DE102019003004A1

DE102019003004A1 - Getriebe für den Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, Antriebsstrang und Verfahren zum Betrieb eines solchen Antriebsstrangs

Info

Publication number: DE102019003004A1
Application number: DE102019003004.4A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Philipp Brezger
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2020-10-29
Also published as: CN111853098A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebe (6) für den Antriebsstrang (2) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit einer ersten Welle (8), die mit einer elektrischen Maschine (4) drehmitnahmeverbindbar ist, und einer zweiten Welle (10), wobei das Getriebe (6) von einem ersten Gang (14), in dem die erste Welle (8) mit einem ersten Übersetzungsverhältnis mit der zweiten Welle (10) drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist, in einen zweiten Gang (16) schaltbar ist, in dem die erste Welle (8) mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis, das kleiner als das erste Übersetzungsverhältnis ist, mit der zweiten Welle (10) drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist. Die erste Welle (8) ist im ersten Gang (14) über eine Freilaufkupplung (30) und im zweiten Gang (16) über eine reibschlüssige Kupplung (32) mit der zweiten Welle (10) drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Antriebsstrang (2) mit einem solchen Getriebe (6) sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Antriebsstrangs (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebe für den Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit einer ersten Welle, die mit einer elektrischen Maschine drehmitnahmeverbindbar ist, und einer zweiten Welle, wobei das Getriebe von einem ersten Gang, in dem die erste Welle mit einem ersten Übersetzungsverhältnis mit der zweiten Welle drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist, in einen zweiten Gang schaltbar ist, in dem die erste Welle mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis, das kleiner als das erste Übersetzungsverhältnis ist, mit der zweiten Welle drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Antriebsstrang für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einem solchen Getriebe. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Antriebsstrangs für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Aus der Praxis sind Antriebsstränge für Elektro- oder Hybridfahrzeuge bekannt, die eine elektrische Maschine aufweisen, wobei die elektrische Maschine innerhalb des Antriebsstrangs als Motor oder Generator betrieben werden kann, weshalb auch vom Motorbetrieb bzw. Generatorbetrieb der elektrischen Maschine gesprochen werden kann. Dabei ist die elektrische Maschine bzw. deren Ausgangswelle, insbesondere bei paralleler Anordnung der elektrischen Maschine, zumeist über ein Getriebe mit einer weiteren Welle verbunden, die beispielsweise im Drehmomentübertragungsweg des Antriebsstrangs angeordnet sein kann und auch - im Falle eines Hybridfahrzeugs - durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden kann. Mithin ist bei einem solchen Getriebe eine erste Welle, die mit der elektrischen Maschine drehmitnahmeverbindbar ist, und eine zweite Welle vorgesehen, die über eine Gangstufe miteinander in Drehmitnahmeverbindung stehen. Zum Schalten dieser Gangstufe ist dabei beispielsweise ein Freilauf bekannt, der ein Antreiben der zweiten Welle durch die erste Welle über eine Freilaufkupplung ermöglicht, wobei die hier als Starter fungierende elektrische Maschine nach dem Starten von dem Verbrennungsmotor innerhalb des Hybridfahrzeugs überholt werden kann. Derartige Freilaufkupplungen haben hierbei eine große Effizienz, können aber den Komfortansprüchen an moderne Antriebsstränge nicht genügen. Überdies ist es bekannt, die Ausgangsseite der elektrischen Maschine über eine reibschlüssige Kupplung, wie beispielsweise eine nasslaufende Lamellenkupplung, an den Drehmomentpfad anzubinden, wodurch ein besonders gleichmäßiges Schalten möglich ist, das überdies hohen Komfortansprüchen gerecht wird. Die Effizienz derartiger Schaltelemente bei der Anbindung der elektrischen Maschine innerhalb des Antriebsstrangs ist aber deutlich reduziert, was beispielsweise auf die Schleppmomente bei nasslaufenden reibschlüssigen Kupplungen zurückzuführen ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Getriebe für den Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu schaffen, das eine kleinbauende elektrische Maschine gewährleistet, besonders flexibel an unterschiedliche Fahrsituationen anpassbar ist und eine hohe Effizienz mit hohem Fahrkomfort verbindet. Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem solchen vorteilhaften Getriebe zu schaffen. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines solchen Antriebsstrangs anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1, 8 bzw. 9 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Getriebe ist für den Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs konzipiert und weist eine erste Welle und eine zweite Welle auf. Die erste Welle ist mit einer elektrischen Maschine drehmitnahmeverbindbar oder drehmitnahmeverbunden. Grundsätzlich kann die erste Welle des Getriebes auch von der Ausgangswelle der elektrischen Maschine gebildet sein. Das Getriebe ist als Zweiganggetriebe ausgebildet, wobei es bevorzugt ist, wenn das Getriebe ausschließlich zwei Gänge aufweist. So kann das Getriebe von einem ersten Gang, in dem die erste Welle mit einem ersten Übersetzungsverhältnis mit der zweiten Welle drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist, in einen zweiten Gang geschaltet werden, in dem die erste Welle mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis, das kleiner als das erste Übersetzungsverhältnis ist, mit der zweiten Welle drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist. Bei den hier wie auch nachstehend genannten Übersetzungsverhältnissen wurde davon ausgegangen, dass es sich bei der ersten Welle um die treibende Welle und bei der zweiten Welle um die getriebene Welle handelt. Mit anderen Worten wird bei der Angabe der Übersetzungsverhältnisse hier wie auch nachstehend von einem Motorbetrieb der elektrischen Maschine ausgegangen, wenngleich die elektrische Maschine auch als Generator betreibbar ist, wenn die zweite Welle die treibende Welle bildet. Während die erste Welle im ersten Gang über eine Freilaufkupplung mit der zweiten Welle drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist, ist die erste Welle im zweiten Gang über eine reibschlüssige Kupplung, beispielsweise eine Lamellenkupplung, mit der zweiten Welle drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar. Bei der Freilaufkupplung kann es sich beispielsweise um einen Rollenfreilauf oder einen Klemmkörperfreilauf der einen Klinkenfreilauf handeln, wobei bei einer Freilaufkupplung auch von einer sogenannten Überholkupplung gesprochen werden kann.
