DE102011080068A1

DE102011080068A1 - Automatisiertes Gruppengetriebe eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betreiben desselben

Info

Publication number: DE102011080068A1
Application number: DE102011080068A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kaltenbach
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-01-31

Abstract

Automatisiertes Gruppengetriebe (CT) eines Kraftfahrzeugs, mit einem in Vorgelegebauweise ausgeführten Hauptgetriebe (HG), welches eine Hauptwelle (WH) und mindestens eine Vorgelegewelle (WVG1, WVG2) aufweist, und mit einer dem Hauptgetriebe (HG) antriebstechnisch nachgeschalteten, insbesondere als Bereichsgruppe ausgeführten, Nachschaltgruppe (GP), wobei eine Eingangswelle (WGE) des Gruppengetriebes (CT) mit einem Verbrennungsmotor (VM) eines Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs und eine Ausgangswelle (WGA) des Gruppengetriebes (CT) mit einem Achsantrieb (AB) des Kraftfahrzeugs koppelbar ist, wobei eine elektrische Maschine (EM) des als Hybridantrieb ausgebildeten Antriebsaggregats an das Hauptgetriebe (HG) über ein Planetengetriebe (PG) koppelbar ist, wobei die elektrische Maschine (EM) an ein erstes Element des Planetengetriebes (PG) koppelbar ist, wobei ein zweites Element des Planetengetriebes (PG) mit einer Eingangswelle des Hauptgetriebes (HG) gekoppelt ist, und wobei ein drittes Element des Planetengetriebes (PG) mit einer Ausgangswelle des Hauptgetriebes (HG) und damit einer Eingangswelle der Nachschaltgruppe (GP) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein automatisiertes Gruppengetriebe eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben desselben.
Als automatisierte Gruppengetriebe ausgebildete Schaltgetriebe mit einem mehrstufigen Hauptgetriebe und einer dem Hauptgetriebe antriebstechnisch nachgeschalteten, insbesondere als Bereichsgruppe ausgeführten, Nachschaltgruppe und/oder einer dem Hauptgetriebe antriebstechnisch vorgeschalteten, insbesondere als Splitgruppe ausgeführten, Vorschaltgruppe sind aus der DE 10 2007 010 829 A1 bekannt und kommen z. B. in Nutzfahrzeugen zur Anwendung. Durch eine beispielsweise zweistufig ausgeführte Splitgruppe mit einem in etwa der Hälfte eines mittleren Übersetzungssprungs zwischen zwei aufeinander folgenden Übersetzungsstufen des Hauptgetriebes entsprechenden Übersetzungssprung werden die Übersetzungssprünge des Hauptgetriebes halbiert und die Anzahl der insgesamt zur Verfügung stehenden Gänge verdoppelt. Durch eine beispielsweise zweistufige Bereichsgruppe mit einem in etwa um einen mittleren Übersetzungssprung zwischen zwei aufeinander folgenden Übersetzungsstufen des Hauptgetriebes über dem gesamten Übersetzungssprung des Hauptgetriebes liegenden Übersetzungssprung wird die Spreizung des Gruppengetriebes in etwa verdoppelt und die Anzahl der insgesamt zur Verfügung stehenden Gänge nochmals verdoppelt. Die Splitgruppe kann dem Hauptgetriebe vor- oder nachgeschaltet und demnach als Vorschaltgruppe oder Nachschaltgruppe ausgeführt sein. Ebenso kann die Bereichsgruppe dem Hauptgetriebe vor- oder nachgeschaltet und demnach als Vorschaltgruppe oder Nachschaltgruppe ausgeführt sein. Automatisierte Schaltgetriebe, die formschlüssig arbeitende Schaltelemente aufweisen, sind von automatischen Lastschaltgetrieben mit reibschlüssig arbeitenden Schaltelementen zu unterscheiden. Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein automatisiertes Gruppengetriebe welches zumindest ein Hauptgetriebe und eine vorzugsweise als Bereichsgruppe ausgeführte Nachschaltgruppe umfasst. Optional kann eine Vorschaltgruppe vorhanden sein.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten, automatisierten Gruppengetrieben ist das Hauptgetriebe in Vorgelegebauweise ausgeführt und umfasst eine Hauptwelle sowie mindestens eine Vorgelegewelle. Die Nachschaltgruppe und die gegebenenfalls vorhandene Vorschaltgruppe können ebenfalls in Vorgelegebauweise ausgeführt sein. Dann, wenn ein automatisiertes Gruppengetriebe in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integriert ist, ist eine Eingangswelle des automatisierten Gruppengetriebes vorzugsweise über eine steuerbare Anfahrkupplung mit dem Antriebsaggregat und eine Ausgangswelle des automatisierten Gruppengetriebes mit einem Achsantrieb verbunden.
Dann, wenn das Antriebsaggregat als reiner Verbrennungsmotor ausgeführt ist, ist der Verbrennungsmotor, wie bereits erwähnt, vorzugsweise über die Anfahrkupplung mit der Eingangswelle des Gruppengetriebes gekoppelt.
Dann, wenn das Antriebsaggregat als Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine ausgeführt ist, ist die elektrische Maschine entweder unter Bereitstellung eines sogenannten Kurbelwellenstartergenerators (KSG Anordnung) zwischen den Verbrennungsmotor und die Anfahrkupplung oder unter Bereitstellung eines sogenannten integrierten Startergenerators (ISG Anordnung) zwischen die Anfahrkupplung und die Eingangswelle des Gruppengetriebes geschaltet.
Aus DE 199 34 696 A1 , DE 10 2008 043 341 A1 und EP 0 986 713 B1 sind jeweils elektrodynamische Antriebssysteme mit einer elektrischen Maschine und mit einem Planetengetriebe bekannt, wobei nach der EP 0 986 713 B1 sowie nach der DE 10 2008 043 341 A1 das jeweilige elektrodynamische Antriebssystem jeweils das gesamte Getriebe umgreift.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges automatisiertes Gruppengetriebe eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein automatisiertes Gruppengetriebe gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist eine elektrische Maschine des als Hybridantrieb ausgebildeten Antriebsaggregats an das Hauptgetriebe über ein Planetengetriebe koppelbar, wobei die elektrische Maschine an ein erstes Element des Planetengetriebes koppelbar ist, wobei ein zweites Element des Planetengetriebes mit einer Eingangswelle des Hauptgetriebes gekoppelt ist, und wobei ein drittes Element des Planetengetriebes mit einer Ausgangswelle des Hauptgetriebes und damit einer Eingangswelle der Nachschaltgruppe gekoppelt ist. Erfindungsgemäß umgreift demnach das elektrodynamische Antriebssystem nicht das gesamte Getriebe sondern ausschließlich das Hauptgetriebe.
Dadurch, dass erfindungsgemäß das elektrodynamische Antriebssystem, welches die elektrische Maschine und das Planetengetriebe umfasst, an das Hauptgetriebe gekoppelt ist bzw. das Hauptgetriebe umgreift, können im Hauptgetriebe Schaltungen unter Last ausgeführt werden. Dann, wenn eine Vorschaltgruppe vorhanden ist, können Schaltungen in dem Hauptgetriebe und der Vorschaltgruppe nicht gleichzeitig unter Last aufgeführt werden. In dem Fall, in welchem eine als Splitgruppe ausgeführte Vorschaltgruppe mit zwei Gängen vorhanden ist, bedeutet dies, dass bei einer Lastschaltung im Hauptgetriebe bezüglich der Gangfolge des gesamten Gruppengetriebes immer ein Gang übersprungen wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Nachschaltgruppe über die elektrische Maschine synchronisiert werden kann. Beim erfindungsgemäßen Gruppengetriebe kann beim elektrodynamischen Anfahren die Übersetzung der Nachschaltgruppe zum Anfahren genutzt werden. Beim rein elektrischen Fahren, in welchem das die elektrische Maschine und das Planetengetriebe umfassende, elektrodynamische Antriebssystem überbrückt ist, wird ebenfalls die Übersetzung der Nachschaltgruppe genutzt. Da das Hauptgetriebe über eine geringere Spreizung als das gesamte Gruppengetriebe verfügt, liegt der Drehzahlbereich der elektrischen Maschine näher beim Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors. Wie bereits ausgeführt, kann die Nachschaltgruppe über die elektrische Maschine synchronisiert werden. Eine konventionelle Synchronisiereinrichtung kann entfallen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs sowohl ein Zustart des Verbrennungsmotors als auch ein Laden eines elektrischen Energiespeichers möglich ist.
