen Fix-Gang X als Geared Neutral geschaltet und gestoppt werden - mit Abtriebsdrehzahl Null ohne Leistungsbedarf und gleichzeitig mit höchstem Drehmomentpotenzial bereit zum Antrieb.
Das Variator-Enhancement nutzt die zunehmende Variator-Leistung bei abnehmendem Variator-Wandelbereich. Im Getriebe-3 wird der gleiche Variator mit kleinem Variator-Bereich R (z.B. R ≤ 3) gemäss Fig. 6 sechs Mal hintereinander eingesetzt. Die Variator- Leistung kann zusätzlich mit einem Doppelzugmittel erhöht werden. Durch eine kontinuierliche, alternierende Abfolge von sog. FuIl- Variator-Bereichen mit Variator-Verstellungen von ünderdrive zu Overdrive und sog. Split-Torque-Bereichen mit Variator-Verstellungen von Overdrive zu Ünderdrive wird der Gesamt-Wandelbereich erweitert. Mit der Kombination von Planeten-Getrieben zur Drehzahlreduktion/Drehmomenterhöhung/Drehsinnumkehr und zur Overdrive- Vergrösserung, sowie mit der Power-Multiplication wird erreicht, dass die stufenlosen Wandlerelemente Motorleistung über den ganzen Übersetzungsbereich wandeln können, die ihre Wandlerleistungen mehrfach übersteigt. Die Antriebssteuerung 9 vernetzt dabei den Variator 7 mit Hilfe von Wandlerelementen 4, 14, 34, 35, 36, 44, 45 mechanisch mit den Stufengetrieben 12/13, 22/23, 32/33, 42/43, sowie mit Planetengetrieben 10, 20, 30, 49, zu einem kombinierten Verfahren aus Split-Torque und Power-Multiplication. Mit dem Inverter-Getriebe 30 fällt dank einem weiteren Drehsinnwechsel der Schaltsprung mit Variator-Inversion im Geared- Neutral-Punkt von Getriebe-2 weg. Die sechs vollständigen Variator-Verstellungen im Getriebe-3 werden gemäss Fig. 6 und Fig. 7 mit Reverse-Split-3, Start-Split- Low-3, Start-Split-High-3, Full-Drive-3, Overdrive-Split-Low-3, Overdrive-Split-High-3 bezeichnet. Dazwischen liegen in den 5 Synchronpunkten A2, Al, B, Cl, C2 die fünf Fix-Gänge: der Fix-Gang X und die Fix-Gänge 1, 2, 3, 4. Ein sechster Gang Max-3 als Spezial-Gang zur Maximalübersetzung bei C3, und ein siebenter Gang Speed-3 als Höchstgeschwindigkeitsgang bei Cl, erlauben feste Übersetzungen ohne Variator-Beteiligung und ohne Limitierung durch den Polygon-Effekt. Als feste Getriebekombination kann der Fix- Gang X einen Stillstand-Gang mit Parkstellung liefern. Alle Fix-Gänge werden von je drei aktivierten Kupplungen geschaltet. Mit der Öffnung einer dieser Kupplungen wird der Variator 7 befreit und kann eine stufenlose Wandlung in der Richtung zum nächsten Fix-Gang hin vornehmen.
Bei kurzen Fix-Gängen mit grosserer Schalt- und Wechseldynamik können Gesteuerte Kupplungen als zweite und vierte Wandlerelemente 14, 34 eingesetzt werden, welche die Schaltvorgänge mit Overrides des Variator 7 vereinfachen. Zur Getriebesicherung kann in jedem Fix-Gang das Split-Torque-Wandlerelement 14 oder das Inverter- Wandlerelement 34 reibschlüssig aktiviert und verzögerungsfrei gelöst werden. In vier von sechs Bereichen mit stufenloser Wandlung wirkt mindestens eines der zweiten und vierten Wandlerelemente 14, 34. Im Bereich Start-Split-Low-3 kann die Inversionsbremse 35 beim Anfahren als weiteres reibschlüssiges Element wirken. Im Bereich Overdrive-Split-High-3 kann neben wahlweise formschlüssigen Zahnkupplungen 4 und 36 der Variator 7 mit seinen Anpress-Scheiben als reibschlüssiges Sicherheitselement wirken. Direktgänge überbrücken mit schaltbaren Wandlerelementen die stufenlosen Wandlerelemente. Wie beim stufenlosen Betrieb mit dem Variator 7 wirken mit Direkt-Gängen die selben reibschlüssigen Wandlerelemente 14, 34 und die Bremse 35 als Sicherungselemente. Ein erstes Schaltdiagramm in Fig. 7 zeigt in der Übersicht die Variator-Bereiche und Gänge mit den aktivierten Wandlerelementen. Feste Gänge werden von den aktivierten Wandlerlementen aus benachbarten Stufenlos-Bereichen geschaltet. Mit dem Lösen eines entsprechenden Wandlerelementes werden die stufenlosen Wandlerelemente in einer Verstellrichtung befreit und übernehmen und steuern die Wandlerleistung. Der Spezialgang Speed-3 wird mit einer alternativen Kombination, der Spezialgang Max-3 mit Schaltsprung, Zugkraftunterbrechung und Überbrückung mit einer E- Wandlung so geschaltet, dass Split-Torque-Getriebe 10 und Variator 7 losgelöst drehen können. Zur Blockierung von Motor M, Getriebe und Variator 7, kann zusätzlich zum Fix-Gang X, wahlweise das Inverter-Getriebe 30 und/oder das Direktgetriebe 42/43 in die Split-Torque-Welle 6 eingekuppelt werden. Dazu kann Wandlerelement 36 oder 44 im Stillstand mit Unterstützung der E-Maschinen 15, 16 geschaltet werden.
Erfindungsgemässe Verbesserungen in viertem Ausführungsbeispiel Getriebe-10 nach Fig. 10 und viertem Wellendiagramm nach Fig. 11: Das Getriebe-10 läuft mit einem elektrischen stufenlosen Wandlerelement, wozu die E-Maschine 16 auf der Variator-Welle 8 angeordnet ist. Das Getriebe-10 eignet sich mit entsprechender Batterieleistung insbesondere für Hybridfahrzeuge. Das Getriebe-10 nutzt die hohe Drehmomentkapazität der E-Maschinen 15, 16 beim Anfahren und kann dank ihres grossen Drehzahlbereichs auf einen spezifischen Reverse-Bereich verzichten, 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. Das Getriebe-10 gemäss Fig. 10 ist mit einem Multi-Torque-Getriebe 49 beschrieben, das zur weiteren Drehmomentverstärkung eingesetzt werden kann.