Das erfindungsgemäße Getriebe für den Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs hat den Vorteil, dass aufgrund des schaltbaren Getriebes zunächst eine möglichst kleinbauende elektrische Maschine zum Einsatz kommen kann. Überdies kann durch entsprechende Schaltung des Getriebes eine flexible Anpassung an extreme Fahrmanöver, wie beispielsweise das Anfahren am Bordstein, das Beschleunigen oder Ähnliches erzielt werden. So kann insbesondere der erste Gang, bei dem die Drehmitnahmeverbindung über eine Freilaufkupplung erfolgt, für das Anfahren, insbesondere am Bordstein, und die maximale Beschleunigung eingesetzt werden, wobei hier eine besonders hohe Effizienz des Getriebes erzielt wird. Der zweite Gang kann hingegen für die meiste Zeit des Fahrens verwendet werden, wobei eine reibschlüssige Kupplung, insbesondere eine nasslaufende Lamellenkupplung, hier den hohen Komfortansprüchen gerecht wird, die an den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs gestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes weist die Freilaufkupplung mehrere bewegliche erste Klemmelemente auf, die zwischen einem drehfest mit der ersten Welle verbundenen ersten Laufring einerseits und einem drehfest mit der zweiten Welle verbundenen zweiten Laufring andererseits angeordnet sind. Wie bereits vorangehend angedeutet, kann es sich bei der Freilaufkupplung beispielsweise um einen Rollenfreilauf, einen Klemmkörperfreilauf oder einen Sperrklinkenfreilauf handeln. Dabei muss der erste Laufring nicht zwangsläufig unmittelbar drehfest mit der ersten Welle verbunden sein, während der zweite Laufring ebenfalls nicht unmittelbar drehfest mit der zweiten Welle verbunden sein muss, wie dies später nochmals eingehender erläutert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes können die ersten Klemmelemente der Freilaufkupplung von einer Öffnungsposition, in der der erste Laufring in einer ersten Relativdrehrichtung und einer der ersten Relativdrehrichtung entgegengesetzten zweiten Relativdrehrichtung gegenüber dem zweiten Laufring verdreht werden kann, in eine Schließposition bewegt werden, in der der erste Laufring in der ersten Relativdrehrichtung über die ersten Klemmelemente mit dem zweiten Laufring drehmitnahmegekoppelt und in der zweiten Relativdrehrichtung gegenüber dem zweiten Laufring verdrehbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes sind die ersten Klemmelemente durch Verdrehen des ersten Laufrings in der zweiten Relativdrehrichtung gegenüber der zweiten Laufrichtung in die Öffnungsposition bewegbar oder verdrängbar, so dass diese nicht zwangsläufig direkt betätigt werden müssen, um in die Öffnungsposition bewegt zu werden, vielmehr erfolgt das Bewegen oder Verdrängen in die Öffnungsposition zwangsläufig beim Verdrehen des ersten Laufrings in der zweiten Relativdrehrichtung gegenüber dem zweiten Laufring.
Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass die zuvor erwähnten ersten Klemmelemente in deren Schließposition lediglich eine Drehmitnahmekopplung in der ersten Relativdrehrichtung zwischen dem ersten Laufring und dem zweiten Laufring bewirken. Um jedoch ein Getriebe zu schaffen, das besonders flexibel einsetzbar ist und den unterschiedlichen Fahrsituationen eines Fahrzeugs gerecht wird, weist die Freilaufkupplung in einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä-ßen Getriebes ferner mehrere bewegliche zweite Klemmelemente auf, die zwischen dem ersten Laufring einerseits und dem zweiten Laufring andererseits angeordnet sind, wobei die zweiten Klemmelemente von einer Öffnungsposition, in der der erste Laufring in der ersten Relativdrehrichtung und der zweiten Relativdrehrichtung gegenüber dem zweiten Laufring verdrehbar ist, in eine Schließposition bewegbar sind, in der der erste Laufring in der ersten Relativdrehrichtung gegenüber dem zweiten Laufring verdrehbar und in der zweiten Relativdrehrichtung über die zweiten Klemmelemente mit dem zweiten Laufring drehmitnahmegekoppelt ist. Mithin ist durch Kombination der ersten und zweiten Klemmelemente nicht nur eine Drehmitnahmekopplung der Laufringe auch in der entgegengesetzten Relativdrehrichtung möglich, vielmehr kann auch ein gleichzeitiges Koppeln bzw. Blockieren in beiden einander entgegengesetzten Relativdrehrichtungen erfolgen, wodurch unter anderem eine Rekuperation oder Einleitung eines Bremsmomentes im ersten Gang durch die elektrische Maschine möglich ist. Auch hat dies den Vorteil, dass eine drehmomentunterbrechungsfreie Rückschaltung vom ersten in den zweiten Gang ebenfalls ermöglicht ist, wodurch der Komfort und der Funktionsumfang des