DE102012201373A1

DE102012201373A1 - Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012201373A1
Application number: DE201210201373
Authority: DE
Inventors: Peter Ziemer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: DE102012201373B4

Abstract

Ein Hybridantriebsstrang für ein Fahrrad mit einer Nabengangschaltung mit zumindest einer Getriebeeingangswelle (1) und einer Getriebeausgangswelle (2) wobei die Nabengangschaltung einen Vorschaltradsatz sowie einen aus zumindest zwei Einzelplanetenradsätzen (P3, P4) gebildeten Nachschaltradsatz aufweist, wobei zwei Leistungspfade (L1, L2) zwischen einem Getriebeeingang und dem Nachschaltradsatz vorgesehen sind, wobei der erste Leistungspfad (L1) ein erstes festes Übersetzungsverhältnis und der zweite Leistungspfad (L2) ein zweites festes Übersetzungsverhältnis aufweist, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis, wobei der Nachschaltradsatz zumindest sechs in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Welle des Nachschaltradsatzes bezeichnete Wellen (W5, W6, W7, W8, W9, W10) umfasst, wobei der erste Leistungspfad (L1) entweder fest mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist oder über ein elftes Schaltelement (K1) mit der Getriebeeingangswelle (1) in Wirkverbindung bringbar ist, wobei die dritte Welle (W7) über ein erstes Schaltelement (U1) mit dem ersten Leistungspfad (L1) und über ein zweites Schaltelement (U2) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, wobei die zweite Welle (W6) über ein drittes Schaltelement (D3) mit dem ersten Leistungspfad (L1) verbindbar ist, wobei die sechste Welle (W10) über ein viertes Schaltelement (U3) mit der zweiten Welle (W6) und über ein fünftes Schaltelement (D4) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, wobei die fünfte Welle (W9) über ein sechstes Schaltelement (D5) mit der zweiten Welle (W6) verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nabengangschaltung für ein Fahrrad mit zumindest einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle.
Weiters betrifft die Erfindung einen Hybridantriebsstrang für ein Fahrrad mit zumindest einer Elektromaschine und einer Nabengangschaltung.
Fahrräder, unterstützt durch Elektromotoren sind mittlerweile in vielfältigen Bauweisen im Einsatz. In vielen Anwendungen wird ein Nabenmotor in ein Vorder- oder Hinterrad eingebaut. Dabei kann der Nabenmotor mit einem nicht schaltbaren bzw. über einen Freilauf schaltbaren Reduzierradsatz ausgestattet sein. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass sich Nabenmotoren im Vorderrad aufgrund des hohen Gewichts ungünstig auf das Fahrverhalten auswirken. Nabenmotoren im Hinterrad hingegen sind bislang nur mit offen liegenden, wartungsunfreundlichen Kettenschaltungen im Einsatz. Sofern die Nabenmotoren mit einem Freilauf ausgestattet sind, ist auch keine Rekuperation möglich.
Eine selten anzutreffende Anwendung sieht einen direkten Antrieb des Elektromotors auf den Reifen des Vorder- oder Hinterrades vor. Nachteilig hierbei ist zum einen der schlechte Wirkungsgrad. Zum anderen, dass es bei Nässe zu einem Durchrutschen am Reifen kommen kann.
