Antriebsvorrichtunq für ein Geschwindiqkeits-Wechselqetriebe

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Geschwindigkeits-Wechselgetriebe für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Geschwindigkeits-Wechselgetrieben bzw. Schaltgetrieben ist es allgemein bekannt, die Getriebespreizung sowie die Anzahl der Vorwärtsgänge dadurch zu erhöhen, dass den Zahnradsätzen der Vorwärtsgänge ein sogenanntes Vorgelege mit zum Beispiel zwei Übersetzungsstufen vorgeschaltet wird. Das Vorgelege kann zum Beispiel ein entsprechend umschaltbares Planetengetriebe sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, mittels der bei einer großen Getriebespreizung und einer baulich günstigen Konstruktion vermehrte Freiheitsgrade in der Übersetzungsauslegung erzielbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung geben die Unteransprüche an.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass den Zahnradsätzen der Vorwärtsgänge ein in zwei Übersetzungsstufen umschaltbares Planetengetriebe vorgeschaltet ist, das ein angetriebenes Eingangselement, ein auf die Eingangswelle abtreibendes Ausgangselement und ein zum Umschalten der Übersetzungsstufen bremsbares oder kuppelbares Übertragungselement aufweist, wobei das Bremselement durch eine an das Übertragungselement angekoppelte Elektromaschine gebildet ist, mittels der das Übertragungselement feststellbar oder in beiden Drehrichtungen antreibbar ist. Durch die Kombination des Planetengetriebes mit der Elektromaschine kann neben der Umschaltung auf das niedrigere Übersetzungsverhältnis durch Feststellen (Bremsen) des Übertragungselements durch Überlagerung von Antriebsmoment der Elektromaschine auf das Übertragungselement des Planetengetriebes für die Vorwärtsgänge zugleich eine in einem definierten Umfang gesteuerte, variable Übersetzung gefahren werden. Ferner ersetzt die umsteuerbare Elektromaschine einen separaten Zahnradsatz für einen Rückwärtsgang, so dass das Wechselgetriebe insgesamt sehr kompakt ausgeführt sein kann. Insbesondere im Hinblick auf größere Brennkraftmaschinen-Momente ist es von Vorteil, wenn die Elektromaschine zusammen mit einem zusätzlichen Bremselement eine Bremswirkung erzeugt. Das Bremselement kann bevorzugt packageoptimiert als eine Bandbremse ausgeführt sein. Alternativ dazu ist auch der Einsatz einer anderen herkömmlichen Bremse möglich.

Die Antriebsordnung (gemäß Hauptanspruch) erlaubt es zudem, die E- Maschine als Anfahrelement zu nutzen. Je nach Ansteuerung der E-Maschine (beschleunigen oder verzögern) kann im verbrennungsmotorischen Betrieb vorwärts oder rückwärts angefahren werden.

In einer besonders bevorzugten Auslegung wird vorgeschlagen, dass das Planetengetriebe als Eingangselement ein erstes Sonnenrad aufweist, das mit dem Gehäuse der Trennkupplung ständig trieblich verbunden ist, dass das Planetengetriebe ferner ein zweites Sonnenrad als auf die Eingangswelle abtreibendes Ausgangselement aufweist, dass ein Steg mit Stufenplaneten- rädern als Übertragungselement mit den beiden Sonnenrädern in Eingriff und auf die Trennkupplung geschaltet ist, und dass der Steg mit dem Rotor der Elektromaschine gekoppelt ist. Daraus resultiert ein einfach aufgebautes Planetengetriebe, das nur über die Trennkupplung und das Brems- oder Antriebsmoment der Elektromaschine entsprechend variabel in den Übersetzungsverhältnissen gesteuert werden kann.

Dabei kann der Rotor der Elektromaschine baulich günstig unmittelbar auf einer die Trennkupplung mit dem Steg des Planetengetriebes verbindenden Welle angeordnet und bevorzugt zwischen der . Trennkupplung und dem Planetengetriebe eingeschaltet sein.