Vorzugsweise ist das zweite Element des Planetengetriebes über ein koaxial auf der Hauptwelle gelagertes Losrad mit der oder jeder Vorgelegewelle des Hauptgetriebes gekoppelt, welches in ein der jeweiligen Vorgelegewelle zugeordnetes Festrad kämmt. Eine derartige Ausgestaltung ist konstruktiv besonders vorteilhaft.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Schaltpaket vorgesehen, über welches die Kopplung des zweiten Elements des Planetengetriebes mit der Eingangswelle des Hauptgetriebes oder die Kopplung des dritten Elements des Planetengetriebes mit der Ausgangswelle des Hauptgetriebes oder die Kopplung des ersten Elements des Planetengetriebes mit der elektrischen Maschine schaltbar ist. Über ein solches Schaltpaket sind weitere vorteilhafte Betriebsarten an einem Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen, automatisierten Gruppengetriebe realisierbar.
Vorteilhafte Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Gruppengetriebe, bei welchem das elektrodynamische Antriebssystem nicht das gesamte Getriebe sondern ausschließlich das Hauptgetriebe umfasst, sind in den Patentansprüchen 11 bis 20 definiert. Diese Verfahren erlauben allesamt einen neuartigen und bevorzugten Betrieb eines solchen Kraftfahrzeugs mit einem solchen automatisierten Gruppengetriebe.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein Schema eines Antriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Gruppengetriebe sowie einem Antriebsaggregat und einem Achsantrieb nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Schema eines Antriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Gruppengetriebe sowie einem Antriebsaggregat und einem Achsantrieb nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein Schema eines Antriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Gruppengetriebe sowie einem Antriebsaggregat und einem Achsantrieb nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ein Schema eines Antriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Gruppengetriebe sowie einem Antriebsaggregat und einem Achsantrieb nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 ein Schema eines Antriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Gruppengetriebe sowie einem Antriebsaggregat und einem Achsantrieb nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 ein Schema eines Antriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Gruppengetriebe sowie einem Antriebsaggregat und einem Achsantrieb nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 ein Schema eines Antriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Gruppengetriebe sowie einem Antriebsaggregat und einem Achsantrieb nach einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 ein Schema eines Antriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Gruppengetriebe sowie einem Antriebsaggregat und einem Achsantrieb nach einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 ein Schema eines Antriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Gruppengetriebe sowie einem Antriebsaggregat und einem Achsantrieb nach einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
10 ein Schema eines Antriebsstrangs mit einem erfindungsgemäßen Gruppengetriebe sowie einem Antriebsaggregat und einem Achsantrieb nach einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt ein Schema eines Gruppengetriebes CT zusammen mit einem Verbrennungsmotor VM eines Hybridantriebs, einer elektrischen Maschine EM des Hybridantriebs und einem Achsantrieb AB.
Das in 1 dargestellte Gruppengetriebe CT umfasst ein Hauptgetriebe HG, eine dem Hauptgetriebe HG antriebstechnisch vorgeschaltete, als Splitgruppe GV ausgeführte Vorschaltgruppe sowie eine dem Hauptgetriebe HG antriebstechnisch nachgeschaltete, als Bereichsgruppe GP ausgeführte Nachschaltgruppe. Die Vorschaltgruppe GV ist optional und kann auch entfallen.
Das Hauptgetriebe HG des Gruppengetriebes CT der 1 ist als Direktganggetriebe in Vorgelegebauweise ausgeführt und weist eine Hauptwelle W_H und zwei Vorgelegewellen W_VG1 und W_VG2 auf. Das Hauptgetriebe HG ist mit drei Übersetzungsstufen G1, G2 und G3 für eine Vorwärtsfahrt und einer Übersetzungsstufe R für eine Rückwärtsfahrt dreistufig ausgebildet. Losräder der Übersetzungsstufen G1, G2 und R sind jeweils drehbar auf der Hauptwelle W_H gelagert und über zugeordnete Klauenkupplungen schaltbar. Die zugeordneten Festräder sind drehfest auf den Vorgelegewellen W_VG1 und W_VG2 angeordnet. Die Schaltelemente der Übersetzungsstufen G3 und G2 sowie die Schaltelemente der Übersetzungsstufen G1 und R sind jeweils als Klauenkupplungen ausgebildet und in einem gemeinsamen Schaltpaket S1 bzw. S2 mit den Schaltelementen C und D im Schaltpaket S1 und den Schaltelementen E und F im Schaltpaket S2 zusammengefasst.
Die optionale, als Splitgruppe GV ausgeführte Vorschaltgruppe des Gruppengetriebes CT der 1 ist zweistufig ausgebildet und ebenfalls in Vorgelegebauweise ausgeführt, wobei die beiden Übersetzungsstufen K1 und K2 der Vorschaltgruppe GV zwei schaltbare Eingangskonstante des Hauptgetriebes HG bilden. Durch eine geringere Übersetzungsdifferenz der beiden Übersetzungsstufen K1, K2 ist die Vorschaltgruppe GV als Splitgruppe ausgelegt. Das Losrad der ersten Übersetzungsstufe K1 ist drehbar auf der Eingangswelle W_GE gelagert, die über eine steuerbare Anfahrkupplung AK mit dem Verbrennungsmotor VM des Hybridantriebs in Verbindung steht. Das Losrad der zweiten Übersetzungsstufe K2 ist drehbar auf der Hauptwelle W_H gelagert, wobei die zweiten Übersetzungsstufe K2 der Vorschaltgruppe GV und die Übersetzungsstufe G3 des Hauptgetriebes HG konstruktiv zusammengefasst sind.
Die Festräder beider Übersetzungsstufen K1, K2 der Vorschaltgruppe bzw. Splitgruppe GV sind jeweils drehfest mit den eingangsseitig verlängerten Vorgelegewellen W_VG1 und W_VG2 des Hauptgetriebes HG angeordnet. Die synchronisierten und als Klauenkupplungen ausgebildeten Schaltelemente der Vorschaltgruppe GV sind in einem gemeinsamen Schaltpaket SV mit den Schaltelementen A und B zusammengefasst.
Die dem Hauptgetriebe HG nachgeordnete und als Bereichsgruppe GP ausgeführte Nachschaltgruppe des Gruppengetriebes CT der 1 ist ebenfalls zweistufig ausgebildet, jedoch in Planetenbauweise mit einem einfachen Planetenradsatz. Alternativ kann die Nachschaltgruppe auch in Vorgelegebauweise ausgeführt sein. Das Sonnenrad PS1 der Nachschaltgruppe GP ist drehfest mit der ausgangsseitig verlängerten Hauptwelle W_H des Hauptgetriebes HG verbunden. Der Planetenträger PT1 ist drehfest mit der Ausgangswelle W_GA des Gruppengetriebes CT gekoppelt, die mit einem gestrichelt gezeichneten Achsantrieb AB in Verbindung steht. Das Hohlrad PH1 steht mit einem Schaltpaket SP mit zwei synchronisierten, als Klauenkupplungen ausgebildeten Schaltelementen G und H in Verbindung, durch welche die Bereichsgruppe GP wechselweise durch die Verbindung des Hohlrads PH1 mit einem feststehenden Gehäuseteil in eine Langsamfahrstufe und durch die Verbindung des Hohlrads PH1 mit der Hauptwelle W_H bzw. dem Sonnenrad PS1 in eine Schnellfahrstufe schaltbar ist.
Erfindungsgemäß ist dem automatisierten Gruppengetriebe CT ein elektrodynamisches Antriebssystem zugeordnet, welches von einer elektrischen Maschine EM des als Hybridantrieb ausgebildeten Antriebsaggregats und einem Planetengetriebe PG gebildet ist, wobei die elektrische Maschine EM über das Planetengetriebe PG an das Hauptgetriebe HG koppelbar ist, nämlich derart, dass die elektrische Maschine EM an ein erstes Element des Planetengetriebes PG koppelbar ist, dass ein zweites Element des Planetengetriebes PG mit einer Eingangswelle des Hauptgetriebes HG gekoppelt ist, und wobei ein drittes Element des Planetengetriebes PG mit einer Ausgangswelle des Hauptgetriebes HG und damit einer Eingangswelle der Nachschaltgruppe GP gekoppelt ist.