Häufig findet sich hingegen eine Anordnung des Elektromotors im Tretlagerbereich. Nachteilig ist hierbei vor allem, dass in Verbindung mit einer Kettenschaltung keine Rekuperation möglich ist und sich die Belastung für den Antriebstrang signifikant erhöht.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und eine Gewichtsreduktion eines Hybridantriebstrangs zu ermöglichen sowie den Fahrkomfort zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit einer Nabenschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Nabengangschaltung einen Vorschaltradsatz sowie einen aus zumindest zwei Einzelplanetenradsätzen gebildeten Nachschaltradsatz aufweist, wobei zwei Leistungspfade zwischen einem Getriebeeingang und dem Nachschaltradsatz vorgesehen sind, wobei der erste Leistungspfad ein erstes festes Übersetzungsverhältnis und der zweite Leistungspfad ein zweites festes Übersetzungsverhältnis aufweist, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis, wobei der Nachschaltradsatz zumindest sechs in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Welle des Nachschaltradsatzes bezeichnete Wellen umfasst, wobei der erste Leistungspfad L1 entweder fest mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist oder über ein elftes Schaltelement mit der Getriebeeingangswelle in Wirkverbindung bringbar ist, wobei entweder die erste Welle oder die dritte Welle des Nachschaltradsatzes über ein erstes Schaltelement mit dem ersten Leistungspfad und über ein zweites Schaltelement mit dem zweiten Leistungspfad verbindbar ist, wobei die zweite Welle des Nachschaltradsatzes über ein drittes Schaltelement mit dem ersten Leistungspfad verbindbar ist, wobei die vierte oder die sechste Welle des Nachschaltradsatzes über ein viertes Schaltelement mit der zweiten Welle des Nachschaltradsatzes und über ein fünftes Schaltelement mit dem zweiten Leistungspfad verbindbar ist, wobei die fünfte Welle des Nachschaltradsatzes über ein sechstes Schaltelement mit der zweiten Welle des Nachschaltradsatzes verbindbar und für den Fall, dass der Nachschaltradsatz aus zwei Planetengetrieben gebildet ist, mit der Getriebeausgangswelle verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich vor allem durch einen wesentlich reduzierten und vereinfachten Aufbau aus, wodurch sich auch eine Optimierung hinsichtlich des Gesamtgewichts und des erforderlichen Einbauraums erzielen lässt. Je zwei Schaltelemente können mittels eines doppeltwirkenden Aktuators wechselweise betätigbar sein. Hierbei kann ein Schließen eines ersten Schaltelements ein Öffnen eines zweiten Schaltelementes zur Folge haben. Alle in diesem Dokument genannten Schaltelemente können bevorzugt als formschlüssige Schaltelemente, beispielsweise als Klauenschaltelemente, insbesondere Klauenkupplungen oder Klauenbremsen, ausgebildet sein.
Die verwendeten Planetengetriebe sind vorzugsweise als Minus-Planetenradsätze ausgebildet. Ein einfacher Minus-Planetenradsatz umfasst ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, an dem Planetenräder drehbar gelagert sind, die jeweils mit Sonnenrad und Hohlrad kämmen. Hierdurch weist das Hohlrad bei festgehaltenem Steg eine zum Sonnenrad entgegengesetzte Drehrichtung auf. Demgegenüber umfasst ein einfacher Plus-Planetenradsatz ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, an dem innere und äußere Planetenräder drehbar gelagert sind, wobei alle inneren Planetenräder mit dem Sonnenrad und alle äußeren Planetenräder mit dem Hohlrad kämmen, wobei jedes innere Planetenrad mit jeweils einem äußeren Planetenrad kämmt. Hierdurch weist das Hohlrad bei festgehaltenem Steg die gleiche Drehrichtung auf wie das Sonnenrad. Gemäß der Erfindung kann ein Minus-Planetenradsatz jedoch auch durch einen Plus-Planetenradsatz ersetzt werden, wenn gleichzeitig die Steg- und Hohlradanbindung getauscht und der Betrag der Standübersetzung des Planetenradsatzes im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetenradsatz um 1 erhöht wird.
Zur Realisierung eines kompakten und leichtgewichtigen Dreizehn- oder Fünfzehn-Ganggetriebes kann es vorgesehen sein, dass der Nachschaltradsatz einen dritten Planetenradsatz mit drei in Drehzahlordnung als siebente, achte und neunte Welle des Nachschaltradsatzes bezeichnete Wellen aufweist, wobei die siebente oder die neunte Welle über ein siebentes Schaltelement mit dem zweiten Leistungspfad und über ein achtes Schaltelement mit der fünften Welle des Nachschaltradsatzes verbindbar ist, wobei die achte Welle über ein neuntes Schaltelement mit der fünften Welle des Nachschaltradsatzes verbindbar und ständig mit der Getriebeausgangswelle verbunden ist.