Antriebsstrangs mit einem solchen Getriebe deutlich gesteigert ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes sind mindestens ein erstes Klemmelement und mindestens ein zweites Klemmelement unter Erzielung eine Drehmitnahmekopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Laufring in der ersten und zweiten Relativdrehrichtung in die jeweilige Schließposition bewegbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes ist die Freilaufkupplung als schaltbare Freilaufkupplung ausgebildet. Mithin sind bei dieser Ausführungsform vorzugsweise entsprechende Betätigungseinrichtungen zum gezielten Schalten der Freilaufkupplung in die verschiedenen Betriebsarten vorgesehen, ohne dass die Freilaufkupplung ausschließlich auf die Drehzahlunterschiede zwischen den Laufringen derselben reagiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes sind die ersten Klemmelemente oder/und die zweiten Klemmelemente in der Öffnungsposition oder Schließposition arretierbar, wobei es bei dieser Ausführungsform überdies bevorzugt ist, wenn die ersten Klemmelemente oder/und die zweiten Klemmelemente in die jeweils andere Position vorgespannt sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes ist das Getriebe als Stirnradgetriebe ausgebildet, um eine besonders sichere und zuverlässige Übertragung des Drehmoments zu gewährleisten. Auch sind die erste und die zweite Welle dabei vorzugsweise parallel versetzt zueinander angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes ist die reibschlüssige Kupplung zwischen einem Stirnrad des Getriebes und der ersten oder zweiten Welle angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn das Stirnrad auch auf dieser ersten oder zweiten Welle drehbar gelagert ist, wobei dies beispielsweise über ein Wälzlager erfolgen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes ist die Freilaufkupplung zwischen einem Stirnrad des Getriebes und der ersten oder zweiten Welle angeordnet. Dabei ist das genannte Stirnrad vorzugsweise auch auf dieser ersten oder zweiten Welle drehbar gelagert, wobei dies wiederum vorzugsweise über ein Wälzlager erfolgt.
Beide vorangehend beschriebenen Ausführungsformen haben den Vorteil eines besonders kompakten Aufbaus des Getriebes. Dabei ist es bevorzugt, wenn die reibschlüssige Kupplung und die Freilaufkupplung zwischen derselben Welle und dem jeweils zugeordneten Stirnrad angeordnet sind, wobei dieselbe Welle vorzugsweise von der ersten Welle gebildet ist, die mit der elektrischen Maschine drehmitnahmeverbindbar ist oder gar deren Ausgangswelle ausbildet.
Um die eingangs erwähnten Ansprüche an Komfort und Effektivität in besonders hohem Maße zu erzielen, beträgt das erste Übersetzungsverhältnis in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes mindestens 1, wobei das erste Übersetzungsverhältnis vorzugsweise größer als 1,3, besonders bevorzugt größer als 1,4 ist, während das zweite Übersetzungsverhältnis weniger als 1 beträgt, vorzugsweise kleiner als 0,9, besonders bevorzugt kleiner als 0,8, ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes ist die reibschlüssige Kupplung eine Lamellenkupplung, vorzugsweise eine nasslaufende Lamellenkupplung. So ist bei einer nasslaufenden Lamellenkupplung zwar aufgrund eventuell auftretender Schleppmomente eine geringere Effizienz als bei einer formschlüssigen Kupplung - wie beispielsweise dem Freilauf - erzielbar, jedoch gewährt eine solche reibschlüssige Kupplung einen hohen Fahrtkomfort.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes ist die reibschlüssige Kupplung als eine normalerweise geschlossene Kupplung ausgebildet.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug weist eine elektrische Maschine und ein Getriebe der vorangehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Art auf, wobei die erste Welle des Getriebes mit der elektrischen Maschine in Drehmitnahmeverbindung steht. Wie bereits vorangehend dargelegt, kann es sich bei der ersten Welle gleichermaßen um die Ausgangswelle der elektrischen Maschine handeln. Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs sei auf die Vorteile des vorangehend beschriebenen Getriebes verwiesen, die in entsprechender Weise für den Antriebsstrang gelten.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs weist der Antriebsstrang ferner einen Verbrennungsmotor auf, mittels dessen die zweite Welle des Getriebes wahlweise antreibbar ist. Mithin ist hiermit ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug geschaffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs der erfindungsgemäßen Art weist die nachstehend näher beschriebenen Verfahrensschritte auf.