Dann, wenn eine Vorschaltgruppe vorhanden ist, handelt es sich bei der Eingangswelle des Hauptgetriebes HG um die Ausgangswelle der Vorschaltgruppe GV.
Im Ausführungsbeispiel der 1, in welchem das Hauptgetriebe HG sowie die vorhandene Vorschaltgruppe GV in Vorgelegebauweise ausgeführt sind, ist das zweite Element des Planetengetriebes PG über ein koaxial auf der Hauptwelle W_H gelagertes Losrad mit der oder jeder Vorgelegewelle W_VG1, W_VG2 des Hauptgetriebes HG gekoppelt, wobei die oder jede Vorgelegewelle die Eingangswelle des Hauptgetriebes HG sowie die Ausgangswelle der Vorschaltgruppe GV bildet. Dieses Losrad kämmt dabei in ein auf der jeweilige Vorgelegewelle W_VG1, W_VG2 positioniertes Festrad ein. In 1 sind diese Festräder zusammen mit dem Losrad Bestandteil einer zusätzlichen Übersetzungsstufe K3, deren Übersetzung vorzugsweise zwischen der Übersetzung des kleinsten Gangs des Hauptgetriebes HG und der Übersetzung des größten Gangs des Hauptgetriebes HG liegt, also zwischen der Übersetzung der Übersetzungsstufe G1 und der Übersetzung der Übersetzungsstufe G3.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die elektrische Maschine EM an ein Sonnenrad PS2 des Planetengetriebes PG koppelbar, wobei die Eingangswelle des Hauptgetriebes HG mit einem Hohlrad PH2 des Planetengetriebes PG gekoppelt ist, und wobei die Ausgangswelle des Hauptgetriebes HG und damit die Eingangswelle der Nachschaltgruppe GP mit einem Steg PT2 des Planetengetriebes PG gekoppelt ist. Diese Verschaltung der Elemente des Planetengetriebes PG des elektrodynamischen Antriebssystems ist besonders bevorzugt, es ist jedoch auch eine andere Kopplung der Elemente des Planetengetriebes PG an die elektrische Maschine EM sowie die Eingangswelle und Ausgangswelle des Hauptgetriebes HG möglich. So kann auch ein sogenanntes Plus-Planetengetriebe zum Einsatz kommen.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel soll davon ausgegangen werden, dass, wie in 1 gezeigt, die elektrische Maschine EM an das Sonnenrad PS2 des Planetengetriebes PG, der Verbrennungsmotors VM über mindestens eine Vorgelegewelle W_VG1, W_VG2 am Hohlrad PH2 des Planetengetriebes PG und der Steg PT2 des Planetengetriebes PG an der Hauptwelle W_H und damit Ausgangswelle des Hauptgetriebes und damit Eingangswelle der Nachschaltgruppe GP angreift.
In einem konkreten Zahlenbeispiel sei davon ausgegangen, dass der erste Gang 1 des Hauptgetriebes HG eine Übersetzung i1 von i1 = 2,70 und der zweite Gang 2 des Hauptgetriebes HG eine Übersetzung i2 von i2 = 1,63 und der dritte Gang 3 des Hauptgetriebes HG eine Übersetzung i3 von i3 = 1,0 und der Rückwärtsgang R des Hauptgetriebes HG eine Übersetzung iR von IR = –2,5 aufweist, wobei die sogenannte Standgetriebeübersetzung i0 des Planetengetriebes PG i0 = –2 und die Übersetzung der Vorschaltgruppe GV iGV = 1 beträgt. Ferner sei davon ausgegangen, dass die Übersetzung der Übersetzungsstufe K3 der Übersetzung der Übersetzungsstufe G2 und damit der Übersetzung des zweiten Gangs entspricht.
Durch die Wahl der Übersetzung der Übersetzungsstufe K3 gleich der Übersetzung der Übersetzungsstufe G2 ist dann, wenn der zweite Gang durch Schließen des Schaltelements B des Schaltpakets S1 geschaltet ist, das Planetengetriebe PG direkt überbrückt. In diesem Fall befindet sich das Planetengetriebe PG im Blockumlauf, wobei dann Drehzahlgleichheit zwischen den drei Elementen bzw. Wellen des Planetengetriebes PG besteht.
Ist hingegen der erste Gang bzw. die Übersetzungsstufe G1 oder der dritte Gang bzw. die Übersetzungsstufe G3 oder auch der Rückwärtsgang bzw. die Übersetzungsstufe R geschaltet, so ist das Planetengetriebe PG indirekt überbrückt, es besteht dann keine Drehzahlgleichheit bzw. kein Blockumlauf am Planetengetriebe.
Am Planetengetriebe PG herrschen folgende Abhängigkeiten für Momente M: M_VM/M_EM = 2 M_PT2/M_EM = 3 M_PT2/M_VM = 1,5 wobei die Vorzeichen der Drehmomente so definiert sind, dass positive Momente im Zugbetrieb und negative Momente im Schubbetrieb auftreten.
Für Drehzahlen n gilt am Planetengetriebe folgende Beziehung: n_PS2 = 3·n_PT2 – 2·n_PH2 wobei positive Drehzahlen bei Vorwärtsfahrt in einem Vorwärtsgang im überbrückten Betrieb des elektrodynamischen Antriebssystems, also bei geschlossenem Schaltelement B, auftreten.
Dann, wenn im Hauptgetriebe HG kein Gang eingelegt ist, sich das Hauptgetriebe HG also in Neutral befindet, wird das Moment am Hohlrad PH2 um den Faktor 1,5 × 1,63 = 2,45 überhöht. In diesem Fall wird das Moment des Sonnenrads PS2 um den Faktor 3 überhöht und die Drehzahlen sind über die obige Beziehung bestimmt.
Dann, wenn im Hauptgetriebe HG das Schaltelement D das Schaltpakets S1 geschaltet bzw. geschlossen ist, wenn also der zweite Gang im Hauptgetriebe eingelegt ist, ist das Planetengetriebe PG direkt überbrückt, in diesem Fall befindet sich das Planetengetriebe PG im Blockumlauf, d.h. alle Elemente des Planetengetriebes PG verfügen über identische Drehzahlen. Für den Verbrennungsmotor VM wirkt in diesem Fall die Übersetzung der Übersetzungsstufe G2 des Hauptgetriebes HG, für die elektrische Maschine EM wirkt der Direktgang zum Steg, die Elektromaschine ist demnach direkt an die Ausgangswelle des Hauptgetriebes HG angekoppelt. In diesem Fall werden die Momente von Verbrennungsmotor VM und elektrischer Maschine EM nicht überhöht.
In dem Fall, in welchem im Hauptgetriebe HG das Schaltelement C des Schaltpakets S1 oder eines der Schaltelemente E und F des Schaltpakets S2 geschlossen bzw. geschaltet ist, ist das Planetengetriebe PG jeweils indirekt überbrückt, dasselbe befindet sich demnach nicht im Blockumlauf, sodass die Elemente des Planetengetriebes eine Differenzdrehzahl aufweisen, die von der oben aufgeführten Beziehung abhängig ist.
Dann, wenn im Hauptgetriebe HG das Schaltelement C des Schaltpakets S1 geschaltet bzw. geschlossen ist, befindet sich das Hauptgetriebe HG im dritten Gang, es wirkt dann also die Übersetzung i3 = 1,0.
In diesem Fall wird das Moment des Verbrennungsmotors VM durch das Planetengetriebe PG nicht überhöht. Das Moment der elektrischen Maschine EM wird durch das Planetengetriebe PG um den Faktor 1,77 überhöht, die elektrische Maschine EM dreht um den Faktor 1,77 schneller als der Steg PT2 des Planetengetriebes PG und als der Verbrennungsmotor VM, da Steg PT2 und Verbrennungsmotor VM gleich schnell drehen. Dies liegt daran, dass das Hohlrad PH2 des Planetengetriebes PG mit der Übersetzungsstufe K3 gekoppelt ist, wodurch der Kehrwert der Übersetzung des zweiten Gangs für das Hohlrad PH2 wirkt. Der Steg PT2 des Planetengetriebes PG ist mit der Ausgangswelle des Hauptgetriebes HG verbunden und hat die Übersetzung des dritten Gangs 1,0. Das Sonnenrad PS2 muss die Differenzdrehzahl ausgleichen und dreht daher 1,77-fach so schnell wie der Steg PT2.
Dann, wenn im Hauptgetriebe HG das Schaltelement E geschlossen bzw. geschaltet ist, ist im Hauptgetriebe HG der erste Gang und damit die Übersetzungsstufe G1 geschaltet, sodass für den Verbrennungsmotor VM die Übersetzung des ersten Gangs wirkt. Das Moment des Verbrennungsmotors VM wird in diesem Fall durch das Planetengetriebe PG nicht überhöht, das Moment der elektrischen Maschine EM wird durch das Planetengetriebe PG um den Faktor –0,31 verringert, die elektrische Maschine EM dreht um den Faktor –0,31 langsamer als der Steg PT2, die elektrische Maschine dreht demnach rückwärts.