Ein Sechzehn-Ganggetriebe lässt sich dadurch realisieren, dass die Getriebeausgangswelle über ein zehntes Schaltelement mit der Getriebeeingangswelle verbindbar ist.
Eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass der erste oder der zweite Leistungspfad zumindest eine über das elfte Schaltelement mit der Getriebeeingangswelle in Wirkverbindung bringbare Elektromaschine umfasst. Darüber hinaus kann auch eine Lastschaltung über die Elektromaschine erfolgen. Darüber hinaus kann die Elektromaschine als Drehzahlgeber (Resolver) dienen. Hierbei können undefinierte Drehzahlzustände an den Planetenradsätzen innerhalb und außerhalb der Schaltung der Gänge durch stets definierte Drehzahlen an der Elektromaschine am Antrieb und am Abtrieb vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Vorschaltradsatz zwei zweifach miteinander gekoppelte Einzelplanetenradsätze mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite dritte und vierte Welle des Vorschaltradsatzes bezeichneten Wellen auf, wobei die Elektromaschine an die zweite, dritte oder vierte Welle des Vorschaltradsatzes angebunden ist.
Bevorzugt umfasst der erste Leistungspfad den Vorschaltradsatz, wobei der erste der Einzelplanetenradsätze des Vorschaltradsatzes als Underdrive-Planetenradsatz ausgebildet ist, wobei die erste Welle des Vorschaltradsatzes mit einem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes verbunden und festgesetzt ist und die zweite Welle des Vorschaltradsatzes einen Steg des ersten Planetenradsatzes und ein Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes verbindet, wobei die dritte Welle des Vorschaltradsatzes mit einem Steg des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist und die vierte Welle des Vorschaltradsatzes ein Hohlrad des ersten Planetenradsatzes und ein Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes miteinander verbindet, wobei der zweite Leistungspfad ein direkter Antrieb ist.
Eine Variante der Erfindung, bei welcher durch selektives Eingreifen der Schaltelemente bis zu sechzehn Vorwärtsgänge realisierbar sind, sieht vor, dass sich ein erster Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des ersten Schaltelements, des vierten Schaltelements sowie des achten Schaltelements, ein zweiter Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements, des vierten Schaltelements und des achten Schaltelements, ein dritter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des dritten Schaltelements des vierten Schaltelements und des achten Schaltelements, ein vierter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des fünften Schaltelements und des achten Schaltelements, ein fünfter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des ersten Schaltelements, des sechsten Schaltelements sowie des achten Schaltelements, ein sechster Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements, des sechsten Schaltelements und des achten Schaltelements, ein siebenter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des dritten Schaltelements, des sechsten Schaltelements und des achten Schaltelements, ein achter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des siebenten Schaltelements, ein neunter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des ersten Schaltelements, des vierten Schaltelements und des neunten Schaltelements, ein zehnter Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements, des vierten Schaltelements und des neunten Schaltelements, ein elfter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des dritten Schaltelements, des vierten Schaltelements sowie des neunten Schaltelements, ein zwölfter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des fünften Schaltelements und des neunten Schaltelements, ein dreizehnter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des ersten Schaltelements, des sechsten Schaltelements sowie des neunten Schaltelements, ein vierzehnter Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements, des sechsten Schaltelements sowie des neunten Schaltelements und ein fünfzehnter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des dritten Schaltelements, des sechsten Schaltelements und des neunten Schaltelements ergibt, wobei falls das zehnte Schaltelement vorgesehen ist, sich ein sechzehnter Vorwärtsgang zumindest durch Schließen des zehnten Schaltelements ergibt.
Die oben genannte Aufgabe lässt sich auch mit einem Hybridantriebsstrang der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch lösen, dass er eine Nabengangschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen einem Freilauf und einem Getriebeeingang der Nabengangschaltung zumindest eine zweite, mit der Antriebswelle verbundene Elektromaschine angeordnet sein. Durch diese Anordnung lässt sich eine Schaltbarkeit des Hybridantriebsstrangs auch unter Last realisieren.