Zunächst wird die erste Welle durch die elektrische Maschine im Motorbetrieb angetrieben, wobei die zweite Welle durch die erste Welle im ersten Gang des Getriebes über die Freilaufkupplung angetrieben wird. Mithin erfolgt das Antreiben hier vorzugsweise über die ersten Klemmelemente der Freilaufkupplung in deren Schließpositionen. Während des Antreibens der ersten Welle sowie der zweiten Welle im ersten Gang ist die reibschlüssige Kupplung zunächst geöffnet. Ist ein Fahrmanöver, wie beispielsweise das Anfahren am Bordstein oder das anfängliche Beschleunigen, abgeschlossen, so erfolgt ein Schalten in den zweiten Gang durch Schließen der reibschlüssigen Kupplung unter Überholung der Freilaufkupplung, so dass durch ein Überholen des ersten Laufrings durch den zweiten Laufring der Freilaufkupplung die Drehmomentübertragung im zweiten Gang über die reibschlüssige Kupplung erfolgt. Mithin ist ein sanfter Übergang aus der geschalteten Freilaufkupplung und mithin von dem ersten Gang in den höheren zweiten Gang erzielt. Die vorstehend genannte Überholung der Freilaufkupplung erfolgt dabei vorzugsweise unter Bewegung oder Verdrängung der ersten Klemmelemente in die Öffnungsposition, wie dies bereits vorangehend unter Bezugnahme auf das Getriebe beschrieben wurde. Überdies ist es bei dieser Ausführungsform bevorzugt, wenn die ersten Klemmelemente nach deren Bewegung oder Verdrängung in die Öffnungsposition in selbiger arretiert werden, um eine unnötige Bewegung der ersten Klemmelemente beim Fahren im zweiten Gang zu unterbinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt nach dem Schalten in den zweiten Gang ein Rückschalten in den ersten Gang durch Öffnen der reibschlüssigen Kupplung und Bewegen der ersten Klemmelemente von der Öffnungsposition in die Schließposition. Das Bewegen der ersten Klemmelemente von der Öffnungsposition in die Schließposition erfolgt hierbei vorzugsweise durch Lösen der vorangehend beschriebenen Arretierung der ersten Klemmelemente in deren Öffnungsposition.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Antreiben der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb über die erste Welle und das Antreiben der ersten Welle durch die zweite Welle im ersten Gang des Getriebes über die Freilaufkupplung, während die reibschlüssige Kupplung geöffnet ist. Hierbei erfolgt das Antreiben der ersten Welle durch die zweite Welle im ersten Gang des Getriebes über die Freilaufkupplung vorzugsweise über die zweiten Klemmelemente der Freilaufkupplung in deren Schließposition. Im nächsten Verfahrensschritt wird die zweite Welle abgebremst, wobei diese vorzugsweise durch vorhandene Kraftfahrzeugbremsen innerhalb eines Kraftfahrzeugs erfolgen kann. Anschließend wird in den zweiten Gang geschaltet, wobei dies durch Lösen der Freilaufkupplung erfolgt, vorzugsweise durch Bewegen der zweiten Klemmelemente in deren Offnungsposition, wobei die reibschlüssige Kupplung anschließend geschlossen wird, um den Schaltvorgang in den zweiten Gang abzuschließen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Rückschalten in den ersten Gang durch Abbremsen der zweiten Welle, vorzugsweise durch Kraftfahrzeugbremsen, Schließen der Freilaufkupplung, vorzugsweise Bewegen der zweiten Klemmelemente in deren Schließposition, und anschließendes Öffnen der reibschlüssigen Kupplung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Antriebsstrangs für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und
1 bis
5 eine teilweise Darstellung der schaltbaren Freilaufkupplung aus 1 in verschiedenen Positionen bzw. Schaltstellungen.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs 2 für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Der Antriebsstrang 2 weist eine elektrische Maschine 4 auf, die im Motorbetrieb als Antrieb bzw. Motor und im Generatorbetrieb als Generator betrieben werden kann. Auf die elektrische Maschine 4 folgt ein Getriebe 6, das als Stirnradgetriebe ausgebildet ist.
Das Getriebe 6 weist eine erste Welle 8 und eine parallel zu der ersten Welle 8, jedoch nicht koaxial zu dieser angeordnete zweite Welle 10 auf. Innerhalb eines Antriebsstrangs für ein Hybridfahrzeug kann die zweite Welle 10 beispielsweise mit einem nicht näher dargestellten Verbrennungsmotor drehmitnahmeverbunden sein. Die erste Welle 8 des Getriebes 6 ist innerhalb des Antriebsstrangs 2 mit der elektrischen Maschine 4 drehmitnahmeverbunden. Genauer gesagt ist die erste Welle 8 mit einer Aus- bzw. Eingangsseite 12 der elektrischen Maschine 4 drehmitnahmeverbunden, wobei die erste Welle 8 gleichermaßen von der Aus- bzw. Eingangsseite 12 der elektrischen Maschine 4 gebildet sein kann.
Das Getriebe kann von einem ersten Gang 14 in einen zweiten Gang 16 geschaltet werden und umgekehrt, wobei zur Realisierung des Betriebs im ersten Gang 14 eine erste Gangstufe aus zwei ineinandergreifenden Zahnrädern 18, 20 und zum Betrieb im zweiten Gang 16 eine zweite Gangstufe mit ineinandergreifenden Zahnrädern 22, 24 vorgesehen ist. Im Falle des hier dargestellten Getriebes 6 in Form eines Stirnradgetriebes können die Zahnräder 18 bis 24 auch dementsprechend als Stirnräder bezeichnet werden. Während die beiden Zahnräder 20, 24 drehfest an der zweiten Welle 10 befestigt und abgestützt sind, sind die beiden Zahnräder 18, 22 jeweils verdrehbar auf der ersten Welle 8 gelagert, wobei dies beispielsweise über die schematisch angedeuteten Wälzlager 26, 28 erfolgen kann.
Trotz der drehbaren Lagerung der Zahnräder 18, 22 der ersten und der zweiten Gangstufe auf der ersten Welle, ist eine Drehmomentübertragung zwischen erster Welle 8 und zweiter Welle 10 über die Gangstufen möglich, nämlich indem die erste Welle 8 im ersten Gang über eine Freilaufkupplung 30 und im zweiten Gang 16 über eine reibschlüssige Kupplung 32 mit der zweiten Welle 10 drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist. Genauer gesagt, ist die schaltbare reibschlüssige Kupplung 32 zwischen dem Zahnrad 22 des Getriebes 6 und der ersten Welle 8 angeordnet, während die ebenfalls schaltbar ausgebildete Freilaufkupplung 30 zwischen dem Zahnrad 18 des Getriebes 6 und der ersten Welle 8 angeordnet ist.