Beim Anfahren im Getriebe-10 fliesst die Leistung vom drehendem Motor M über die Split-Torque-Welle 6 in das Power-Multiplication- Getriebe 20, wo die Leistung aufgeteilt bzw. über das dritte Getriebe 22/23 und die Planeten-Welle 11 zum Split-Torque-Getriebe 10 zurückgeleitet und weiter gewandelt wird. Das Split-Torque- Getriebe-10 kann mit dem ersten Wandlerelement 4 und dem zweiten Getriebe 12/13 und mit dem dritten Wandlerelement 25 und dem vierten Getriebe 26/27 mit der Split-Torque-Welle 6 verbunden werden. Vom Summandenglied des Split-Torque-Getriebes 10 führt die weitere Variator-Welle 8A zum Summenglied des Multi-Torque- Getriebes 49, welches mit einem Summandenglied über das sechste Getriebe 42/43 wiederum mit der Split-Torque-Welle 6, mit einem zweiten Summandenglied über die Variator-Welle 8 mit der zweiten E-Maschine 16 verbunden ist. Die E-Maschine 16 kann durch ihren ganzen Vorwärts- und Rückwärts-Drehbereich drehen, ohne Limitierung durch eine Minimalübersetzung. Kleinere Drehmomente werden mit grosserem Wandlerbereich kombiniert und mit dem Multi-Torque- Getriebe 49 verstärkt.
Beim Anfahren mit dem Motor M bremst an der Variatorwelle 8 die zweite E-Maschine 16 über das Multi-Torque-Getriebe 49 die weitere Variator-Welle 8A, womit, wie in den Ausführungsbeispielen Getriebe-1, Getriebe-2, Getriebe-3 im Split-Torque-Verfahren die Abtriebswelle 51 beschleunigt wird. Nach dem Übergang in den gegensinnigen Drehzahlbereich wird die Variator-Welle 8 mit umgekehrter E-Wandlung von der ersten E-Maschine 15 und/oder von der Batterie 50 angetrieben. Als kürzesten Gang kann das siebente Wandlerelement 45 das Multi-Torque-Getriebe 49 zum Direkt-Gang 1 schalten. Vor dem Erreichen des Fix-Gang 1 im Synchronpunkt Bl, kann das zweite Wandlerelement 14 das Split-Torque-Getriebe 10 dynamisch blockieren. Danach kann das erste Wandlerelement 4 gelöst und im Bereich Full-Drive-10 übersetzt werden. Die zweite E-Maschine 16 wird dabei als Generator und, nach Übergang in den ursprünglichen Drehbereich, als E-Antrieb eingesetzt. Zwischen Fix-Gang 1 und Fix-Gang 2 kann über die siebente Kupplung 45 der Direkt-Gang 2 eingekuppelt werden, der beide E-Maschinen 15, 16 mit einem Bypass vollständig entlastet. Ausserdem kann die Motordrehzahl mit der Antriebssteuerung 9 gesenkt, mit Leistung der Batterie 50 kompensiert, die Getriebewandlung Richtung Overdrive verändert und der Fix-Gang 2 schneller erreicht werden. Der Fix-Gang 2 wird mit dem dritten Wandlerelement 25 eingeschaltet. Sobald das zweite Wandlerelement 14 gelöst ist, kann mit der E-Wandlung der Bereich Overdrive-Split-10 durchfahren werden, wahlweise unterbrochen vom Direkt-Gang 3 mit dem siebenten Wandlerelement 45. Im längsten Overdrive liegt mit der E-Wandlung ein Wirkungsgradmaximum vor, da hier die elektrische Leistung bei Null liegt. Im Getriebe-10 sind die Reverse- und Overdrive-Split- 10 Bereiche allein durch die maximale Drehzahl der zweiten E- Maschine 16 begrenzt.
Mit dem Getriebe-10 kann dank mehreren Split-Torque-Verfahren hintereinander dynamisch rein elektrisch angefahren werden. Entsprechend den Faktoren K von Split-Torque-Getriebes 10, Power- Multiplication-Getriebe 20, Multi-Torque-Getriebe 49, kann das Drehmoment der langsam drehenden zweiten E-Maschine 16 durch Überlastung beim Anfahren noch weiter erhöht werden.
Ein Getriebe-10 mit einem Direkt-Getriebe und einem Multi-Torque- Getriebe 49 ermöglicht mit fünf Schaltelementen acht feste Vorwärtsgänge. In allen Bereichen und festen Gängen können die E- Maschinen 15, 16 elektrische Leistung einspeisen bzw. abzweigen.
Bei still stehendem Motor M kann allein mit der zweiten E-Maschine 16 losgefahren werden. Die E-Maschine 16 treibt bei geschlossenem
Wandlerelement 4 oder 14 oder 25 das Power-Multiplication-Getriebe
20 mit der entsprechenden Drehrichtung an. Multi-Torque-Getriebe
49 und Power-Multiplication-Getriebe 20 und wahlweise Split-
Torque-Getriebe 10 wirken bei Motorstillstand als Standgetriebe. Dadurch kann in den Bereichen Start-Split-10, Overdrive-Split-10 oder Full-Drive-10 angefahren werden. Die erste E-Maschine 15 kann bei Bedarf den Motor M starten, der dann mit seiner Leistung über das Multi-Torque-Getriebe 49, das Power-Multiplication-Getriebe 20 und wahlweise das Split-Torque-Getriebe 10 den Antrieb unterstützt. Die Antriebssteuerung 9 kann zur Optimierung des Antriebs die Getriebeübersetzung bzw. die Drehzahlen der beiden E- Maschinen 15, 16, z. B. in Richtung Underdrive oder Overdrive verändern, um mit Fix-Gängen oder Direkt-Gängen effizienter antreiben zu können. Sinngemäss kann mit der zweiten E-Maschine 16 mit umgekehrten Drehrichtungen auch elektrisch im den Bereich Reverse-10 angefahren und gefahren werden.