Ein besonders einfacher und platzsparender Aufbau ergibt sich dadurch, dass jeweils zwei Schaltelemente durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sind, wobei vorzugsweise das erste Schaltelement und das dritte Schaltelement und/ oder das zweite Schaltelement und das fünfte Schaltelement und/ oder das vierte Schaltelement und das sechste Schaltelement und/ oder das siebente Schaltelement und das elfte Schaltelement und/ oder das achte Schaltelement und das neunte Schaltelement jeweils durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sind.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen wird im Folgenden anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele näher erläutert, welche in den Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen schematisch:
1 ein Getriebeschema eines erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs,
2 ein Drehzahldiagramm für den Hybridantriebsstrang aus 1,
3 ein Schaltschema für den Hybridantriebstrang aus 1 und
4 einen Ausschnitt aus einem Drehzahldiagramm für eine weitere Ausführungsform des Hybridantriebsstrangs aus 1.
Gemäß 1 weist ein erfindungsgemäßer Hybridantriebstrang für ein Fahrrad eine Nabengangschaltung mit zumindest einer Getriebeeingangswelle 1 und einer Getriebeausgangswelle 2 sowie mindestens eine Elektromaschine EM1 auf. Die Elektromaschine EM1 ist über ein Schaltelement K1 mit der Getriebeeingangswelle 1 in Wirkverbindung bringbar. Weiters weist der Hybridantriebstrang einen Freilauf 3 hin zu einem Kettenritzel auf. Darüber hinaus können eine Steuerung 4 für die Elektromaschine EM1 und ein elektrischer Energiespeicher 5 vorgesehen sein.
Die Nabengangschaltung weist einen aus zwei Planetenradsätzen P1, P2 gebildeten Vorschaltradsatz sowie einen aus drei Einzelplanetenradsätzen P3, P4, P5 gebildeten Nachschaltradsatz auf. Zwischen einem Getriebeeingang und dem Nachschaltradsatz sind zwei Leistungspfade L1, L2 vorgesehen. Der erste Leistungspfad L1 weist ein erstes festes Übersetzungsverhältnis und der zweite Leistungspfad L2 ein zweites festes Übersetzungsverhältnis auf, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis. Der dargestellte Nachschaltradsatz weist neun in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte, vierte, fünfte, sechste, siebente, achte, neunte Welle des Nachschaltradsatzes bezeichnete Wellen W5, W6, W7, W8, W9, W10, W11, W12, W13 auf. In der dargestellten Ausführungsform weist die Nabengangschaltung einen Vorschaltradsatz mit zwei zweifach miteinander gekoppelte Einzelplanetenradsätzen P1, P2 und vier Wellen W1, W2, W3, W4 auf.
Der erste Leistungspfad L1 umfasst den Vorschaltradsatz, wobei der erste der Einzelplanetenradsatz P1 als Underdrive-Planetenradsatz ausgebildet ist. Die erste Welle W1 ist hierbei mit einem Sonnenrad SO1 des ersten Planetenradsatzes P1 verbunden und festgesetzt. Die zweite Welle W2 verbindet einen Steg ST1 des Planetenradsatzes P1 und ein Sonnenrad SO2 des Planetenradsatzes P2. Die dritte Welle W3 ist mit einem Steg ST2 des Planetenradsatzes P2 verbunden. Die vierte Welle W4 verbindet ein Hohlrad HO1 des Planetenradsatzes P1 und ein Hohlrad HO2 des Planetenradsatzes P2 miteinander, wobei der zweite Leistungspfad L2 ein direkter Antrieb ist.
Der Einsatz eines Planetenradsatzes mit gestuften Planeten anstelle der beiden separaten Planetenradsätzen P1, P2 zur Erreichung einer betragsmäßig hohen Standübersetzung ist ebenfalls möglich.