Wird das Zahnrad 18 als treibendes Zahnrad angenommen, so bilden das Zahnrad 18 und das Zahnrad 20 ein erstes Übersetzungsverhältnis aus. Wird überdies angenommen, dass das Zahnrad 22 das treibende Zahnrad ist, so bilden das Zahnrad 22 und das Zahnrad 24 ein zweites Übersetzungsverhältnis aus, wobei das zweite Übersetzungsverhältnis kleiner als das erste Übersetzungsverhältnis ist. So ist das Getriebe 6 von dem ersten Gang 14, in dem die erste Welle 8 mit dem ersten Übersetzungsverhältnis mit der zweiten Welle über die Zahnräder 18, 20 drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist, in den zweiten Gang 16 schaltbar, in dem die erste Welle 8 mit dem zweiten Übersetzungsverhältnis über die Zahnräder 22, 24 mit der zweiten Welle drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist. Hierbei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das erste Übersetzungsverhältnis mindestens 1 beträgt, wobei das erste Übersetzungsverhältnis vorzugsweise größer als 1,3, besonders bevorzugt größer als 1,4 ist, so dass eine Übersetzung ins Langsame erreicht ist. Das zweite Übersetzungsverhältnis beträgt hingegen vorteilhafterweise weniger als 1, so dass es sich bei dem zweiten Gang 16 um eine Übersetzung ins Schnelle handelt. Hierbei ist es bevorzugt, wenn das zweite Übersetzungsverhältnis kleiner als 0,9, besonders bevorzugt kleiner als 0,8, ist.
Die zuvor erwähnte reibschlüssige Kupplung 32 ist als nasslaufende Lamellenkupplung ausgebildet. So weist die nasslaufende Lamellenkupplung 32 eine mit der ersten Welle 8 drehmitnahmeverbundene erste Seite 34 und eine mit dem Zahnrad 22 drehmitnahmeverbundene zweite Seite 36 auf, die über ein zusammendrückbares Lamellenpaket 38 drehmitkoppelbar sind, wobei auf die Darstellung der entsprechenden Betätigungseinrichtung für das Lamellenpaket 38 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Die reibschlüssige Kupplung 32 ist überdies als eine normalerweise geschlossene Kupplung ausgebildet, so dass das Lamellenpaket 38 in der dargestellten Ausführungsform unter Kopplung der beiden Seiten 34, 36 zusammengedrückt ist, sofern die reibschlüssige Kupplung 32 nicht gezielt angesteuert und geöffnet wird. Die Vorspannung in die Schließstellung kann beispielsweise durch eine nicht näher dargestellte Federeinrichtung erfolgen.
Die detailliert und ausschnittsweise in den 2 - 5 gezeigte Freilaufkupplung weist einen ersten Laufring 40 und einen zweiten Laufring 42 auf, die sich in den Umfangsrichtungen 44, 46 erstrecken, wobei der erste Laufring 40 drehfest mit der ersten Welle 8 verbunden ist, während der zweite Laufring 42 drehfest mit dem Zahnrad 18 und somit über die Zahnrader 18 und 20 drehfest mit der zweiten Welle 10 verbunden ist. In den einander entgegengesetzten radialen Richtungen 48, 50 sind Aufnahmen zwischen den beiden Laufringen 40, 42 ausgebildet, in denen mehrere bewegliche erste Klemmelemente 52 und mehrere bewegliche zweite Klemmelemente 54 angeordnet sind. Die Klemmelemente 52, 54 der Freilaufkupplung 30 folgen dabei in Umfangsrichtung 44, 46 wechselweise aufeinander.
Die ersten Klemmelemente können von einer in 4 gezeigten Öffnungsposition, in der der erste Laufring 40 in einer ersten Relativdrehrichtung 56 und einer der ersten Relativdrehrichtung 56 entgegengesetzten zweiten Relativdrehrichtung 58 gegenüber dem zweiten Laufring 42 verdrehbar ist, in eine in 2, 3 und 5 gezeigte Schließposition bewegt oder verschwenkt werden, in der der erste Laufring 40 in der ersten Relativdrehrichtung 56 über die ersten Klemmelemente 52 mit dem zweiten Laufring 42 drehmitnahmegekoppelt und in der zweiten Relativdrehrichtung 58 gegenüber dem zweiten Laufring 42 verdrehbar ist. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die ersten Klemmelemente 52 durch Verdrehen des ersten Laufrings 40 in der zweiten Relativdrehrichtung 58 gegenüber dem zweiten Laufring 42 in die Öffnungsposition bewegt oder verdrängt, hier verschwenkt, werden. Auch die zweiten Klemmelemente 54 können von einer Öffnungsposition, die in 2 und 3 gezeigt und in der der erste Laufring 40 in der ersten Relativdrehrichtung 56 und der zweiten Relativdrehrichtung 58 gegenüber dem zweiten Laufring 42 verdrehbar ist, in eine Schließposition bewegt werden, die in 4 und 5 gezeigt ist und in der der erste Laufring 40 in der ersten Relativdrehrichtung 56 gegenüber dem zweiten Laufring 42 verdrehbar und in der zweiten Relativdrehrichtung 58 über die zweiten Klemmelemente 54 mit dem zweiten Laufring 42 drehmitnahmegekoppelt ist.