Erfindungsgemässe Verbesserungen im fünften Ausführungsbeispiel Getriebe-20 nach Fig. 14:
Das Getriebe-20 in Koaxial-Version stellt ein vereinfachtes Getriebe-10 in Koaxial-Version gemäss Fig. 12 mit einem mechanischen stufenlosen Wandlerelement Variator 7, ohne E-Wandlung und Batterie 50 dar, das als Anfahr- und Fahrgetriebe ohne Overdrive- Bereich und wahlweise mit Reverse-Bereich betrieben werden kann. Mechanische Getriebe-20 können beispielsweise als stufenlose Rennwagengetriebe mit drei Gängen eingesetzt werden. Alternativ kann ein elektrisches Getriebe-20 mit den ersten und zweiten E-Maschinen 15, 16, ohne Variator 7, drittes Getriebe 22/23 und Zwischenwelle 5 betrieben werden. Dieses Getriebe-20 kann z. B. als Schiffsantrieb mit dynamischer Kupplung rückwärts und dreistufig vorwärts und zusätzlich zur Bordstromproduktion mit beiden E-Maschinen 15, 16 genutzt werden. Getriebe-20 werden mit den ersten, zweiten und siebenten Wandlerelementen 4, 14, 45 als Gesteuerte Kupplungen, Zahnkupplungen oder Schaltgetriebe genutzt. Je zwei Wandlerelemente schalten eine Gangstufe, also die Wandlerelemente 4 und 45 eine erste Stufe, die Wandlerelemente 4 und 14 eine zweite Stufe, die Wandlerelemente 14 und 45 eine dritte Stufe zur direkten Verbindung von Split-Torque- Welle 6 und Abtriebswelle 51. Zusätzlich kann ein Multi-Torque- Getriebe 49 genutzt werden. Koaxiale Getriebeformen:
Alle Ausführungsbeispiele Getriebe-1, Getriebe-2, Getriebe-3, Getriebe-10 und Getriebe-20 lassen sich sowohl auf zwei Hauptwellen als sog. Parallel-Version, als auch auf einer Hauptwelle als sog. Koaxial-Version anordnen. In den bisherigen Ausführungen sind alle Getriebevarianten, ausser dem Getriebe-20, als Parallel- Versionen beschrieben worden. Weil alle Funktionen der Parallel- Versionen in den Koaxial-Versionen erhalten bleiben, werden nur Besonderheiten der Koaxial-Ausführungen ausdrücklich hervor- gehoben.
In den Koaxial-Versionen liegen der Motorantrieb M und die Getriebe 10, 20, 30, 49 auf der Split-Torque-Welle 6, wahlweise auch ein Kombi-Stufen-Getriebe 40, gebildet aus den zweiten und vierten Getrieben 12/13, 26/27 mit den ersten und dritten Wandlerelementen 4, 25 und der Inversionsbremse 35. Planetengetriebe sind gerade mit grossen Leistungen, niederen Drehzahlen und hohen Drehmomenten erste Wahl. In den Koaxial-Versionen führt die Split-Torque-Welle 6 als durchlaufende Antriebswelle vom Motor M bis in das Power-Multiplication-Getriebe 20. Die Zwischenwelle 5 kann zur Übersetzung der Wandlerdrehmomente von Variator 7 und/oder der E-Maschinen 15, 16 auf ein anderes Drehzahlniveau dienen. Die Variatorwelle 8 wird über das umplatzierte dritte Getriebe 22/23, wahlweise ein Multi-Torque-Getriebe 49 und die weitere Variator-Welle 8A mit dem Split-Torque-Getriebe 10 ver- bunden. Zwischen der Split-Torque-Welle 6 und dem fünften Zahnrad 22 oder einem Summandenglied des Multi-Torque-Getriebes 49 kann das siebente Wandlerelement 45 so angeordnet werden, dass Direkt- Gänge schaltbar sind. Dadurch kann das sechste Getriebe 42/43 entfallen oder mit dem sechsten Wandlerelement 44 als weiteres Direkt-Getriebe genutzt werden. In koaxialen Getrieben mit dem Motorantrieb M und einem mechanischen stufenlosen Wandlerelement an der Split-Torque-Welle 6, können der Variator 7, sowie die beiden E-Maschinen 15, 16 an zwei Wellenenden frei zugänglich angebracht werden, womit aber die Möglichkeit zum elektrischen Fahren mit der zweiten E-Maschine 16 entfällt. Beim Einsatz des 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, auch wenn die Schaltelemente hier in anderer Reihenfolge eingesetzt werden.
Erstes Getriebe-2 in Koaxial-Ausführung nach Fig. 8: Im Getriebe-2 liegen Motor M und die drei Planetengetriebe MultiStufen-Getriebe 40, Split-Torque-Getriebe 10 und Power-Multi- plication-Getriebe 20 in dieser Reihenfolge auf der Split-Torque- Welle 6. Die Planetenwelle 11 stellt als Verbindung von Split- Torque-Getriebe 10 und Power-Multiplication-Getriebe 20 ein gemeinsames Ringelement dieser beiden Getriebe dar, auf welchem die zweite E-Maschine 16 drehen kann. Am Summenglied des Split- Torque-Getriebes 10 können drei Gangstufen mit dem Kombi-Stufen- Getriebe 40 geschaltet werden, nämlich ein Stillstand, der durch das Wirken von Bremse 35 und Wandlerelement 25 aktiviert wird, eine erste Stufe, die durch das aktivierte Wandlerelement 4 und die Bremse 35 geschaltet wird und eine zweite Stufe, die durch die Wandlerelemente 4 und 25 geschaltet wird. Ein sechstes Getriebe 42/43 mit einem sechsten Wandlerelement 44 und ein siebentes Wandlerelement 45 schalten je vier Direkt-Gänge. Zusätzlich kann ein Multi-Torque-Getriebe 49 mit dem siebenten Wandlerelement 45 zur Überbrückung des stufenlosen Wandlerelements Variator 7 geschaltet werden.
Zweites Getriebe-3 in Koaxial-Ausführung nach Fig. 9: In koaxialen Getriebe-3 liegen Motor M und die drei Planetengetriebe Split-Torque-Getriebe 10, Inverter-Getriebe-30 und Power- Multiplication-Getriebe 20 in dieser Reihenfolge auf der Split- Torque-Welle 6. Die Inverter-Welle 31 stellt als Verbindung von Inverter-Getriebe 30 und Power-Multiplication-Getriebe 20 ein gemeinsames Ringelement dieser beiden Getriebe dar, auf welchem die zweite E-Maschine 16 drehen kann. Die E-Maschine 16 kann auch auf der Planetenwelle 11 angebracht sein. Die Inversionsbremse 35 kann direkt am Summenglied des Inverter-Getriebes 30 oder am neunten Zahnrad 32 des fünften Getriebes 32/33 wirken. Die sechsten und siebenten Wandlerelemente 44, 45 im sechsten Getriebe 42/43 und im Multi-Torque-Getriebe 49 können je sechs Direkt-Gänge schalten.
Drittes Getriebe-10 in Koaxial-Ausführung nach Fig. 12: Im koaxialen Getriebe-10 liegen Motor M und die drei Planetengetriebe Multi-Stufen-Getriebe 40, Split-Torque-Getriebe 10, Power—Multiplication-Getriebe 20 in dieser Reihenfolge auf der Split-Torque-Welle 6. Zum elektrischen Anfahren vorwärts und rückwärts kann mit Hilfe der Bremse 35 und des Wandlerelements 25 das Summenglied des Split-Torque-Getriebes 10 gestoppt werden und das Fahrzeug mit der zweiten E-Maschine 16, vom Split-Torque- Getriebe 10 und vom Power-Multiplication-Getriebe 20 Drehmomentverstärkt beschleunigt werden. Ein sechstes Wandlerelement 44 im sechsten Getriebe 42/43 und ein siebentes Wandlerelement 45 können je drei Direkt-Gänge schalten.