Des Weiteren kann der Durchmesser der ringförmigen Elektromaschine mit Rotor und Stator etwa dem größten Außendurchmesser (Hüllkreis) des Planetengetriebes entsprechen und zur Schaffung einer kompakten Anordnung in dem gleichen, umgebenden Getriebegehäuse angeordnet sein.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Wechselgetriebe ein Doppelkupplungsgetriebe sein, mit zwei koaxialen Eingangswellen, die über zwei Trennkupplungen aktivierbar sind und die auf ein Teilgetriebe A mit Vorwärtsgängen und ein Teilgetriebe B mit Vorwärtsgängen auf zumindest eine Abtriebswelle abtreiben, wobei das Planetengetriebe und die Elektromaschine auf die Eingangs-Hohlwelle des Teilgetriebes A geschaltet sind. Demzufolge sind die Vorwärtsgänge der Zahnradsätze des Teilgetriebes A verdoppelt und variabel steuerbar; zugleich ist der Rückwärtsgang über einen Vorwärtsgang im Teilgetriebe A und die Elektromaschine darstellbar, während die Zahnradsätze des Teilgetriebes B einfache, über Synchronkupplungen schaltbare Vorwärtsgänge bilden. Dazu kann in einer vorteilhaften Auslegung das Teilgetriebe A drei Zahnradsätze mit Loszahnrädern und Festzahnrädern aufweisen, über die die Vorwärtsgänge 1/2, 4/5, 7/8 schaltbar sind, während dem Teilgetriebe B die einfachen Vorwärtsgänge 3, 6, 9 zugeordnet sind. Der Zahnradsatz für den 172. Gang bzw. die niedrigste Übersetzung kann dabei vorteilhaft als Rückwärtsgang mitgenutzt werden.

In einer bevorzugten, getriebetechnisch einfach darstellbaren und im Wirkungsgrad günstigen Auslegung kann das vorgeschaltete Planetengetriebe durch Festsetzen des Stegs in eine niedrigere Übersetzung zur Bildung der Vorwärtsgänge 1 , 4, 7 und durch Schließen der Trennkupplung K1 in eine höhere 1 :1 Übersetzung zur Bildung der Vorwärtsgänge 2, 5, 8 schaltbar sein.

Zudem kann über die Elektromaschine das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes bzw. das der geschalteten Vorwärtsgänge durch Drehzahlüberlagerung am Übertragungselement bzw. Steg des Planetengetriebes variabel steuerbar sein, um somit variable, ggf. von der Leistungsanforderung an der Brennkraftmaschine und/oder von unterschiedlichen Fahrprogrammen des Kraftfahrzeugs die von den Zahnradsätzen an sich fest vorgegebenen Gangsprünge (Übersetzungsabstände) kürzer oder länger zu gestalten.

Femer kann bei geöffneter Trennkupplung und einem kleinen, geschalteten Vorwärtsgang über die Elektromaschine das Kraftfahrzeug vorwärts oder rückwärts fahrbar sein; bei geschlossener Trennkupplung und nicht geschalteten Vorwärtsgängen kann die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs startbar und schließlich insbesondere in der 1 :1 Übersetzungsstufe des Planetengetriebes die Elektromaschine als Generator zur Stromerzeugung steuerbar sein. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der beigefügten, schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Doppelkupplungsgetriebes für Kraftfahr- zeuge, mit einem vorgeschalteten Planetengetriebe und einer in das

Planetengetriebe integrierten Elektromaschine; und

Fig. 2 in skizzenhafter Darstellung das Planetengetriebe mit Elektromaschine als Einzelheit.

Die Fig. 1 zeigt grob schematisch ein Doppelkupplungsgetriebe 12 als Geschwindigkeits-Wechselgetriebe für Kraftfahrzeuge, mit zwei koaxialen Getriebe-Eingangswellen 14, 16, die über zwei Trennkupplüngen K1 , K2 mit einem antreibenden Antriebsaggregat bzw. einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) trieblich verbindbar sind. Die Eingangswelle 14 ist als Hohlwelle ausgeführt.

Achsparallel zu den Eingangswellen 14, 16 ist eine Abtriebswelle 18 vorgesehen, die sich im Ausführungsbeispiel aus einer ersten Ausgangswelle 18a und einer zweiten, als Hohlwelle ausgeführten, koaxialen Ausgangswelle 18b zusammensetzt.