Dann, wenn das Hohlrad PH2 des Planetengetriebes PG bei geschlossenem Schaltelement E mit der Übersetzungsstufe K3 verbunden ist, wirkt der Kehrwert des zweiten Gangs 1,63 für das Hohlrad PH2 sowie dazu in Reihe geschaltet die Übersetzung des ersten Gangs von 2,7. Die Übersetzung des zweiten Gangs wirkt in derjenigen Richtung, die dazu führt, dass das Hohlrad PH2 langsamer als der Steg PT2 dreht. Die Übersetzung des ersten Gangs hingegen bewirkt, dass das Hohlrad PH2 schneller als der Steg PT2 dreht. Der Steg PT2 ist mit der Ausgangswelle des Hauptgetriebes HG verbunden und verfügt über die Übersetzung 1,0. Die Sonne muss die Differenzdrehzahl ausgleichen und dreht daher, wie sich aus der obigen Gleichung ergibt, –0,31-fach so schnell wie der Steg PT2.
Dann, wenn das Schaltelement F des Schaltpaktes S2 des Hauptgetriebes HG geschaltet bzw. geschlossen ist, wird das Hauptgetriebe HG im Rückwärtsgang mit der Übersetzungsstufe R betrieben, wobei dann das Planetengetriebe PG wiederum indirekt überbrückt ist, sich also nicht im Blockumlauf befindet. Für den Verbrennungsmotor VM wirkt dann die Übersetzung des Rückwärtsgangs. Das Moment des Verbrennungsmotors wird durch das Planetengetriebe PG nicht überhöht, vielmehr wird das Moment der elektrischen Maschine EM durch das Planetengetriebe PG überhöht, nämlich um den Faktor 6,1. Die elektrische Maschine wird um den Faktor 6,1 schneller als der Steg PT2 des Planetengetriebes PG.
Da das Hohlrad PH2 des Planetengetriebes PG bei geschlossenem Schaltelement F mit der Übersetzungsstufe K3 verbunden ist, wirkt wiederum der Kehrwert der Übersetzung des zweiten Gangs von 1,63 sowie die in Reihe geschaltete Übersetzung des Rückwärtsgangs von –2,5. Der Steg PT2 ist mit der Ausgangswelle des Hauptgetriebes HG verbunden und verfügt über die Übersetzung von 1,0. Das Sonnenrad PS2 muss nach der obigen Drehzahlgleichung die Drehzahldifferenz ausgeglichen und dreht daher 6,1-fach so schnell wie der Steg PT2. Für den Verbrennungsmotor VM wirkt demnach die Übersetzung –2,5, sodass die elektrische Maschine EM –2,44-fach bezüglich des Verbrennungsmotors VM dreht, d.h. die elektrische Maschine EM dreht um den Faktor 2,44 schneller als der Verbrennungsmotor VM und zudem in die andere Richtung. Hierdurch kann beim Anfahren im Rückwärtsgang ein hohes Moment übertragen werden. Auch beim rein elektrischen Fahren kann der Rückwärtsgang im Hauptgetriebe HG geschaltet werden, um für die elektrische Maschine EM eine hohe Übersetzung darzustellen.
Wie bereits ausgeführt, ist im Ausführungsbeispiel der 1 die Übersetzungsstufe K3 vorhanden. Diese Übersetzungsstufe verfügt über eine Übersetzung, die zwischen der Übersetzung des ersten Gangs und der Übersetzung des dritten Gangs des Hauptgetriebes HG liegt. Hierdurch kann die Drehzahldifferenz am Planetengetriebe PG bei durch die Schaltelemente C, E und F indirekt überbrücktem, elektrodynamischem Antriebssystem gering gehalten werden. Dadurch kann die Blindleistung am Planetengetriebe minimiert werden.
Mit der in 1 gezeigten Antriebsstrangkonfiguration eines Kraftfahrzeugs, die das erfindungsgemäße Gruppengetriebe CT umfasst, kann rein elektrisch gefahren werden, und zwar bei von der Eingangswelle des Hauptgetriebes abgekoppeltem Verbrennungsmotor VM, wozu im Ausführungsbeispiel der 1 entweder die Anfahrkupplung AK geöffnet oder die Vorschaltgruppe GV in Neutral betrieben wird. Zum rein elektrischen Fahren sind im Hauptgetriebe HG und in der Nachschaltgruppe GP jeweils ein Gang eingelegt, wobei zum rein elektrischen Fahren bzw. Anfahren das Hauptgetriebe HG vorzugsweise in einem Gang betrieben wird, bei dem die elektrische Maschine EM eine relativ hohe Übersetzung zum Achsantrieb AB aufweist, was im Ausführungsbeispiel der 1 insbesondere im Gang 3 des Hauptgetriebes HG sowie im Rückwärtsgang R des Hauptgetriebes HG der Fall ist.
Zum elektrodynamischen Fahren bzw. Anfahren mit an die Eingangswelle des Hauptgetriebes HG angekoppelten Verbrennungsmotor VM wird beim Antriebsstrang der 1 das Hauptgetriebe HG in Neutral betrieben, in diesem Fall ist demnach im Hauptgetriebe HG kein Gang eingelegt, da ansonsten das elektrodynamische Antriebssystem umfassend elektrische Maschine EM und Planetengetriebe PG direkt oder indirekt überbrückt wäre. In der Nachschaltgruppe GP des Gruppengetriebes CT ist hingegen ein Gang eingelegt, sodass die elektrische Maschine EM ein vom Verbrennungsmotor VM bereitgestelltes Moment abstützt und dadurch ein Antriebsmoment am Achsantrieb AB bereitgestellt wird. Der in der Nachschaltgruppe GP eingelegte Gang ist insbesondere zum Anfahren geeignet, zum Beispiel durch Schließen des Schaltelements G des Schaltpakets SP und damit durch Schalten der Langsamfahrstufe der Nachschaltgruppe GP. Durch Einlegen eines Gangs im Hauptgetriebe HG kann das elektrodynamische Anfahren beendet werden.
Dann, wenn beim obigen elektrodynamischen Anfahren die gewünschte Fahrleistung nicht mehr bereitgestellt werden kann, weil zum Beispiel die elektrische Maschine EM kein ausreichendes Moment abstützen kann, weil zum Beispiel ein elektrischer Energiespeicher zu stark aufgeladen oder zu stark entladen wird, kann ein Übergang vom elektrodynamischen Anfahren auf ein Anfahren mithilfe der Anfahrkupplung AK erfolgen.
Hierzu wird ausgehend von geschlossener Anfahrkupplung AK, ausgehend von einem der Nachschaltgruppe eingelegten Gang sowie ausgehend vom Hauptgetriebe HG in Neutral, zunächst die Anfahrkupplung AK durch Absenken der Übertragungsfähigkeit derselben in Schlupf gebracht, anschließend wird durch Anpassung des von der elektrischen Maschine EM bereitgestellten Moments und/oder durch Anpassung der Übertragungsfähigkeit der Anfahrkupplung AK eines der Schaltelemente C, D, E oder F des Hauptgetriebes HG synchronisiert, um im synchronisierten Zustand den entsprechenden Gang einzulegen. Nachfolgen kann über den Verbrennungsmotor VM und die Anfahrkupplung AK, die schlupfend betrieben wird, gegebenenfalls mit Unterstützung durch die elektrische Maschine EM der Anfahrvorgang fortgesetzt werden, wobei bei Beteiligung durch die elektrische Maschine EM die Anfahrkupplung AK entlastet wird.
Dann, wenn nachfolgend ein Übergang vom Anfahren über die Anfahrkupplung AK auf elektrodynamisches Anfahren erfolgen soll, wird zunächst das vom Verbrennungsmotor VM und/oder das von der elektrischen Maschine EM bereitgestellte Moment derart beeinflusst, dass das jeweilige auszulegende Schaltelement C, D, E oder F des Hauptgetriebes HG lastfrei wird, und zwar unter gleichzeitiger Bereitstellung einer gewünschten Zugkraft am Achsantrieb AB. Die Zugkraft am Achsantrieb AB bleibt demnach erhalten. Das auszulegende Schaltelement wird dann lastfrei, wenn die Momentenverhältnisse am Hohlrad PH2 und Sonnenrad PS2 der Standgetriebeübersetzung i0 des Planetengetriebes PG entsprechen, wobei das Moment am Hohlrad PH2 vom Verbrennungsmotor VM und das Moment am Sonnenrad PS2 von der elektrischen Maschine EM stammt. Dann, wenn die elektrische Maschine EM nicht ausreichend Moment aufbringen kann, wird die Last des Verbrennungsmotors VM gegebenenfalls abgesenkt, um das auszulegende Schaltelement des Hauptgetriebes HG lastfrei zu machen. Dann, wenn das auszulegende Schaltelement C oder D oder E oder F des Hauptgetriebes HG lastfrei ist, wird dasselbe ausgelegt. Darauffolgend wird durch Anpassung des von der elektrischen Maschine EM bereitgestellten Moments und/oder durch Anpassung der Übertragungsfähigkeit der Anfahrkupplung AK synchronisiert und geschlossen, um nachfolgend über einen elektrodynamischen Anfahrvorgang bereitzustellen.
Ferner kann beim Antriebsstrang der 1 ein Start des Verbrennungsmotors VM oder ein Ladebetrieb eines elektrischen Energiespeichers dadurch realisiert werden, dass das Hauptgetriebe HG mit indirekter Überbrückung des Planetengetriebes PG und der elektrischen Maschine EM und damit mit indirekter Überbrückung des elektrodynamischen Antriebssystems betrieben wird, in dem im Schaltpaket S1 das Schaltelement C geschlossen bzw. geschaltet ist. Zum Achsantrieb hin wird das Gruppengetriebe CT, nämlich die Nachschaltgruppe GP in Neutral geschaltet, sodass weder der Start des Verbrennungsmotors VM noch alternativ der Ladebetrieb eines elektrischen Energiespeichers von der Fahrgeschwindigkeit abhängig ist. Weder zum Verbrennungsmotorstart noch zum Ladebetrieb eines elektrischen Energiespeichers ist ein Bremseingriff an einer Betriebsbremse erforderlich.