Dank der hier gezeigten Kombination aus ersten und zweiten Klemmelementen 52, 54 sind jedoch nicht nur zwei Schaltstellungen der Freilaufkupplung 30 möglich. Vielmehr kann mindestens ein erstes Klemmelement und mindestens ein zweites Klemmelement unter Erzielung einer Drehmitnahmekopplung zwischen dem ersten und zweiten Laufring 40, 42 in der ersten und zweiten Relativdrehrichtung 56, 58 in die jeweilige Schließposition bewegt werden, wie dies in 5 gezeigt ist.
Wie bereits angedeutet, ist die Freilaufkupplung 30 als schaltbare Freilaufkupplung 30 ausgebildet, wobei auf die Darstellung einer entsprechenden Betätigungseinrichtung zur Betätigung der Klemmelemente 52 bzw. 54 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Auch ist es bevorzugt, wenn die ersten Klemmelemente 52 oder/und die zweiten Klemmelemente 54 in der Öffnungsposition oder Schließposition, vorzugsweise der Öffnungsposition, arretiert werden können, so dass die Beweglichkeit oder Verschwenkbarkeit der Klemmelemente 52 bzw. 54 durch Arretierung eingeschränkt oder unterbunden werden kann. Auch ist es bevorzugt, wenn die Klemmelemente 52 oder/und 54 in die andere Position vorgespannt sind, wobei dies beispielsweise durch ein Federelement erreicht werden kann. Auch hierbei ist es bevorzugt, wenn die ersten Klemmelemente oder/und die zweiten Klemmelemente 52, 54 in die Schließposition vorgespannt sind.
Nachstehend werden weitere Merkmale des Antriebsstrangs 2 bzw. des Getriebes 6 unter Bezugnahme auf die 1 - 5 anhand eines Verfahrens zum Betrieb des Antriebsstrangs 2 erläutert.
In einem ersten Verfahrensschritt wird die elektrische Maschine 4 als Motor betrieben, so dass diese über die Ein- bzw. Ausgangsseite 12 die erste Welle 8 antreibt. Die reibschlüssige Kupplung 32 ist geöffnet, während die zweite Welle 10 durch die erste Welle 8 im ersten Gang 14 über die Freilaufkupplung 30 bzw. deren erste Klemmelemente in der Schließposition und die Zahnräder 18 und 20 angetrieben wird. Diese Schaltstellung des Getriebes 6 eignet sich beispielsweise bei einem Anfahren am Bordstein, einer starken Beschleunigung des Kraftfahrzeugs oder Ähnlichem. Die entsprechende Schaltstellung der Klemmelemente 52, 54 ist in 2 gezeigt. So befinden sich die ersten Klemmelemente 52 in der Schließposition, während sich die zweiten Klemmelemente 54 in der Öffnungsposition befinden.
Bei der Weiterfahrt wird anschließend in den zweiten Gang 16 geschaltet, wobei dies durch Schließen der reibschlussigen Kupplung 32 erfolgt. Hierdurch wird die zweite Welle 10 über die erste Welle 8, die reibschlüssige Kupplung 32, das Zahnrad 22 und das Zahnrad 24 angetrieben, so dass infolgedessen die Freilaufkupplung überholt wird. Genauer gesagt wird der zweite Laufring 42 über die Zahnräder 20 und 18 derart durch die zweite Welle 10 angetrieben, dass der zweite Laufring 42 den ersten Laufring 40 in der ersten Relativdrehrichtung 56 überholt, wobei infolgedessen die ersten Klemmelemente 52 durch die entsprechende und in den Figuren gezeigte Kontur des ersten Laufrings 40 in die Öffnungsposition bewegt oder verdrängt wird, wie dies in 3 angedeutet ist. Wie bereits zuvor erwähnt, kann das erste Klemmelement 52 anschließend in dessen Öffnungsposition arretiert werden.
Da die zweite Welle 10 nunmehr über die reibschlüssige Kupplung 32 angetrieben wird, genügt das Getriebe höheren Komfortansprüchen, selbst wenn die Effizienz, beispielsweise aufgrund auftretender Schleppmomente in der reibschlüssigen Kupplung 32, gemindert ist. Der Übergang vom ersten Gang 14 in den zweiten Gang 16 durch die zuvor beschriebene Überholung der Freilaufkupplung 30 erfolgt dabei sehr sanft und ruckfrei. Mithin ist insgesamt ein Getriebe 6 geschaffen, das besonders flexibel bei verschiedenen Fahrmanövern verwendbar ist und aufgrund der Schaltbarkeit eine kleinbauende elektrische Maschine möglich macht.
Darüber hinaus kann von dem zweiten Gang auch wieder in den ersten Gang zurückgeschaltet werden, wobei dies durch einfaches Öffnen der reibschlüssigen Kupplung 32 und Bewegen der ersten Klemmelemente 52 von der Öffnungsposition in die Schließposition nach 2 erfolgen kann. Sind die Klemmelemente 52 in der Öffnungsposition arretiert und in die Schließposition vorgespannt, so kann das Zurückführen derselben in die Schließposition einfach durch Lösen der Arretierung der ersten Klemmelemente 52 erfolgen.