Die Welle W5 ist mit dem Sonnenrad SO3, die Welle W6 mit dem Steg ST3, die Welle W7 mit dem Hohlrad HO3, die Welle W8 mit dem Sonnenrad SO4, die Welle W9 mit dem Steg ST4, die Welle W10 mit dem Hohlrad HO4, die Welle W11 mit dem Sonnenrad SO5, die Welle W12 mit der Getriebeausgangswelle 2 und die Welle W13 mit dem Hohlrad HO5 verbunden.
Aus dem in 2 dargestellten Drehzahldiagramm bzw. Drehzahlplan sind die Beziehungen zwischen den durch selektives Eingreifen der Schaltelementen K1, U1, U2, U3, U7, D3, D4, D5, D8, D16 erzielten Gängen und dem Übersetzungsverhältnis jeder Welle W1, ... W13 ersichtlich. Auf den einzelnen Wellen W1, ... W13 sind in vertikaler Richtung die Drehzahlverhältnisse aufgetragen. Der horizontale Abstand zwischen den Wellen ergibt sich durch die Standübersetzungen, sodass sich zu einem bestimmten Betriebspunkt gehörende Drehzahlverhältnisse durch eine Gerade verbinden lassen. Bei einer bestimmten Antriebsdrehzahl kennzeichnen die Betriebslinien des fünften Planetenradsatzes P5 die Drehzahlverhältnisse in den sechzehn Vorwärtsgängen, wobei der höchste Gang ein direkter Gang ist. Die Eingangsdrehzahl ist auf 1 normiert.
Die Welle W7 kann über ein Schaltelement U1 mit dem ersten Leistungspfad L1 und über ein Schaltelement U2 mit dem zweiten Leistungspfad L2 verbunden werden. Die Welle W6 kann über ein Schaltelement D3 mit dem ersten Leistungspfad L1 verbunden werden. Die Welle W10 kann über ein Schaltelement U3 mit der Welle W6 und über ein Schaltelement D4 mit dem zweiten Leistungspfad L2 verbunden werden. Die Welle W9 kann über ein Schaltelement D5 mit der Welle W6 verbunden werden. Die Welle W11 kann über ein Schaltelement D8 mit dem zweiten Leistungspfad L2 und über ein Schaltelement U7 mit der Welle W9 verbunden werden. Die Welle W12 kann über ein Schaltelement D9 mit der Welle W9 verbunden werden und ist ständig mit der Getriebeausgangswelle 2 verbunden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass in dem vorliegenden Text die Begriffe „ständig“ und „fest“ bzw. „drehfest“ synonym gebraucht werden.
Die Getriebeausgangswelle 5 kann über ein zehntes Schaltelement D16 mit der Getriebeeingangswelle verbunden werden, wodurch sich ein direkter Antrieb ergibt.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Wellen W5, W8 und W13 des Nachschaltradsatzes festgesetzt. Alternativ wäre es jedoch auch möglich, die Welle W7 bzw. die Welle W10 oder W11 festzusetzen und die Schaltelemente U1 und U2 an der Welle W5 bzw. die Schaltelemente D4 und U3 an der Welle W8 oder die Schaltelemente D8 und U7 an der Welle W13 vorzusehen, wobei die Standübersetzungen aller Planetengetriebe P1, P2, P3, P4 und P5 entsprechend anzupassen wären.
Die Elektromaschine EM1 ist an die Welle W4 des Vorschaltradsatzes angebunden.
Alternativ zu der in 1 gezeigten Ausführungsform kann die Elektromaschine EM1 jedoch auch zwischen dem Ausgangselement (Steg) des ersten Planetengetriebes P1 und den Schaltelementen D3 und U1 angebunden werden. Dadurch könnte das Schaltelement K1 durch eine feste Anbindung zum Verbrennungsmotor 1 ersetzt werden. Jedoch nur in Verbindung mit einer Bremse zwischen Sonnenrad SO1 des ersten Planetengetriebes P1 und einem Gehäuse oder mit einer Verlagerung des Schaltelements K1 unmittelbar an den Ausgang (Steg) des ersten Planetengetriebes P1.