Zweiter Schaltablauf für das erste Getriebe-2 in Koaxial-Version nach Fig. 13
Zusätzlich zu den Wandlerelementen 4, 14, 25, wahlweise 44, sowie der Bremse 35 kann das siebente Wandlerelement 45 in der Koaxial- Version ein weiteres Direkt-Getriebe schalten. Entsprechend dem Signal für Richtungswahl vorwärts steuert die Antriebssteuerung 9 den Variator 7 in Stellung Variator-Overdrive und erstes Wandlerelement 4 und Inversionsbremse 35 werden zum Geared Neutral-Still- stand und den Bereich Start-Split-2 geschlossen. Mit den sechsten und siebenten Wandlerelementen 44, 45 in zwei Direkt-Getrieben, können die Direkt-Gänge 6 und 2 zur Variator-Überbrückung geschaltet werden. Mit der Verstellung des Variators 7 wird der Fix-Gang 1 erreicht oder schon vorzeitig mit der Gesteuerten Kupplung 14 dynamisch blockiert. Nach dem Lösen der Inversionsbremse 35 und/oder des Wandlerelements 4 kann der Variator 7 im Bereich Full-Drive-2 wandeln, wahlweise überbrückt von den Direkt-Gängen 3 und 7. Das Multi-Stufen-Getriebe 40 kann freigeschaltet mitdrehen. Wenn das erste Wandlerelement 4 im Bereich Full-Drive-2 aktiviert ist, kann mit Gesteuertem Kuppeln des dritten Wandler¬ elements 25 der Fix-Gang 2 am Ende des Variator-Overdrive geschal- tet werden. Sobald das zweite Wandlerelement 14 gelöst ist, kann der Variator im Bereich Overdrive-Split-2 die Wandlung fortsetzen, wahlweise überbrückt von Direkt-Gängen 8 und 4.
Im Stillstand, beim Signal zum rückwärts Anfahren, geht der Variator 7 in die Stellung Variator-Underdrive, worauf das dritte Wandlerelement 25 und die Inversionsbremse 35 geschlossen werden, das Multi-Stufen-Getriebe 40 im Stillstand blockieren und im Geared-Neutral-Stillstand den Bereich Reverse-Split-2 einschalten. Mit der Variator-Verstellung in Richtung Overdrive fährt das Fahrzeug rückwärts, wobei der Variator 7 auch in diesem Bereich von den Direkt-Gängen 1 und 5 überbrückt werden kann.
Wenn die sechsten und siebenten Wandlerelemente 44 und 45 als formschlüssige Zahnkupplungen oder als Schaltgetriebe ausgeführt sind, kann bei gestopptem Motor mit dem gleichzeitigen Einschalten von zwei Direkt-Gängen das Getriebe in Park-Stellung blockiert werden. Zur Getriebesicherheit können im Fahrbetrieb reibschlüssige Wandlerelemente 14 und/oder 25 und/oder 35 geschaltet sein, die bei Bedarf verzögerungsfrei gelöst werden.
Grundlagen zur Antriebsteuerung 9:
Alle erfindungsgemässen Gesamtgetriebe sind Verbindungsglieder mit wählbarer Flexibilität zwischen Motorantrieb M, Batterie 50 und Fahrzeugantrieb 51. Mit Hilfe von Sensordaten und Software in der Antriebssteuerung 9 werden in einem Wirkungsnetz von mechanischen Hardware-Komponenten effiziente Leistungsstränge zusammengeschaltet für Generation, Übertragung, Wandlung und Rekuperation von Antriebsleistungen. Aufgabe der Antriebssteuerung 9 ist die Optimierung des Gesamtantriebs mit Hilfe von statischen und dynamischen Parametern, sowie die Integration von fremdgeregelten Wirkungsvorgaben, wie Signale von Bedienungselementen, Fahrdyna- mikprogrammen, Verbrauchsreduktionsstrategien, GPS-Daten. Die Generation von Leistung im Motor M kann mit Daten von Verbrauchskennfeldern, Treibstoffverbrauchsmessungen, Drehzahl- und DrehmomentSensoren im variablen Getriebe optimiert werden.
Die Übertragung von Leistungen über verschiedene Stränge, wie Stufengetriebe, mechanische, elektrische, hydraulische stufenlose Wandlerelemente, kann mit Drehzahl- und Drehmomentsensoren in Echtzeit gemessen, verglichen und maximiert werden. Die Aufgabe der Leistungs-Wandlung ist es, Schwächen bei der Leistungs-Generation im Motor M zu vermeiden und deren Gesamteffizienz mit minimierten Immissionen zu erhöhen. Die Antriebssteuerung 9 regelt dazu mit entsprechenden Vorgaben wie Batterieladungsmanagement, Wirkungsgrad der Wandlerelemente, z. B. Leistungstransfers mit der Batterie 50, stufenlose Übergänge zwischen festen Getriebestufen, Drehzahl im Motor M. Leistungs-Rekuperation und die Sicherung einer Drehmomentreserve wird von der Antriebssteuerung 9 geregelt und optimiert, sinn- gemäss insbesondere bei PKW-Hybrid-Antrieben mit entsprechend dimensionierten Traktionsbatterien und/oder Superkondensatoren. Auch in Antrieben mit grosseren Motoren, wahlweise nur mit einer E-Maschine als Anlasser/Generator und minimaler Starterbatterie 50, kann die Antriebssteuerung 9 den elektrischen Bereich gleich wie einen Hybridantrieb regeln.