Auch beim Betrieb des Antriebsstrangs 2 mit der elektrischen Maschine 4 als Generator hat der Antriebsstrang 2 bzw. das Getriebe die vorangehend geschilderten Vorteile. So kann die elektrische Maschine 4 im Generatorbetrieb über die erste Welle 8 angetrieben werden, während das Antreiben der ersten Welle 8 durch die zweite Welle 10 im ersten Gang 14 des Getriebes über die Freilaufkupplung 30 erfolgt. In diesem Fall sind die zweiten Klemmelemente 54 in deren Schließposition verschwenkt, während die ersten Klemmelemente 52 in der Öffnungsposition angeordnet und arretiert sein können, wie dies in 4 gezeigt ist. Die reibschlüssige Kupplung 32 ist hingegen geöffnet. Um in den zweiten Gang 16 schalten zu können, wird die zweite Welle 10 zunächst abgebremst, was beispielsweise durch die Kraftfahrzeugbremsen erfolgen kann, um die durch den ersten und zweiten Laufring 40, 42 mit Kraft beaufschlagten zweiten Klemmelemente 54 in der Schließposition aus dieser Klemmstellung zu lösen und anschließend die Freilaufkupplung 14 durch Bewegen der zweiten Klemmelemente 54 zurück in deren Öffnungsposition zu öffnen, wobei anschließend die reibschlüssige Kupplung 32 geschlossen wird, um den Schaltvorgang in den zweiten Gang abzuschließen.
Auch im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 4 kann das Getriebe 6 wieder vom zweiten Gang in den ersten Gang zurückgeschaltet werden, auch dies erfolgt vorzugsweise zunächst durch Abbremsen der zweiten Welle, gegebenenfalls durch die Kraftfahrzeugbremsen, um ein allzu starkes Anschlagen des Laufrings 40 bzw. 42 an den zweiten Klemmelementen 54 zu verhindern, wenn diese in die Schließposition verschwenkt werden. Auch kann die Synchronisierung der Drehzahl von erstem und zweitem Laufring 40, 42 durch ein Verschwenken der ersten Klemmelemente 52 in deren Schließposition unterstützt werden, wie dies in 5 gezeigt ist. Ist die zweite Welle 10 auf die zuvor beschriebene Weise abgebremst worden, so kann die Freilaufkupplung 30 durch Bewegen der zweiten Klemmelemente 54 in deren Schließposition nach 4 geschlossen und die reibschlüssige Kupplung 32 anschließend geöffnet werden.
Die in 5 gezeigte Schaltstellung der Freilaufkupplung 30, bei der sowohl die ersten Klemmelemente 52 als auch die zweiten Klemmelemente 54 in deren Schließposition angeordnet sind, bewirkt eine vollständige Blockierung der beiden Laufringe 40, 42 zueinander in den einander entgegengesetzten Relativdrehrichtungen 56, 58.
Bezugszeichenliste

2: Antriebsstrang
4: elektrische Maschine
6: Getriebe
8: erste Welle
10: zweite Welle
12: Aus-/Eingangsseite
14: erster Gang
16: zweiter Gang
18: Zahnrad
20: Zahnrad
22: Zahnrad
24: Zahnrad
26: Wälzlager
28: Wälzlager
30: Freilaufkupplung
32: reibschlüssige Kupplung
34: erste Seite
36: zweite Seite
38: Lamellenpaket
40: erster Laufring
42: zweiter Laufring
44: Umfangsrichtung
46: Umfangsrichtung
48: radiale Richtung
50: radiale Richtung
52: erste Klemmelemente
54: zweite Klemmelemente
56: erste Relativdrehrichtung
58: zweite Relativdrehrichtung

Claims

Getriebe (6) für den Antriebsstrang (2) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit einer ersten Welle (8), die mit einer elektrischen Maschine (4) drehmitnahmeverbindbar ist, und einer zweiten Welle (10), wobei das Getriebe (6) von einem ersten Gang (14), in dem die erste Welle (8) mit einem ersten Übersetzungsverhältnis mit der zweiten Welle (10) drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist, in einen zweiten Gang (16) schaltbar ist, in dem die erste Welle (8) mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis, das kleiner als das erste Übersetzungsverhältnis ist, mit der zweiten Welle (10) drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das die erste Welle (8) im ersten Gang (14) über eine Freilaufkupplung (30) und im zweiten Gang (16) über eine reibschlüssige Kupplung (32) mit der zweiten Welle (10) drehmitnahmeverbunden oder drehmitnahmeverbindbar ist.
Getriebe (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufkupplung (30) mehrere bewegliche erste Klemmelemente (52) aufweist, die zwischen einem drehfest mit der ersten Welle (8) verbundenen ersten Laufring (40) einerseits und einem drehfest mit der zweiten Welle (10) verbundenen zweiten Laufring (42) andererseits angeordnet sind, wobei vorzugsweise die ersten Klemmelemente (52) von einer Öffnungsposition, in der der erste Laufring (40) in einer ersten Relativdrehrichtung (56) und einer der ersten Relativdrehrichtung (56) entgegengesetzten zweiten Relativdrehrichtung (58) gegenüber dem zweiten Laufring (42) verdrehbar ist, in eine Schließposition bewegbar sind, in der der erste Laufring (40) in der ersten Relativdrehrichtung (56) über die ersten Klemmelemente (52) mit dem zweiten Laufring (42) drehmitnahmegekoppelt und in der zweiten Relativdrehrichtung (58) gegenüber dem zweiten Laufring (42) verdrehbar ist, wobei die ersten Klemmelemente (52) besonders bevorzugt durch Verdrehen des ersten Laufrings (40) in der zweiten Relativdrehrichtung (58) gegenüber dem zweiten Laufring (42) in die Öffnungsposition bewegbar oder verdrängbar sind.