Ferner ist es beim Antriebsstrang der 1 möglich, dann, wenn die Vorschaltgruppe GV vorhanden ist, bei einer Schaltung in der Vorschaltgruppe GV die Zugkraft am Achsantrieb AB zu unterstützen. Die elektrische Maschine EM kann die Zugkraft am Achsantrieb AB ohne Beteiligung des Verbrennungsmotors VM aufrecht erhalten, während in der Vorschaltgruppe GV ein Gangwechsel erfolgt. Der Gangwechsel in der Vorschaltgruppe GV sowie deren Synchronisierung erfolgt ohne Beteiligung der elektrischen Maschine EM. Im Hauptgetriebe HG ist hierzu ein Gang eingelegt, sodass das elektrodynamische Antriebssystem umfassend die elektrische Maschine EM und das Planetengetriebe PG direkt oder indirekt überbrückt ist und die elektrische Maschine EM am Achsantrieb AB eine Zugkraft bereitstellen kann.
Dann, wenn ein hohes elektrisches, motorisches oder generatorisches Moment benötigt wird, wird im Hauptgetriebe HG ein Gang eingelegt, bei welchem die elektrische Maschine EM hoch übersetzt ist, so zum Beispiel der Gang 3.
Ferner kann eine Lastschaltung im Hauptgetriebe HG ausgeführt werden. Hierzu ist in der Ausgangssituation der Verbrennungsmotor VM an die Eingangswelle des Hauptgetriebes HG angekoppelt, und zwar in 1 durch Schließen der Anfahrkupplung AK und durch Einlegen eines Gangs in der optionalen Vorschaltgruppe GV. Wie bereits ausgeführt, sind Anfahrkupplung AK und Vorschaltgruppe GV nicht relevant, sodass dieselben auch entfallen können.
Vor Ausführung einer Lastschaltung im Hauptgetriebe HG ist im Hauptgetriebe HG ein Gang eingelegt, eines der Schaltelemente C oder D oder E oder F ist demnach eingelegt, wobei auch in der Nachschaltgruppe GP ein Gang eingelegt ist. Um nun im Hauptgetriebe HG unter Last einen Gangwechsel auszuführen, werden zunächst Momente von Verbrennungsmotor VM und/oder elektrischer Maschine EM so angepasst bzw. gesteuert, dass das geschlossene Schaltelement lastfrei wird und sich weiterhin ein gewünschter Zugkraftverlauf am Achsantrieb AB ergibt. Bei Hochschaltungen kann die Zugkraft auf das Niveau des Zielgangs abgesenkt werden. Das auszulegende Schaltelement wird dann lastfrei, wenn die Momentenverhältnisse am Hohlrad PH2, am Sonnenrad PS2 des Planetengetriebes PG der Standgetriebeübersetzung des Planetengetriebes entsprechen, wobei dann, wenn die elektrische Maschine EM kein ausreichendes Moment aufbringen kann, das Moment des Verbrennungsmotors VM abgesenkt wird, um das auszulegende Schaltelement des Hauptgetriebes HG lastfrei zu machen. Im lastfreien Zustand des auszulegenden Schaltelements wird dasselbe ausgelegt, wobei nachfolgend eine Synchronisierung des einzulegenden Schaltelements durch Änderung des von der elektrischen Maschine EM und/oder des vom Verbrennungsmotor VM bereit gestellten Moments unter Beibehaltung der Zugkraft am Achsantrieb AB erfolgt. Nachfolgend kann das einzulegende Schaltelement geschlossen bzw. eingelegt werden. Die hierbei vorgenommene Laständerung an dem Verbrennungsmotor VM und/oder an der elektrischen Maschine EM wird durch eine Betriebsstrategie bestimmt. Am Hauptgetriebe HG kann eine Schaltung auch mit Zugkraftunterbrechung durchgeführt werden, nämlich dann, wenn die Last des Verbrennungsmotors VM vollständig abgebaut wird. Im Hauptgetriebe HG kann eine Synchronisiereinrichtung entfallen, da das Hauptgetriebe HG über die obige Lastschaltfunktion synchronisiert werden kann.
Weiterhin ist eine Synchronisierung der Nachschaltgruppe beim Hauptgetriebe in Neutral möglich. Hierzu ist in der Ausgangssituation der Verbrennungsmotor VM an die Eingangswelle des Hauptgetriebes HG angekoppelt, indem zum Beispiel die Anfahrkupplung AK geschlossen und an der gegebenenfalls der vorhandenen Vorschaltgruppe GV ein Gang eingelegt ist. Wie bereits ausgeführt, befindet sich das Hauptgetriebe in Neutral.
Zur Synchronisierung einer Schaltung in der Nachschaltgruppe GP wird die Drehzahl von Verbrennungsmotor VM und/oder elektrischer Maschine EM angepasst, wobei hierbei der Verbrennungsmotor VM an der Eingangswelle des Hauptgetriebes angekoppelt bleibt, da sonst die Drehzahl der Eingangswelle der Hauptgruppe HG nicht definiert wäre.
Weiterhin kann eine Synchronisierung der Nachschaltgruppe GP dann erfolgen, wenn im Hauptgetriebe HG eines der Schaltelemente C oder D oder E oder F geschaltet ist, wenn also das elektrodynamische Antriebssystem direkt oder indirekt überbrückt ist. Hierzu ist bei an die Eingangswelle des Hauptgetriebes HG angekoppeltem Verbrennungsmotor im Hauptgetriebe HG ein Gang eingelegt. Die Synchronisierung bei der Ausführung einer Schaltung in der Nachschaltgruppe GP erfolgt über eine Drehzahlregelung der elektrischen Maschine EM, wobei hierbei der Verbrennungsmotor VM entweder an der Eingangswelle des Hauptgetriebes HG angekoppelt bleibt oder von derselben abgekoppelt wird, und zwar durch Öffnen der Anfahrkupplung AK. Dann, wenn der Verbrennungsmotor VM an der Eingangswelle des Hauptgetriebes HG angekoppelt bleibt, kann das Moment des Verbrennungsmotors VM so angepasst werden, dass der Verbrennungsmotor VM die Synchronisierung der Nachschaltgruppe GP unterstützt. Dann, wenn die Anfahrkupplung AK geöffnet ist, erfolgt die Synchronisierung der Nachschaltgruppe ausschließlich über die elektrische Maschine EM.
Eine Variante der Erfindung zeigt 2, wobei in der Variante der 2 auf die Übersetzungsstufe K3 verzichtet ist. In diesem Fall greift das zweite Element des Planetengetriebes PG, nämlich in 2 das Hohlrad PH2 desselben, an einem koaxial auf der Hauptwelle W_H gelagerten Losrad der Übersetzungsstufe G2, also des zweiten Gangs des Hauptgetriebes HG, an. Um die konstruktive Zugänglichkeit zu diesem Losrad der Übersetzungsstufe G2 zur Anbindung des zweiten Elements des Planetengetriebes PG zu erhöhen, sind in der Variante der 2 im Vergleich zur Variante der 1 die Übersetzungsstufen G1, G2 und R des Hauptgetriebes HG in ihrer Anordnung vertauscht.
Da im Zahlenbeispiel der 1 angenommen wurde, dass die Übersetzungsstufe K3 in ihrer Übersetzung der Übersetzungsstufe G2 entspricht, sind für die Variante der 2 die gleichen Zahlenbeispiele wie für die Variante der 1 gültig.
In der Variante der 3 ist das zweite Element des Planetengetriebes, nämlich das Hohlrad PH2 desselben, an der Übersetzungsstufe G1 des ersten Gangs des Hauptgetriebes HG angebunden, nämlich an ein auf der Hauptwelle W_H gelagertes Losrad dieser Übersetzungsstufe G1. Daher ändern sich dann in der Variante der 3 die Übersetzungen für die elektrische Maschine EM zur Hauptwelle W_H hin, nämlich derart, dass dann, wenn der erste Gang geschaltet ist, die Übersetzung für die elektrische Maschine EM 1,0 beträgt, dass dann, wenn der zweite Gang geschaltet ist, die Übersetzung für die elektrische Maschine 1,79 beträgt, dass dann, wenn der dritte Gang geschaltet ist, die Übersetzung für die elektrische Maschine 2,26 beträgt, und dass dann, wenn der Rückwärtsgang geschaltet ist, die Übersetzung für die elektrische Maschine EM zur Hauptwelle W_H hin 4,85 beträgt.
In der Variante der 4 wird auf die Anfahrkupplung AK verzichtet. Auch für diese Variante sind die verschiedenen Verfahren ausführbar, nämlich solche, in welchen die Kupplung AK nicht geöffnet oder schlupfend betrieben werden muss.
5 bis 10 zeigen jeweils Varianten der Erfindung, in welchen jeweils ein zusätzliches Schaltpaket SE1, SE1', SE2, SE2', SE3 bzw. SE3' vorhanden ist, über welches die Kopplung eines der Elemente des Planetengetriebes PG mit dem Hauptgetriebe HG oder der elektrischen Maschine EM schaltbar ist.