Die Antriebssteuerung 9 ist so angelegt, dass alle Komplexitätsstufen zwischen einem elementaren Betrieb des Stufengetriebes mit Zugkraftunterbrechung und Reibkupplungen bis hin zum optimalen Zusammenspiel von effizientem, immisionsarmem Motorbetrieb ohne Zugkraftunterbrechung, fliessenden Übergängen von Stufenlos- Bereichen und Gangstufen, mit maximaler Drehmomentreserve und Rekuperation im elektrischen Bereich, mit Fahrdynamikvorgaben, lernfähigen Steuerungen, frei wählbar realisiert werden können. M Motor
2 Zahnrad
3 Zahnrad
4 Wandlerelement
5 Zwischenwelle
6 Split-Torque-Welle
7 Variator
8 Variator-Welle
8A Variator-Welle
9 AntriebsSteuerung
10 Split-Torque-Getriebe
11 Planetenwelle
12 Zahnrad
13 Zahnrad
14 Split-Torque-Wandlerelement
15 E-Maschine 1
16 E-Maschine 2
20 Power-Multiplication-Getriebe
22 Zahnrad
23 Zahnrad
25 Wandlerelement
26 Zahnrad
27 Zahnrad
30 Inverter-Getriebe
31 Inverter-Welle
32 Zahnrad
33 Zahnrad
34 Inverter-Wandlerelement
35 Inversionsbremse
36 Wandlerelement
40 Kombi-Stufen-Getriebe
42 Zahnrad
43 Zahnrad
44 Direkt-Wandlerelement
45 Direkt-Wandlerelement
49 Multi-Torque-Getriebe
50 Batterie
51 Abtriebswelle

Claims

Patentansprüche
1. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe mit einer Mehrbereichsstruktur für ein von einem Motor (M) und einer Batterie (50) als primäre Leistungsquellen angetriebenes Motorfahrzeug mit mindestens folgenden Bauelementen:
- einer Split-Torque-Welle (6),
- einer Variator-Welle (8),
- einem Split-Torque-Getriebe (10) , - zwei kämmenden dritten und vierten Zahnrädern (12, 13), welche ein zweites Getriebe (12/13) darstellen,
- einer Antriebssteuerung (9),
- zwei schaltbaren ersten und zweiten Wandlerelementen (4, 14), - einem stufenlosen Wandlerelement zwischen der festen Split- Torque-Welle (6) und einem variablen Antriebsstrang,
- zwei ersten und zweiten E-Maschinen (15, 16) ,
- einer Abtriebswelle (51) , dadurch gekennzeichnet, dass dieses hybridfähige Getriebe zur Leistungsübertragung zwischen dem Motor (M), der Batterie (50) und der Abtriebswelle (51),
- Mittel zur Steigerung der Drehmoment- und Leistungsübertragung an die Abtriebswelle (51) sowie zur Erweiterung des Getriebe-Wandelbereichs enthält, welche gestatten,
- über den Wandelbereich und die Drehmoment-/Leistungs- kapazitäten von stufenlosen Wandlerelementen hinaus,
- mit der Summe der wirkenden Wandlerdrehmomente/-leistungen,
- die Abtriebswelle (51) motorisch und/oder elektrisch und/oder hydraulisch,
- vorwärts und rückwärts, stufenlos anfahren zu lassen, sowie
- vorwärts und rückwärts, stufenlos und gestuft, zu fahren und
- den ganzen Fahr- und Leistungsbereich eines Motorfahrzeugs, mit Antrieb und Rekuperation, abzudecken.
2. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als genannte Mittel
- steuerbare, nicht formschlüssige Wandlerelemente vorhanden sind, eine Auswahl aus den Wandlerelementen (4, 14, 25, 34, 35, 36, 44, 45), von denen
- das Wandlerelement, welches, in der Richtung der angestrebten Übersetzungsänderung, vorwärts und rückwärts,
- den nächsten Direkt-Gang oder Fix-Gang schaltet, von der Antriebssteuerung (9) geregelt, - als reibschlüssige, steuerbare Kupplung so eingesetzt werden kann, dass
- eine zusätzliche Leistung am Abtrieb wirkt, die sich zur Wirkung von gleichzeitig betriebenen, stufenlosen Wandlerelementen addiert.
3. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bauelemente genannte Mittel darstellen:
- die zweite Split-Torque-Kupplung (14), als reibschlüssiges Wandlerelement zwischen zwei von drei
Gliedern des Split-Torque-Getriebes (10) , entweder zwischen dem fest mit dem vierten Zahnrad (13) verbundenen Summenglied und der fest mit einem Summandenglied verbundenen Variator-Welle (8) oder einer weitern Variator-Welle (8A) zwischen anderen Gliederkombinätionen des Split-Torque- Getriebes (10), und wahlweise
- ein oder mehrere stufenlose Wandlerelemente, als mechanische und/oder elektrische und/oder hydraulische Variatoren, sowie weitere, nicht formschlüssige Wandler- elemente, welche Wandlerelemente alle
- die Split-Torque-Welle (6), über die Variator-Welle (8) oder die weitere Variator-Welle (8A) mit einem Summandenglied des Split-Torque-Getriebes (10) und/oder einer Planetenwelle (11) und/oder einer Inverter-Welle (31) und/oder der Abtriebswelle (51) verbinden können, wobei die Split-Torque-Welle (6) mit einem stufenlosen Wandlerelement über die Variator-Welle (8) oder die weitere Variator-Welle (8A) mit dem Summenglied des Split-Torque- Getriebes (10) und, in einem ersten Bereich - mit geschlossenem erstem Wandlerelement (4), über die dritten und vierten Zahnräder (12, 13) mit dem Split-Torque- Getriebe (10) wirkverbunden ist, sowie in einem zweiten Bereich,
- mit offenem ersten Wandlerelement (4) und dem geschlosse- nem zweitem Split-Torque-Wandlerelement (14) direkt mit dem blockierten Split-Torque-Getriebe (10) wirkverbunden ist.
4. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bauelemente genannte Mittel darstellen:
- die erste E-Maschine (15) im primären Leistungsstrang auf der Split-Torque-Welle (6) oder auf einer Zwischenwelle (5),
- die zweite E-Maschine (16) in einem variablen Leistungsstrang, entweder - auf der Variator-Welle (8), der weiteren Variator-Welle
(8A), der Planetenwelle (11), der Inverter-Welle (31) oder der Abtriebswelle (51) , welche E-Maschinen zusammen
- ein steuerbares, nicht formschlüssiges, elektrisches stufenloses Wandlerelement bilden, sowie - die Batterie (50) , welche ein chemischer Speicher und/oder ein physikalischer SuperKondensator-Speicher und/oder ein andersartiger elektrischer Speicher sein kann, der in der Speichergrösse frei wählbar ist, und - diese Mittel zusammen mit den E-Maschinen (15, 16) einen elektrischen Hybrid-Kern-Antrieb mit integrierten Anlasser-, Start- und Generator-Funktionen bilden.
5. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bauelemente zusätzlich vorhanden sind und weitere genannte Mittel darstellen:
- ein kämmendes sechstes Direkt-Getriebe (42/43), wobei - ein elftes Zahnrad (42) fest mit der Split-Torque-Welle (6) verbunden ist, oder
- ein zwölftes Zahnrad (43) fest mit der Variatorwelle (8) oder der weiteren Variator-Welle (8A) verbunden ist, und, entweder - ein sechstes Direkt-Wandlerelement (44), welches als Zahnkupplung, als Schaltgetriebe oder als Gesteuerte Kupplung ausgeführt sein kann, eines der beiden Zahnräder (42, 43) mit der entsprechenden Welle verbinden kann, oder - ein Multi-Torque-Getriebe (49) vorhanden ist, welches Leistung, von der Split-Torque-Welle (6) als erstem Summanden und von der Variator-Welle (8) als zweitem Summanden, zu einer Summenleistung an der weiteren Variator- Welle (8A) zusammenführt, wobei - die Split-Torque-Welle (6) fest mit dem elften Zahnrad (42), das elfte Zahnrad (42) kämmend mit dem zwölften Zahnrad (43) , welches fest mit dem ersten Summandenglied des Multi-Torque-Getriebes (49) , und
- die Variator-Welle (8) fest mit dem zweiten Summandenglied des Multi-Torque-Getriebes (49) verbunden ist, sowie
- das Summenglied des Multi-Torque-Getriebes (49) über die weitere Variator-Welle (8A) fest mit einem Summandenglied des Split-Torque-Getriebes (10) verbunden ist, sowie wahlweise ein siebentes Direkt-Wandlerelement (45) vorhanden ist, welches
- als Zahnkupplung, als Schaltgetriebe oder als Gesteuerte Kupplung ausgeführt sein, und
- das Multi-Torque-Getriebe (49) zu einer festen Direkt- Getriebestufe blockieren und damit weitere Direkt-Gänge schalten kann.
6. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bauelemente zusätzlich vorhanden sind und weitere genannte Mittel darstellen: - ein Power-Multiplication-Getriebe (20) , ein drittes Zahnradgetriebe (22/23) , bestehend aus
- einem fünften Zahnrad (22) und einem sechsten Zahnrad (23), welche kämmen,
- eine Planetenwelle (11) , wobei - die Split-Torque-Welle (6) auf das eine Summandenglied des Power-Multiplication-Getriebes (20) gelegt ist,
- das fünfte Zahnrad (22) auf das zweite Summandenglied des Power-Multiplication-Getriebes (20) gelegt ist,
- das sechste Zahnrad (23) fest mit der Planetenwelle (11) oder einer Inverterwelle (31) verbunden ist, welche ihrerseits mit einem Summandenglied, entweder
- des Split-Torque-Getriebes (10) oder eines Invertergetriebes (30) verbunden ist, wobei
- im Power-Multiplications-Getriebe (20) , welches als Summiergetriebe an die Abtriebswelle (51) wirkt, gleichzeitig, sowohl
- die Leistungen von der Split-Torque-Welle (6) und über das dritte Getriebe (22 , 23),
- von der Variator-Welle (8) oder der weiteren Variator-Welle (8A) und/oder der Planetenwelle (11) und/oder der
Inverterwelle (31),
- an die Abtriebswelle (51) addiert werden, als auch
- alle Drehmomente an der Variator-Welle (8) oder der weiteren Variator-Welle (8A) und/oder an der Planetenwelle (11) und/oder an der Inverterwelle (31) , welche aus
- elektrischer Wandlung zwischen der ersten und der zweiten E-Maschine (15, 16) und/oder mechanischer Wandlung in einem Variator (7) und/oder mit Steuerbaren Kupplungen, einer Auswahl aus den Wandlerelementen (4, 14, 25, 34, 35, 36, 44, 45) und/oder weiteren Wandlungen stammen, - mit einem Faktor in Relation zum Differenzialfaktor K des Power-Multiplication-Getriebes (20) multipliziert, an der Abriebswelle (51) wirken.
7. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 4 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Antriebsteuerung (9) Soft- und Hardware vorhanden ist, wobei
- die Software Daten wie Einsatzbereiche, Betriebskennfelder, Batterie-Einsatzstrategien, Fahrdynamikregelung, zum Betrieb und zur Steuerung von regelbaren Antriebselementen, wie
Motor (M), Batterie (50), E-Maschinen (15, 16) stufenlosen Wandlerelementen, Wandlerelementen, Fahrzeugbremsen enthält, und
- die Hardware Prozessrechner und Sensoren von Komponenten, Bedienungsorganen, Zusatzsteuerungen umfasst, welche
Betriebsparameter überwachen und steuern, wie
- Drehzahlen der Split-Torque-Welle (6), der Variator-Welle (8) und der Abtriebswelle (51),
- Drehmomente an Split-Torque-Welle (6), Variator-Welle (8) oder weiterer Variator-Welle (8A), Abtriebswelle (51),
- Leistungen der ersten und zweiten E-Maschinen (15, 16) , Lade- und Entladeströme der Batterie (50) sowie Ladungszustand der Batterie (50) ,
- die Zustände und Wirkungsart von Wandlerelementen (4, 14, 25, 34, 35, 36, 44, 45) und Fahrzeugbremsen,
- Betriebstemperaturen von E-Maschinen (15, 16) , Getriebe,
- die auf Bedienungsorgane, wie Gaspedal, Fussbremse ausgeübten Kräfte, die Stellungen von manuell bedienbaren Wählschaltern, wie Richtungswahl, Moduswahl, das heisst Fahren mechanisch oder hybrid oder rein elektrisch.
8. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich folgende Bau¬ elemente vorhanden sind und weitere genannte Mittel dar- stellen: - ein drittes Wandlerelement (25) und ein viertes Getriebe (26/27) , wobei
- das achte Zahnrad (27) fest mit dem Summenglied des Split- Torque-Getriebes (10), das siebente Zahnrad (26) kuppelbar über das dritte Wandlerelement (25) mit der Split-Torque- Welle (6) verbunden ist oder die kämmenden siebenten und achten Zahnräder (26, 27) als Schaltgetriebe (26/27) ausgeführt sind, und
- die zweite E-Maschine (16) auf der Variator-Welle (8) liegt, womit
- im elektrischen Hybrid-Kern-Getriebe ein weiterer stufenloser Split-Torque-Bereich schaltbar ist.
9. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bauelemente zusätzlich vorhanden sind und weitere genannte Mittel darstellen:
- ein Zugmittel-Variator (7) als mechanisches stufenloses Wandlerelement mit zwei Eingängen,
- ein Element zum Drehsinn-/Drehzahlwechsel, bestehend aus einer Zwischenwelle (5) , einem ersten Zahnrad (2) auf der Zwischenwelle (5) , welches mit einem zweiten Zahnrad (3) kämmt, wobei
- die Zwischenwelle (5) des Elements zum Drehsinn-/Drehzahl- wechsel mit einem der beiden Eingänge des Variators (7) und mit seinem zweiten Zahnrad (3), entweder mit der Split-
Torque-Welle (6) oder der Variator-Welle (8) verbunden ist,
- die Zwischenwelle (5) zugleich die erste oder zweite Variator-Welle ist,
- der mechanische Variator (7) einen Stellbereich R und das Split-Torque-Getriebe (10) einen Differenzialfaktor K aufweisen,
- ein ganzer Stellbereich des Variators (7) an der Planetenwelle (11) , mit
- R > K, einen kontinuierlichen Vorwärts- und Rückwärts- Bereich, mit - R = K, einen Vorwärts-Bereich sowie, nach einer Umschaltung, einen Rückwärts-Bereich, antreibt und, wenn die zweite E-Maschine (16) auf der Planetenwelle 11 oder der Inverter-Welle (31) liegt, - alle genannten Elemente zusammen ein hybridfähiges Variator-Kern-Getriebe darstellen .
10. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bauelemente zusätz- lieh vorhanden sind und weitere genannte Mittel darstellen:
- ein viertes Getriebe (26/27) mit einem siebenten Zahnrad (26) und einem achten Zahnrad (27), ein drittes Wandlerelement (25) , eine Inversionsbremse (35) , wobei
- die Inversionsbremse (35) auf das Summenglied des Split- Torque-Getriebes (10) oder auf das zweite Getriebe (12/13) oder das vierte Getriebe (26/27) wirkt und es festhalten kann, sowie
- das achte Zahnrad (27) fest mit dem Summenglied des Split- Torque-Getriebes (10) verbunden, das siebente Zahnrad (26) mit der Split-Torque-Welle (6) über das dritte Wandlerelement (25) verbindbar, ist, welches als Zahnkupplung, als gesteuerte Kupplung oder als Schaltgetriebe (26/27) ausgeführt sein kann,
- die zweite E-Maschine 16 auf der Planetenwelle (11) angeordnet ist, womit
- im hybridfähigen Variator-Kern-Getriebe zwei zusätzliche Variator-Bereiche mit Split-Torque-Betrieb schaltbar sind.
11. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bauelemente zusätzlich vorhanden sind und weitere genannte Mittel darstellen:
- ein Inverter-Getriebe (30) , ein fünftes Getriebe (32/33) , bestehend aus einem neunten Zahnrad (32) und einem zehnten Zahnrad (33), welche kämmen, die Inverterwelle (31), ein viertes Inverter-Wandlerelement (34), eine Inversionsbremse (35), ein fünftes Wandlerelement (36), welches als Zahnkupplung, als gesteuerte Kupplung oder als Schaltgetriebe (32, 33) ausgeführt sein kann, wobei
- das Inverter-Getriebe (30) , über sein erstes Summandenglied mit der Planetenwelle (11) , über sein zweites Summandenglied mit der Inverter-Welle (31), über das Summenglied und das fünfte Getriebe (33/32) mit der Split-Torque-Welle (6), verbunden ist, wobei
- das neunte Zahnrad (32) mit Hilfe des fünften Wandler- elements (36) gesteuert eingekuppelt oder mit einer
Zahnkupplung oder als Schaltgetriebe (32/33) fest mit der Split-Torque-Welle (6) verbunden werden kann sowie
- die Inversionsbremse (35) auf das Summenglied des Inverter- Getriebes (30) oder auf das fünfte Getriebe (32/33) wirken und es festhalten kann, und
- die zweite E-Maschine 16 auf der Planetenwelle (11) oder der Inverter-Welle (31) angeordnet ist, womit
- im hybridfähigen Variator-Kern-Getriebe vier zusätzliche stufenlose Variator-Bereiche mit Split-Torque-Betrieb schaltbar sind.
12. Hybridfähiges Anfahr- und Fahrgetriebe nach Anspruch 8 oder 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass
- alle vorhandenen Planetengetriebe, eine Auswahl der Planetengetriebe (Split-Torque-Getriebe 10, Power-
Multiplication-Getriebe 20, Inverter-Getriebe 30, ein Kombi- Stufen-Getriebe 40, Multi-Torque-Getriebe 49),
- auf der Split-Torque-Welle (6) angeordnet sind, mit dem dritten Getriebe (22/23) zwischen der Variator-Welle (8) und dem Multi-Torque-Getriebe (49) oder der weiteren Variator- Welle 8A, das sechste Getriebe (42/43) zwischen der Split- Torque-Welle (6) und der weiteren Variator-Welle 8A und die erste E-Maschine (15) auf der Zwischenwelle (5) oder auf der Split-Torque-Welle (6), was - als koaxiale Getriebeausführung bezeichnet wird, wobei - das Kombi-Stufen-Getriebe (40) mit dem zweiten Getriebe (12/13), dem vierten Stufengetriebe (26/27), den ersten und dritten Wandlerelementen (4, 25), sowie wahlweise mit der Inversionsbremse (35) , gebildet wird, und - durch Verbinden der vorhandenen Elemente Split-Torque-Welle (6) mit, entweder weiterer Variator-Welle (8A) oder Summandenglied des Multi-Torque-Getriebes (49) , mit Hilfe des siebten Wandlerelements (45)
- weitere Direkt-Gänge geschaltet werden können.
13. Verfahren zum Betreiben eines hybridfähigen Anfahr- und Fahrgetriebes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Antriebssteuerung (9)
- Leistungen von allen wirkenden, stufenlosen und weiteren Wandlerelementen, zwischen Split-Torque-Welle (6) und
Variator-Welle (8) und/oder weiterer Variator-Welle (8A) und/oder Planetenwelle (11) und/oder Inverter-Welle (31) und/oder Abtriebswelle (51) ,
- unter Einbezug von Getriebeparametern und Sensordaten der stufenlosen Wandlerelemente des elektrischen Hybrid-Kern-
Antriebs oder des hybridfähigen Variator-Kern-Getriebes und der weiteren Wandlerelemente, insbesondere
- der Gesteuerten Kupplungen, einer Auswahl aus den Wandlerelementen (4, 14, 25, 34, 35, 36, 44, 45), entsprechend - den Drehmoment-Multiplikationspotenzialen und/oder den Drehmoment-Übertragungskapazitäten der beteiligten Wandlerelemente und/oder entsprechend
- den vorteilhaften Einsatzbereichen der beteiligten Wandlerelemente, - allein und in gleichzeitigem Parallelbetrieb übertragen werden.
14. Verfahren zum Betreiben eines hybridfähigen Anfahr- und Fahrgetriebes nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Antriebssteuerung (9) zur Überbrückung der Leistung von stufenlosen Wandlerelementen, wie Variator (7) , E-Maschinen (15, 16) und weiteren Wandlerelementen, entweder
- beim Erreichen der maximalen, respektive der minimalen Wandler-Übersetzung eines reibschlüssigen, stufenlosen Wandlerelements, welche erfindungsgemäss
- von zwei benachbarten stufenlosen Wandelbereichen, dem aktuell eingeschalteten und einem direkt anschliessenden erreicht wird oder
- bei in der Getriebesteuerung (9) festgelegten Quotienten von Drehzahl Split-Torque-Welle (6) zu Drehzahl Abtriebswelle (51) , welche sowohl Fix-Gängen als auch Direkt-Gängen entsprechen, oder
- sobald der Wirkungsgrad von Gesteuerten Kupplungen die Wirkungsgrade von gleichzeitig wirkender Wandlung mit mechanischem Variator (7) und/oder elektrischer Wandlung zwischen den E-Maschinen (15, 16) und/oder weiteren stufenlosen Wandlerelementen erreicht oder übertrifft,
- zusätzlich zu den aktiven Wandlerelementen, entweder
- ein reibschlüssiges Wandlerelement in Form einer Gesteuer- ten Kupplung, eine Auswahl aus Wandlerelementen (4, 14, 25,
34, 35, 36, 44, 45), Drehmoment-gesteuert und ruckfrei, oder
- ein formschlüssiges Wandlerelement, eine Auswahl aus Wandlerelementen (4, 14, 25, 34, 35, 36, 44, 45), synchron und lastfrei, aktiviert wird, so dass - eine feste Gangstufe geschaltet wird, hier Fix-Gang genannt, oder mit den sechsten und/oder siebten Wandlerelementen (44, 45)
- ein Direkt-Gang, geschaltet werden kann.