Das antriebsnahe erste Planetengetriebe kann auch als Override-Radsatz ausgebildet sein. Hierzu wäre an dem in 1 dargestellten ersten Planetengetriebe ein Eingangsmoment vom Hohlrad an den Steg zu legen, das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes nun mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes zu verbinden sowie den Steg des ersten Planetenradsatzes mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes zu verbinden, der Ausgang zu den Schaltelementen U1 und D3 am Steg des ersten Planetenradsatzes zu belassen, die Verbindungen der Schaltelemente U2, D4 und D8 mit der Antriebswelle aufzulösen und stattdessen die Schaltelemente eingagsseitig am Steg des zweiten Planetenradsatzes vorzusehen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in den dargestellten Ausführungsformen, der Planetenradsatz P1 als Underdrive-Planetenradsatz ausgeführt ist, wobei der zweite Leistungspfad L2 ein direkter Antrieb ist. Bei einer Ausführungsform des Planetenradsatzes P1 als Overdrive-Planetenradsatz wäre jedoch der erste Leistungspfad L1 ein direkter Antrieb. Im Fall des dargestellten Underdrive-Planetenradsatzes stellt der sechzehnte Gang einen direkten Gang dar, während im Fall eines Overdrive-Planetenradsatzes P1 der direkte Gang der fünfzehnte Gang wäre.
Zwischen dem Freilauf 3 und einem Getriebeeingang der Nabenschaltung kann eine zweite Elektromaschine EM2 angeordnet werden. Beide Elektromaschinen EM1, EM2 sollten in Summe das gleiche Nennmoment wie die bislang eine Elektromaschine EM1 aufweisen, wobei die beiden Elektromaschinen EM1, EM2 vorteilhafterweise gleich groß ausgeführt sind. Durch die Anordnung der zweiten Elektromaschine EM2 wird eine echte Lastschaltung des Hybridantriebsstrangs ermöglicht, weil das nicht zu beeinflussende weitgehend sinusförmig verlaufende Tretmoment während der Schaltung über die zweite Elektromaschine EM2 kompensiert werden kann und damit im Getriebe an den für den jeweiligen Schaltvorgang benötigten Schaltelementen lastlose Zustände erreicht werden, um diese auslegen bzw. synchronisiert einlegen zu können. Die elektrischen Gänge eins, drei, fünf, sieben, neun, elf, dreizehn und fünfzehn dienen als Stützgänge.
Als Beispiel wird die Schaltung vom ersten in den zweiten Gang erläutert. Zunächst muss hierbei das Schaltelement K1 geöffnet werden. Das Tretmoment wird durch die zweite Elektromaschine EM2 im Generatorbetrieb aufgefangen, sodass K1 lastlos wird und geöffnet werden kann. Währenddessen übernimmt die erste Elektromaschine EM1 das Antriebsmoment über die erste Gang Übersetzung. U2 wird über die zweite Elektromaschine EM2 synchronisiert und lastlos eingelegt. Damit ist für den Nutzer der zweite Gang eingelegt.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch auf die Elektromaschinen EM1, EM2 verzichtet werden kann. In diesem Fall würde man eine reine Nabenschaltung erhalten.
3 ist ein beispielhaftes Schaltschema für die in 1 dargestellte Nabenschaltung für eine fünfzehn Gang Schaltung zu entnehmen.
Dem Schaltschema können die jeweiligen Übersetzungen der einzelnen Gangstufen und die daraus zu bestimmenden Gangsprünge zum nächst höheren Gang beispielhaft entnommen werden, wobei das Getriebe eine Spreizung von 5,4 aufweist. Typische Werte für die Standübersetzungen der als Minus-Planetenradsätze ausgeführten Planetengetriebe P1, P2, P3, P4 und P5 für ein fünfzehn Gang Getriebe sind –2,0 für P1, –2,0 für P2, –3,67 für P3, –1,62 für P4 und –1,62 für P5.