In der Variante der 5 mit dem Schaltelement SE2 ist die Kopplung des zweiten Elements des Planetengetriebes PG, also im gezeigten Ausführungsbeispiel die Kopplung des Hohlrads PH2 des Planetengetriebes PG, mit der Eingangswelle des Hauptgetriebes HG schaltbar, wobei in einer ersten Schaltstellung, nämlich bei geschlossenem Schaltelement I des Schaltpakets SE2, das zweite Element des Planetengetriebes PG mit der Eingangswelle des Hauptgetriebes HG gekoppelt ist.
Dann, wenn im Schaltpaket SE2 das Schaltelement J geschaltet bzw. geschlossen ist, ist das zweite Element des Planetengetriebes PG, also das Hohlrad PH2 desselben, gehäusefest angekoppelt. In der Schaltposition I des Schaltpakets SE2 liegt demnach eine Anordnung mit elektrodynamischem Antriebssystem vor, wohingegen in der Schaltposition J eine sogenannte ISG-Anordnung an der Hauptwelle W_H vorliegt. Das Planetengetriebe PG wirkt dann als Konstantübersetzung für die elektrische Maschine EM. Ferner ist es möglich, die elektrische Maschine EM abzukoppeln, wenn weder das Schaltelement I noch das Schaltelement J des Schaltpakets SE2 geschaltet bzw. geschlossen sind.
Ferner ist es möglich, im Schaltpaket SE2 eine Umschaltung zwischen den Schaltelementen I und J unter Last durchzuführen, nämlich dann, wenn im Hauptgetriebe HG ein Gang eingelegt ist. In diesem Fall erfolgt dann ein Lastabbau an der elektrischen Maschine EM mit Lastübernahme durch den Verbrennungsmotor VM, wobei dann, wenn die Drehzahl verbrennungsmotorseitig zu gering ist, die Anfahrkupplung AK schlupfend betrieben wird. Im lastfreien Zustand erfolgt ein Umschalten zwischen den Schaltelementen I und J, wobei eine Synchronisierung im drehzahlgeregelten Betrieb durch die elektrische Maschine EM erfolgt.
Die Variante der 7, in welcher das Schaltelement SE2' vorhanden ist, ist ebenfalls die Kopplung des zweiten Elements, also des Hohlrads PH2, des Planetengetriebes PG mit der Eingangswelle des Hauptgetriebes HG schaltbar, wobei sich die Varianten der 5 und 7 durch das Schaltelement J bzw. die Schaltposition des Schaltelements J unterscheiden. So ist in der Variante der 5 bei geschlossenem Schaltelement J eine gehäusefeste Anbindung des zweiten Elements des Planetengetriebes PG gewährleistet, wohingegen in der Variante der 7 bei geschaltetem Schaltelement J des Schaltpakets SE2' das zweite Element des Planetengetriebes PG, nämlich das Hohlrad PH2 desselben, an ein anderes Element des Planetengetriebes PG gekoppelt ist, nämlich in 7 an das Sonnenrad PS2, sodass dann das Planetengetriebe PG im Blockumlauf überbrückt ist. Obwohl nicht gezeigt, könnte in der Variante der 7 das zweite Element, also das Hohlrad PH2, des Planetengetriebes PG in der Schaltstellung J auch an den Steg PT2 des Planetengetriebes PG angekoppelt werden.
Ebenfalls kann in der Variante der 7 die elektrische Maschine EM abgekoppelt werden, nämlich dann, wenn keines der Schaltelemente I und J des Schaltpakets SE2' geschlossen bzw. geschaltet ist. Hinsichtlich der Umschaltung des Schaltpakets SE2' unter Last wird auf die Ausführungen zur Variante der 5 verwiesen.
6 und 8 zeigen Varianten der Erfindung mit zusätzlichen Schaltpaketen SE3 bzw. SE3', über welche die Kopplung des dritten Elements des Planetengetriebes PG, also des Stegs PT2 des Planetengetriebes PG, mit der Ausgangswelle der Hauptgruppe HG schaltbar ist, wobei in beiden Varianten dann, wenn das Schaltelement I des jeweiligen Schaltpakets SE3 bzw. SE3' geschlossen ist, der Steg PT2 des Planetengetriebes PG an die Ausgangswelle des Hauptgetriebes HG gekoppelt ist.
In der Variante der 6 ist bei geschlossenem Schaltelement J des jeweiligen Schaltpakets SE3 der Steg PT2 des Planetengetriebes PG gehäusefest angebunden.
In der Variante der 8 hingegen ist der Steg PT2 mit einem anderen Element des Planetengetriebes PG gekoppelt, nämlich gemäß 8 mit dem Sonnenrad PS2 des Planetengetriebes PG. In der Variante der 8 befindet sich bei geschlossenem Schaltelement J das Planetengetriebe PG im Blockumlauf.
In den Varianten der 6 und 8 liegt bei geschlossenem Schaltelement I eine Anordnung mit einem elektrodynamischen Antriebssystem und bei geschlossenem Schaltelement J jeweils eine sogenannte ISG-Anordnung vor, nämlich in 6 eine ISG-Anordnung am Eingang der Hauptgruppe mit Übersetzung durch das Planetengetriebe PG und bei der Anordnung der 8 eine ISG-Anordnung an der Hauptwelle W_H am Eingang der Hauptgruppe ohne Übersetzung durch das Planetengetriebe PG. Bei beiden Varianten kann dann, wenn weder das Schaltelement I noch das Schaltelement J des jeweiligen Schaltpakets SE3 bzw. SE3' geschlossen ist, die elektrische Maschine EM abgekoppelt werden.
In beiden Varianten der 6 und 8 ist weiterhin eine Umschaltung des Schaltpakets SE3 bzw. SE3' zwischen den Schaltelementen I und J unter Last möglich, nämlich dann, wenn im Hauptgetriebe HG ein Gang eingelegt ist. In diesem Fall erfolgt dann an der elektrischen Maschine EM unter Lastübernahme durch den Verbrennungsmotor VM ein Lastabbau, wobei dann, wenn die verbrennungsmotorseitige Drehzahl zu gering ist, die Anfahrkupplung AK schlupfend betrieben wird. Das Umschalten zwischen den Schaltelementen I und J erfolgt im lastfreien Zustand, wobei eine Synchronisierung über die elektrische Maschine EM mit Drehzahlregelung erfolgt.
Weitere Varianten der Erfindung mit den Schaltpaketen SE1 bzw. SE1' zeigen 9 und 10, wobei in den Varianten der 9 und 10 durch die Schaltpakete SE1 und SE1' die Kopplung des ersten Elements des Planetengetriebes, also des Sonnenrads PS2 des Planetengetriebes PG, mit der elektrischen Maschine EM umschaltbar bzw. schaltbar ist, nämlich derart, dass in der Schaltstellung I bei geschlossenem Schaltelement I das erste Element, also das Sonnenrad PS2, des Planetengetriebes PG mit der elektrischen Maschine EM gekoppelt ist. Dann hingegen, wenn das jeweilige Schaltpaket SE1 bzw. SE1' die zweite Schaltstellung J einnimmt und demnach das zweite Schaltelement J geschalten bzw. geschlossen ist, ist die elektrische Maschine EM an ein anderes Element des Planetengetriebes PG angekoppelt, sodass das Planetengetriebe PG momentfrei mitläuft.
In der Variante der 9 ist dann, wenn das Schaltelement J des Schaltpakets SE1 geschaltet bzw. geschlossen ist, das Sonnenrad PS2 des Planetengetriebes PG von der elektrischen Maschine EM abgekoppelt und die elektrische Maschine EM ist an die Hauptwelle W_H und damit an die Ausgangswelle des Hauptgetriebes HG angekoppelt, sodass dann in der Variante der 9 bei geschlossenem Schaltelement J eine ISG-Anordnung an der Hauptwelle W_H vorliegt. In der Anordnung der 10 hingegen liegt bei geschlossenem Schaltelement J eine ISG-Anordnung an der Eingangswelle des Hauptgetriebes HG vor, da in 10 dann, wenn das Schaltelement J geschlossen ist, die elektrische Maschine EM an das Hohlrad PH2 des Planetengetriebes und damit an die Eingangswelle des Hauptgetriebes angekoppelt ist.
Dann, wenn in den Varianten der 9 und 10 weder das Schaltelement I noch das Schaltelement J des jeweiligen Schaltpakets SE1 bzw. SE1' geschaltet bzw. geschlossen ist, ist die elektrische Maschine EM jeweils abgekoppelt.
In beiden Varianten der 9 und 10 kann das jeweilige Schaltpaket SE1 bzw. SE1' unter Last zwischen den Schaltelementen I und J umgeschaltet werden, nämlich dann, wenn im Hauptgetriebe HG ein Gang eingelegt ist. In diesem Fall erfolgt dann jeweils ein Lastabbau an der elektrischen Maschine unter Lastübernahme durch den Verbrennungsmotors VM, wobei die Schaltung im lastfreien Zustand der Schaltelemente I und J erfolgt mit Synchronisation durch die elektrische Maschine EM in Drehzahlregelung. Dann, wenn eine Verbrennungsmotordrehzahl zu gering ist, kann die Anfahrkupplung AK schlupfend betrieben werden, um die Schaltelemente I bzw. J lastfrei zu machen.
Bezugszeichen