15. Verfahren zum Betreiben eines hybridfähigen Anfahr- und Fahrgetriebes nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherung des Antriebsstrangs
- pro Übersetzungsbereich mit reibschlüssiger stufenloser Wandlung, sowie pro Fix-Gang und Direkt-Gang, - mindestens ein reibschlüssiges Wandlerelement mit steuerbarem Drehmoment, wie eine mechanische Scheibenkupplung, eine elektromagnetische oder hydraulische Kupplung, aktiviert ist, wodurch - der Antrieb mit Hilfe der Antriebssteuerung (9) ohne Verzögerung freigeschaltet werden kann.
16. Verfahren zum Betreiben eines hybridfähigen Anfahr- und Fahrgetriebes nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Batterie (50) der stillstehende Motor (M),
- mit der ersten E-Maschine (15) und/oder der zweiten E-Ma- schine (16) , welche zweite E-Maschine (16) entweder an der Variator-Welle (8) oder der weiteren Variator-Welle (8A) mit geschlossenem zweitem Drehmomentwandler (14), oder an der Planetenwelle (11) mit geschlossenem vierten
Inverter-Wandlerelement (34) oder an der Inverter-Welle (31) angeordnet ist,
- gestartet werden kann sowie sowohl bei Stillstand als auch bei Drehen des Motors (M) , - mit der zweiten E-Maschine (16) , vorwärts und rückwärts, stufenlos angefahren und gefahren und rekuperiert werden kann und
- mit zusätzlicher Leistung aus dem Motor (M) mit der ersten und der zweiten E-Maschine (15, 16) und geschalteten Fix- Gängen und Direkt-Gängen,
- stufenlos vorwärts angefahren, gefahren, elektrische Leistung generiert und rekuperiert werden kann.
17. Verfahren zum Betreiben eines hybridfähigen Anfahr- und Fahrgetriebes nach Ansprüchen 8 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass Leistung der Batterie (50), bei stehendem Motor (M) ,
- mit der zweiten E-Maschine (16) , deren Drehmoment in Split- Torque-Getriebe (10), Power-Multiplication-Getriebe (20), und wahlweise Multi-Torque-Getriebe (49), verstärkt wird, - mit den geschlossenen ersten und dritten Wandlerelementen
(4, 25), vorwärts und rückwärts, zum Anfahren und Fahren genutzt werden kann und
- Leistung des Motors beim Vorwärtsfahren, nach dem Öffnen des ersten Wandlerelements (4) oder des dritten Wandlerelements (25) und dem Motorstart mit der ersten E-Maschine (15) ,
- auch nach dem Schliessen des zweiten Wandlerelements (14) und Öffnen des dritten oder ersten Wandlerelements (4 oder 25) von der Antriebssteuerung (9) geregelt
- mit beiden E-Maschinen (15, 16) genutzt werden kann.
18. Verfahren zum Betreiben eines hybridfähigen Anfahr- und Fahrgetriebes nach Ansprüchen 9 und 16, dadurch gekennzeich- net, dass
- bei geschalteter Geared-Neutral-Getriebeübersetzung oder
- im Stillstand im Anfahrbereich vorwärts oder rückwärts
- mit der ersten E-Maschine (15) und/oder der zweiten E-Maschine (16) der stillstehende Motor (M) mit der Batterie (50) gestartet und das Fahrzeug
- allein vom gestarteten Motor (M) und mit Leistung aus der Batterie (50) angetrieben werden kann.
19. Verfahren zum Betreiben eines hybridfähigen Anfahr- und Fahrgetriebes nach Ansprüchen 10 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Auswahl aus den Wandlerelementen (4, 14, 25, 35, 44, 45),
- vier stufenlose Wandlerbereiche von je einem Wandlerelement und - elf Gänge, drei Fix-Gänge sowie zweimal vier Direkt-Gänge, von je einem zusätzlichen Wandlerelement geschaltet werden, wobei
- Geared-Neutral nur im Stillstand von Motor (M) mit einem Fix-Gang als Parkbremse schaltbar ist und mit drehendem Motor (M) und Stillstand des Fahrzeugs, - der Split-Torque-Bereich zum Vorwärts-Anfahren mit erstem Wandlerelement (4) und Overdrive-Stellung des Variators (7) sowie
- der Split-Torque-Bereich zum Rückwärts-Anfahren mit Bremse (35) und Underdrive-Stellung des Variators (7) geschaltet wird und
- zum Richtungswechsel von Vorwärts- zu Rückwärts-Fahren mit einer sog. Inversion,
- gleichzeitig oder nacheinander, das Summenglied des Split- Torque-Getriebes (10) mit der Bremse (35) gestoppt, das erste Wandlerelement (4) gelöst und der Variator (7) von Overdrive zu Underdrive verstellt wird und diese Inversion auch im umgekehrtem Sinn durchgeführt werden kann.
20. Verfahren zum Betreiben eines hybridfähigen Anfahr- und Fahrgetriebes nach Ansprüchen 12 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Auswahl aus den Wandlerelementen (4, 14, 34, 35, 36, 44, 45), mit
- je zwei Wandlerelementen sechs stufenlose Wandlerbereiche, - und je einem zusätzlichen Wandlerelement Gänge geschaltet werden, nämlich
- fünf Fix-Gänge, und
- sechs Direkt-Gänge pro Direkt-Getriebe (42/43) , und
- drei Spezialgänge mit Freilauf im Variator (7), also - ein sog. Max-3-Gang mit Maximalübersetzung mit viertem
Wandlerelement (34) und Inversionsbremse (35) durch einem Schaltsprung mit Zugkraftunterbrechung,
- ein sog. Speed-3-Gang für Maximalgeschwindigkeiten mit den vierten und fünften Wandlerelementen (34) und (36) mit alternativer Kombination von Kupplungen aus Fix-Gang 3 und
- eine Motorblockade im Motorstillstand mit der Bremse (35) und dem Wandlerelement (36) .
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