Die erste Ausgangswelle 18a treibt über Stirnzahnräder 24, 26 auf ein an das Getriebegehäuse 20 angebautes Vorderachsdifferenzial 22 (nur angedeutet) ab, während die zweite Ausgangswelle 18b auf das Ausgleichsgehäuse 28 eines Zwischenachsdifferenziales 30 abtreibt, dessen Abtriebselemente bzw. Achskegelräder 32, 34 einerseits mit der Ausgangswelle 18a zum Antrieb des vorderen Achsdifferenzials 22 und andererseits mit einer Abtriebswelle 36 zum Antrieb eines hinteren Achsdifferenzials (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs verbunden sind. Die dargestellte Auslegung der Abtriebswelle 18 mit dem Zwischenachsdifferenzial 30 ermöglicht es, dass einzelne Vorwärtsgänge direkt auf das vordere Achsdifferenzial abtreiben, während andere Vorwärtsgänge über das Zwischenachsdifferenzial 30 einen Allradantrieb darstellen.

Die Abtriebswelle 18 kann im Falle eines Abtriebs nur auf ein Achsdifferenzial 22 (Frontantrieb) oder über die Abtriebswelle 36 auf ein hinteres Achsdifferenzial (Heckantrieb) auch einteilig und ohne Zwischenachsdifferenzial 30 ausgeführt sein.

Die besagten Wellen 14, 16, 18, etc. sind über nur angedeutete Wälzlager in dem Getriebegehäuse 20 drehbar gelagert.

Das Doppelkupplungsgetriebe 12 ist in ein Teilgetriebe A und ein Teilgetriebe B unterteilt, wobei sich die Eingangs-Hohlwelle 14 nur innerhalb des Teilgetriebes A erstreckt, während die Eingangswelle 16 durch die Eingangswelle 14 hindurch in das Teilgetriebe B bis zu dessen Abschlusswand 20a geführt ist.

Im Teilgetriebe A sind drei Vorwärtsgang-Zahnradsätze I, III, V angeordnet, die sich in bekannter Weise aus Festzahnrädern und Loszahnrädern zusammensetzen, wobei die Loszahnräder über Synchronkupplungen (allgemein mit 38 bezeichnet) geschaltet werden können. Die Zahnradsätze I, III, V bilden die Vorwärtsgänge 1/2, 4/5, 7/8 (wird noch erläutert).

Im Teilgetriebe B sind ebenfalls drei Vorwärtsgang-Zahnradsätze II, IV und VI vorgesehen, die sich ebenfalls aus Festzahnrädern und über eine Synchronkupplung 38 schaltbaren Loszahnrädern zusammensetzen und die in der entsprechenden Übersetzungsauslegung die Vorwärtsgänge 3, 6 und 9 bilden.

Dem Teilgetriebe A ist benachbart der Doppelkupplung K1 , K2 ein Planetengetriebe 40 vorgeschaltet, das koaxial zur Eingangs-Hohlwelle 14 ausgeführt ist und das von der Getriebeauslegung her in zwei Übersetzungsstufen bzw. in eine niedrigere Übersetzungsstufe und eine höhere 1 :1 Übersetzungsstufe umschaltbar ist. Dabei ist das Eingangselement des Planetengetriebes 40 (vgl. auch Fig. 2) durch ein erstes Sonnenrad 42 gebildet, das an das Gehäuse 44 der Doppelkupplung K1 , K2 angeschlossen und somit ständig angetrieben ist.

Der Steg 46 als Übertragungselement des Planetengetriebes 40 trägt mehrere, drehbar gelagerte Stufenplanetenräder 48, von denen das eine, größere Zahnrad 48a mit dem Sonnenrad 42 kämmt und trieblich mit der Kupplung K1 verbindbar ist.

Das kleinere Zahnrad 48b der Stufenplanetenräder 48 ist mit einem zweiten Sonnenrad 50 als Ausgangselement des Planetengetriebes 40 mit der Eingangs-Hohlwelle 14 des Teilgetriebes A verbunden.