AB

Achsantrieb

AK

Anfahrkupplung

CT

Gruppengetriebe

EM

elektrische Maschine

G1

Übersetzungsstufe Vorwärtsfahrt

G2

Übersetzungsstufe Vorwärtsfahrt

G3

Übersetzungsstufe Vorwärtsfahrt

GV

Vorschaltgruppe / Splitgruppe

GP

Nachschaltgruppe / Bereichsgruppe

HG

Hauptgetriebe

K1

Übersetzungsstufe

K2

Übersetzungsstufe

K3

Übersetzungsstufe

PG

Planetengetriebe

PS1

Sonnenrad

PS2

Sonnenrad

PT1

Steg

PT2

Steg

PH1

Hohlrad

PH2

Hohlrad

R

Übersetzungsstufe Rückwärtsfahrt

S1

Schaltpaket

S2

Schaltpaket

SE1

Schaltpaket

SE1’

Schaltpaket

SE2

Schaltpaket

SE2’

Schaltpaket

SE3

Schaltpaket

SE3’

Schaltpaket

SP

Schaltpaket

SV

Schaltpaket

VM

Verbrennungsmotor

W_GA

Ausgangswelle

W_GE

Eingangswelle

W_H

Hauptwelle

W_VG1

Vorgelegewelle

W_VG2

Vorgelegewelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007010829 A1 [0002]
DE 19934696 A1 [0006]
DE 102008043341 A1 [0006, 0006]
EP 0986713 B1 [0006, 0006]