Getriebe (6) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufkupplung (30) mehrere bewegliche zweite Klemmelemente (54) aufweist, die zwischen dem ersten Laufring (40) einerseits und dem zweiten Laufring (42) andererseits angeordnet sind, wobei die zweiten Klemmelemente (54) von einer Öffnungsposition, in der der erste Laufring (40) in der ersten Relativdrehrichtung (56) und der zweiten Relativdrehrichtung (58) gegenüber dem zweiten Laufring (42) verdrehbar ist, in eine Schließposition bewegbar sind, in der der erste Laufring (40) in der ersten Relativdrehrichtung (56) gegenüber dem zweiten Laufring (42) verdrehbar und in der zweiten Relativdrehrichtung (58) über die zweiten Klemmelemente (54) mit dem zweiten Laufring (42) drehmitnahmegekoppelt ist, wobei vorzugsweise mindestens ein erstes Klemmelement (52) und mindestens ein zweites Klemmelement (54) unter Erzielung einer Drehmitnahmekopplung zwischen dem ersten und zweiten Laufring (40, 42) in der ersten und zweiten Relativdrehrichtung (56, 58) in die jeweilige Schließposition bewegbar sind.
Getriebe (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufkupplung (30) als schaltbare Freilaufkupplung (30) ausgebildet ist, wobei die ersten Klemmelemente (52) oder/und zweiten Klemmelemente (54) vorzugsweise in der Öffnungsposition oder Schließposition arretierbar und besonders bevorzugt in die andere Position vorgespannt sind.
Getriebe (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (6) als Stirnradgetriebe ausgebildet ist, wobei die reibschlüssige Kupplung (32) vorzugsweise zwischen einem Stirnrad des Getriebes (6) und der ersten oder zweiten Welle (8; 10) angeordnet ist, auf der besonders bevorzugt das Stirnrad (22) drehbar gelagert ist, gegebenenfalls über ein Wälzlager (28), oder/und die Freilaufkupplung (30) vorzugsweise zwischen einem Stirnrad (18) des Getriebes (6) und der ersten oder zweiten Welle (8; 10) angeordnet ist, auf der besonders bevorzugt das Stirnrad (18) drehbar gelagert ist, gegebenenfalls über ein Wälzlager (26).
Getriebe (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Übersetzungsverhältnis mindestens 1 beträgt, vorzugsweise größer als 1,3, besonders bevorzugt größer als 1,4, ist, während das zweite Übersetzungsverhältnis weniger als 1 beträgt, vorzugsweise kleiner als 0,9, besonders bevorzugt kleiner als 0,8, ist.
Getriebe (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reibschlüssige Kupplung (32) eine Lamellenkupplung, vorzugsweise eine nasslaufende Lamellenkupplung, oder/und eine normalerweise geschlossene Kupplung ist.
Antriebsstrang (2) für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (4) und einem Getriebe (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dessen erste Welle mit der elektrischen Maschine (4) in Drehmitnahmeverbindung steht, wobei vorzugsweise ferner ein Verbrennungsmotor vorgesehen ist, mittels dessen die zweite Welle (10) wahlweise antreibbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs (2) nach Anspruch 8 mit den Verfahrensschritten Antreiben der ersten Welle (8) durch die elektrische Maschine (4) im Motorbetrieb und Antreiben der zweiten Welle (10) durch die erste Welle (8) im ersten Gang (14) des Getriebes (6) über die Freilaufkupplung (30), vorzugsweise über die ersten Klemmelemente (52) in der Schließposition, während die reibschlüssige Kupplung (32) geöffnet ist, und Schalten in den zweiten Gang (16) durch Schließen der reibschlüssigen Kupplung (32) unter Überholung der Freilaufkupplung (30), vorzugsweise unter Bewegung oder Verdrängung der ersten Klemmelemente (52) in die Öffnungsposition und besonders bevorzugt Arretieren der ersten Klemmelemente (52) in der Öffnungsposition und besonders bevorzugt Rückschalten in den ersten Gang (14) durch Öffnen der reibschlüssigen Kupplung (32) und Bewegen der ersten Klemmelemente (52) von der Öffnungsposition in die Schließposition, vorzugsweise durch Lösen der Arretierung der ersten Klemmelemente (52) in der Öffnungsposition.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs (2) nach Anspruch 8 mit den Verfahrensschritten Antreiben der elektrischen Maschine (4) im Generatorbetrieb über die erste Welle (8) und Antreiben der ersten Welle (8) durch die zweite Welle (10) im ersten Gang (14) des Getriebes über die Freilaufkupplung (30), vorzugsweise über die zweiten Klemmelemente (54) in der Schließposition, während die reibschlüssige Kupplung (32) geöffnet ist, Abbremsen der zweiten Welle (10), vorzugsweise durch Kraftfahrzeugbremsen, Schalten in den zweiten Gang (16) durch Lösen der Freilaufkupplung (30), vorzugsweise Bewegen der zweiten Klemmelemente (54) in deren Öffnungsposition, und anschließendes Schließen der reibschlüssigen Kupplung (32), besonders bevorzugt Rückschalten in den ersten Gang (14) durch Abbremsen der zweiten Welle (10), vorzugsweise durch Kraftfahrzeugbremsen, Schließen der Freilaufkupplung (30), vorzugsweise Bewegen der zweiten Klemmelemente (54) in deren Schließposition, und anschließendes Öffnen der reibschlüssigen Kupplung (32).