Ferner ist die den Steg 46 tragende Hohlwelle 52 an eine ringförmig ausgeführte Elektromaschine 54 angeschlossen. Dabei ist der Rotor 54a unmittelbar auf der Hohlwelle 52 befestigt, während der Stator 54b in das umgebende Getriebegehäuse 20 (Fig. 1 ) eingesetzt ist. Der Durchmesser der Statorwicklungen ist dabei geringfügig größer als der durch die Stufenplanetenräder 48 gebildete, größte Hüllkreis des Planetengetriebes 40. Die Elektromaschine 54 kann eine Drehstrommaschine sein, die an das elektrische Antriebssystem des Kraftfahrzeugs mit einer entsprechenden Traktionsbatterie angeschlossen ist und die sowohl als Elektromotor als auch als Generator geschaltet werden kann.

Ist die Kupplung K1 geöffnet und die Elektromaschine 54 so geschaltet, dass deren Bremsmoment den Steg 46 stillsetzt, so treibt das Sonnenrad 42 über die Stufenplanetenräder 48 das Sonnenrad 50 und dieses die Eingangswelle 14 in der niedrigeren Übersetzungsstufe an; dies entspricht bei entsprechend geschalteten Zahnradsätzen des Teilgetriebes A den Vorwärtsgängen 1 (hier wird das Anfahren des Kraftfahrzeugs durch die Elektromaschine 54 über das ausgeübte Bremsmoment gesteuert), 4 und 7. Wird die Elektromaschine 54 stromlos geschaltet, so ist die Antriebsleistung unterbrochen. Zum Umschalten des Planetengetriebes 40 in die höhere 1 :1 Übersetzungsstufe wird die Kupplung K1 geschlossen, wobei nunmehr das Sonnenrad 42 und der Steg 46 zusammengeschaltet und das Planetengetriebe 40 in sich blockiert ist. Das Antriebsmoment teilt sich über die Kupplung K1 und das Gehäuse 44 entsprechend auf. In der 1 :1 Übersetzungsstufe des Planetengetriebes 40 können die Vorwärtsgänge 2, 5, 8 geschaltet werden.

Zum Schalten der Vorwärtsgänge 3, 6 und 9 des Teilgetriebes B werden in herkömmlicher Weise die Zahnradsätze II, IV oder VI über die Synchronkupplungen 38 geschaltet und über die Trennkupplung K2 aktiviert. Dabei ist die Kupplung K1 gelöst und die Elektromaschine 54 stromlos.

Neben der beschriebenen Umschaltfunktion kann die Elektromaschine 54 als Elektromotor in der Vorwärts-Drehrichtung gesteuert werden und somit dem Steg 46 ein Antriebsmoment bzw. eine Drehzahl überlagern, die den jeweils gerade über die Synchronkupplungen 38 geschalteten Vorwärtsgang (zum Beispiel 1. Gang) ein variables Übersetzungsverhältnis aufprägt, wodurch die im Teilgetriebe A über die Zahnradsätze I, II, V fest vorgegebenen Gangsprünge mehr oder minder veränderbar sind.

Die Elektromaschine 54 kann ferner in der umgekehrten Drehrichtung als Elektromotor geschaltet sein und somit bevorzugt bei geschaltetem 1. Vorwärtsgang (Zahnradsatz I) einen Rückwärtsgang bilden. Die Kupplung K1 muss dabei gelöst sein.

Des Weiteren kann die Elektromaschine 54 als Generator geschaltet sein, um im Fahrbetrieb (Rekuperationsbetrieb) des Kraftfahrzeugs, insbesondere bei geschlossener Kupplung K1 , bei Bedarf Strom für die Traktionsbatterie zu erzeugen.

Schließlich kann die Elektromaschine 54 bei geschlossener Kupplung K1 sowohl im Boostbetrieb als auch zum Starten die Brennkraftmaschine (mit-) antreiben. Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.

Das Wechselgetriebe kann auch als einfaches, ggf. automatisiertes Schaltgetriebe ohne Teilgetriebe B, ohne einer zweiten Trennkupplung K2 und ohne einer zweiten Eingangswelle 16 ausgeführt sein. Die Eingangswelle 14 könnte dann als Einzelwelle die erforderlichen Vorwärtsgang-Zahnradsätze (auch mehr oder weniger als beschrieben) tragen.