Claims

Automatisiertes Gruppengetriebe (CT) eines Kraftfahrzeugs, mit einem in Vorgelegebauweise ausgeführten Hauptgetriebe (HG), welches eine Hauptwelle (W_H) und mindestens eine Vorgelegewelle (W_VG1, W_VG2) aufweist, und mit einer dem Hauptgetriebe (HG) antriebstechnisch nachgeschalteten, insbesondere als Bereichsgruppe ausgeführten, Nachschaltgruppe (GP), wobei eine Eingangswelle (W_GE) des Gruppengetriebes (CT) mit einem Verbrennungsmotor (VM) eines Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs und eine Ausgangswelle (W_GA) des Gruppengetriebes (CT) mit einem Achsantrieb (AB) des Kraftfahrzeugs koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Maschine (EM) des als Hybridantrieb ausgebildeten Antriebsaggregats an das Hauptgetriebe (HG) über ein Planetengetriebe (PG) koppelbar ist, wobei die elektrische Maschine (EM) an ein erstes Element des Planetengetriebes (PG) koppelbar ist, wobei ein zweites Element des Planetengetriebes (PG) mit einer Eingangswelle des Hauptgetriebes (HG) gekoppelt ist, und wobei ein drittes Element des Planetengetriebes (PG) mit einer Ausgangswelle des Hauptgetriebes (HG) und damit einer Eingangswelle der Nachschaltgruppe (GP) gekoppelt ist.
Gruppengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (EM) an ein Sonnerad (PS2) des Planetengetriebes (PG) koppelbar ist, wobei die Eingangswelle des Hauptgetriebes (HG) mit einem Hohlrad (PH2) des Planetengetriebes (PG) gekoppelt ist, und wobei die Ausgangswelle des Hauptgetriebes (HG) und damit die Eingangswelle der Nachschaltgruppe (GP) mit einem Steg (PT2) des Planetengetriebes (PG) gekoppelt ist.
Gruppengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element des Planetengetriebes (PG) über ein koaxial auf der Hauptwelle (W_H) des Hauptgetriebes (HG) gelagertes Losrad mit der oder jeder Vorgelegewelle (W_VG1, W_VG2) des Hauptgetriebes (HG) gekoppelt ist, wobei das Losrad in ein der jeweiligen Vorgelegewelle (W_VG1, W_VG2) zugeordnetes Festrad, das zusammen mit dem Losrad eine Übersetzungsstufe bildet, kämmt.
Gruppengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das zweite Element des Planetengetriebes (PG) und die oder jede Vorgelegewelle (W_VG1, W_VG2) eine zusätzliche Übersetzungsstufe (K3) geschaltet ist, deren Übersetzung zwischen einer Übersetzung des kleinsten Gangs des Hauptgetriebes (HG) und einer Übersetzung des größten Gangs des Hauptgetriebes (HG) liegt.
Gruppengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Schaltpaket (SE2, SE2’), über welches die Kopplung des zweiten Elements des Planetengetriebes (PG) mit der Eingangswelle des Hauptgetriebes (HG) schaltbar ist, wobei in einer ersten Schaltstellung (I) des Schaltpakets (SE2, SE2’) das zweite Element des Planetengetriebes (PG) mit der Eingangswelle des Hauptgetriebes (HG) gekoppelt ist.
Gruppengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Schaltpaket (SE3, SE3’), über welches die Kopplung des dritten Elements des Planetengetriebes (PG) mit der Ausgangswelle des Hauptgetriebes (HG) schaltbar ist, wobei in einer ersten Schaltstellung (I) des Schaltpakets (SE3, SE3’) das dritte Element des Planetengetriebes (PG) mit der Ausgangswelle des Hauptgetriebes (HG) gekoppelt ist.
Gruppengetriebe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass über das jeweilige Schaltpaket (SE2, SE3) in einer zweiten Schaltstellung (J) des Schaltpakets (SE2, SE3) das jeweilige Element des Planetengetriebes (PG) gehäusefest angekoppelt ist.
Gruppengetriebe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass über das jeweilige Schaltpaket (SE2’, SE3’) in einer zweiten Schaltstellung (J) des Schaltpakets (SE2, SE3) das jeweilige Element des Planetengetriebes (PG) derart an ein anderes Element des Planetengetriebes (PG) gekoppelt ist, dass das Planetengetriebe (PG) im Blockumlauf überbrückt ist.
Gruppengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Schaltpaket (SE1, SE1’), über welches die Kopplung des ersten Elements des Planetengetriebes (PG) mit der elektrischen Maschine (EM) schaltbar ist, wobei in einer ersten Schaltstellung (I) des Schaltpakets (SE1, SE1’) das erste Element des Planetengetriebes (PG) mit der elektrischen Maschine (EM) gekoppelt ist.
Gruppengetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass über das jeweilige Schaltpaket (SE1, SE1’) in einer zweiten Schaltstellung (J) die elektrische Maschine (EM) derart an ein anderes Element des Planetengetriebes (PG) gekoppelt ist, dass das Planetengetriebe (PG) momentfrei mitläuft.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Gruppengetriebe (CT) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für eine rein elektrische Fahrt bei von der Eingangswelle des Hauptgetriebes (HG) abgekoppeltem Verbrennungsmotor (VM) in dem Hauptgetriebe (HG) des Gruppengetriebes (CT) und in der Nachschaltgruppe (GP) des Gruppengetriebes (CT) jeweils ein Gang eingelegt wird, wobei das Hauptgetriebe (HG) des Gruppengetriebes (CT) vorzugsweise in einer Übersetzungsstufe betrieben wird, in welcher die elektrische Maschine (EM) eine relativ hohe Übersetzung zum Achsantrieb (AB) aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Gruppengetriebe (CT) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrodynamischen Fahren oder Anfahren bei an die Eingangswelle des Hauptgetriebes (HG) angekoppeltem Verbrennungsmotor (VM) das Hauptgetriebe (HG) des Gruppengetriebes (CT) in Neutral betrieben und in der Nachschaltgruppe (GP) des Gruppengetriebes (CT) ein Gang eingelegt wird, sodass die elektrische Maschine (EM) zur Bereitstellung eines Abtriebsmoments ein vom Verbrennungsmotor (VM) bereitgestellten Moment abstützt, wobei das elektrodynamischen Fahren durch Einlegen eines Gangs im Hauptgetriebe (HG) des Gruppengetriebes (CT) beendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn beim elektrodynamischen Anfahren die gewünschte Fahrleistung nicht bereitgestellt werden kann, eine zwischen die Eingangswelle (W_GE) des Gruppengetriebes (CT) und den Verbrennungsmotor (VM) geschaltete Anfahrkupplung (AK) in Schlupf gebracht wird, dass dann durch Anpassung des von der elektrischen Maschine (EM) bereitgestellten Moments und/oder durch Anpassung der Übertragungsfähigkeit der Anfahrkupplung (AK) eines der Schaltelemente (C, D, E, F) des Hauptgetriebes (HG) synchronisiert und im Hauptgetriebe (HG) ein Gang eingelegt wird, um nachfolgend über den Verbrennungsmotor (VM) und die Anfahrkupplung (AK) gegebenenfalls mit Unterstützung durch die elektrische Maschine (EM) anzufahren.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Übergang vom Anfahren über den Verbrennungsmotor (VM) und die Anfahrkupplung (AK) auf das elektrodynamischen Anfahren zunächst das vom Verbrennungsmotor (VM) bereitgestellte Moment und/oder das von der elektrischen Maschine (EM) bereitgestellte Moment derart beeinflusst wird, dass das auszulegende Schaltelement des Hauptgetriebes (HG) lastfrei wird, dass anschließend das auszulegende Schaltelement des Hauptgetriebes (HG) ausgelegt wird, dass darauffolgend durch Anpassung des von der elektrischen Maschine (EM) bereitgestellten Moments und/oder durch Anpassung der Übertragungsfähigkeit der Anfahrkupplung (AK) die Anfahrkupplung (AK) synchronisiert und geschlossen wird, um nachfolgend wieder elektrodynamisch anzufahren.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Gruppengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Start des Verbrennungsmotors (VM) oder für einen Ladebetrieb eines elektrischen Energiespeichers das Hauptgetriebe (HG) des Gruppengetriebes (CT) mit indirekter Überbrückung des Planetengetriebes (GP) und der elektrischen Maschine (EM) betrieben wird, und dass die Nachschaltgruppe (GP) des Gruppengetriebes (CT) vorzugsweise in Neutral betrieben wird, sodass der Start des Verbrennungsmotors (VM) oder der Ladebetrieb des elektrischen Energiespeichers unabhängig von einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Gruppengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausführung einer Lastschaltung im Hauptgetriebe (HG) bei an die Eingangswelle des Hauptgetriebes angekoppeltem Verbrennungsmotor (VM) und bei eingelegten Gängen im Hauptgetriebe (HG) und in der Nachschaltgruppe (GP) das vom Verbrennungsmotor (VM) bereitgestellte Moment und/oder das von der elektrischen Maschine (EM) bereitgestellte Moment derart beeinflusst wird, dass das auszulegende Schaltelement des Hauptgetriebes (HG) lastfrei wird, wobei anschließend das auszulegende Schaltelement des Hauptgetriebes (HG) ausgelegt wird, wobei darauffolgend das einzulegende Schaltelement des Hauptgetriebes (HG) durch Anpassung des vom Verbrennungsmotor (VM) bereitgestellten Moments und/oder des von der elektrischen Maschine (EM) bereitgestellten Moments unter Aufrechterhaltung der Zugkraft am Achsantrieb (AB) synchronisiert wird, und wobei anschließend das einzulegende Schaltelement des Hauptgetriebes (HG) eingelegt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Gruppengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Synchronisierung der Nachschaltgruppe (GP) im Zusammenhang mit der Ausführung einer zugkraftunterbrochenen Schaltung in der Nachschaltgruppe bei an die Eingangswelle des Hauptgetriebes (HG) angekoppeltem Verbrennungsmotor (VM) und bei Hauptgetriebe (HG) in Neutral die Synchronisierung der Nachschaltgruppe über die elektrische Maschine (EM) durchgeführt wird, wozu der Verbrennungsmotor (VM) an der Eingangswelle angekoppelt bleibt.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Gruppengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Synchronisierung der Nachschaltgruppe (GP) im Zusammenhang mit der Ausführung einer zugkraftunterbrochenen Schaltung in der Nachschaltgruppe bei an die Eingangswelle des Hauptgetriebes (HG) angekoppeltem Verbrennungsmotor (VM) und bei eingelegtem Gang im Hautgetriebe (HG) die Synchronisierung der Nachschaltgruppe über die elektrische Maschine (EM) durchgeführt wird, wozu der Verbrennungsmotor (VM) an der Eingangswelle angekoppelt bleibt oder von derselben abgekoppelt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Gruppengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn eine Vorschaltgruppe (GV) vorhanden ist, bei Ausführung einer Schaltung in der Vorschaltgruppe (GV) die am Achsantrieb (AB) wirkende Zugkraft durch die elektrische Maschine (EM) bei im Hauptgetriebe eingelegtem Gang gestützt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Gruppengetriebe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umschaltung des jeweiligen Schaltpakets (SE1, SE1’, SE2, SE2’, SE3, SE3’) unter Last dann, wenn in im Hauptgetriebe (HG) ein Gang eingelegt ist, an der elektrischen Maschine (EM) ein Lastabbau bei Lastübernahme durch den Verbrennungsmotor (VM) durchgeführt wird, um das auszulegende Schaltelement des jeweiligen Schaltpakets (SE1, SE1’, SE2, SE2’, SE3, SE3’) lastfrei zu machen, wobei anschließend das auszulegende Schaltelement des jeweiligen Schaltpakets (SE1, SE1’, SE2, SE2’, SE3, SE3’) ausgelegt wird, das einzulegende Schaltelement des jeweiligen Schaltpakets (SE1, SE1’, SE2, SE2’, SE3, SE3’) synchronisiert und darauffolgend das einzulegende Schaltelement des jeweiligen Schaltpakets (SE1, SE1’, SE2, SE2’, SE3, SE3’) eingelegt wird.