Hierbei ergibt sich ein erster Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des Schaltelements U1, des Schaltelements U3 sowie des Schaltelements U7, ein zweiter Vorwärtsgang durch Schließen des Schaltelements U2, des Schaltelements U3 und des Schaltelements U7, ein dritter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des Schaltelements D3 des Schaltelements U3 und des Schaltelements U7, ein vierter Vorwärtsgang durch Schließen des Schaltelements D4 zumindest des Schaltelements U7, ein fünfter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des Schaltelements U1, des Schaltelements D5 sowie des Schaltelements U7, ein sechster Vorwärtsgang durch Schließen des Schaltelements U2, des Schaltelements D5 und des Schaltelements U7, ein siebenter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des Schaltelements D3, des Schaltelements D5 und des Schaltelements U7, ein achter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des Schaltelements D8, ein neunter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des Schaltelements U1, des Schaltelements U3 und des Schaltelements D9, ein zehnter Vorwärtsgang durch Schließen des Schaltelements U2, des Schaltelements U3 und des Schaltelements D9, ein elfter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des Schaltelements D3, des Schaltelements U3 sowie des Schaltelements D9, ein zwölfter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des Schaltelements D4 und des Schaltelements D9, ein dreizehnter Vorwärtsgang durch Schließen des Schaltelements U1, des Schaltelements D5 sowie des Schaltelements D9, ein vierzehnter Vorwärtsgang durch Schließen des Schaltelements U2, des Schaltelements D5 sowie des Schaltelements D9 und ein fünfzehnter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des Schaltelements D3, des Schaltelements D5 und des Schaltelements D9.
Eine Lastschaltung erfolgt, wie aus dem Schaltschema in 3 erkennbar ist, über die elektrischen Gänge als Stützgänge. Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind keine undefinierten Drehzahlzustände an den Planetengetrieben innerhalb und außerhalb der Schaltung der Gänge gegeben. Sonderfälle stellen hierbei die Schaltung von den vierten in den fünften Gang und die Schaltung vom achten in den neunten Gang sowie die Schaltung vom zwölften in den dreizehnten Gang dar. In den IST-Gängen (hier die geraden Gänge) bleiben zunächst die Schaltelemente des nächstniedrigeren Ganges bis auf das Schaltelement K1 geschlossen und können über die Elektromaschine EM1 in einen lastlosen Zustand versetzt werden.
Beispielhaft wird im Folgenden die Schaltung vom vierten in den fünften Gang erklärt. Hierbei wird im vierten Gang im lastlosen Zustand zunächst vorzugsweise das Schaltelement U3 geöffnet. Über das noch geschlossene Schaltelement D3 wird mittels der Elektromaschine EM1 eine Synchrondrehzahl zum Schließen des Schaltelements D5 angefahren und dann das Schaltelement D5 geschlossen. Anschließend wird im lastlosen Zustand das Schaltelement D3 geöffnet und nach Synchronisierung mittels der Elektromaschine EM1 das Schaltelement U1 geschlossen, anschließend das Schaltelement 4 geöffnet.
Das Fünfzehnganggetriebe lässt sich auf ein Sechzehnganggetriebe erweitern indem über ein zusätzliches Schaltelement D16 die Getriebeeingangswelle 1 direkt mit der Getriebeausgangswelle 2 verbunden wird und damit den weiteren nun höchsten Gang erzeugt. Ebenso lässt sich das Fünfzehnganggetriebe auf ein Achtganggetriebe reduzieren, indem auf den fünften Radsatz P5 sowie auf die Schaltelemente U7 und D9 verzichtet wird. Es kann auch bei entsprechen geänderten Standgetriebeübersetzungen ein Dreizehnganggetriebe realisiert werden. Dies wäre dann sinnvoll, wenn die in 3 dargestellten Gangsprünge verändert werden sollen, jedoch weiterhin übliche Standübersetzungen, insbesondere am vierten Radsatz P4 verwendet werden sollen. In einer dazugehörigen Schaltlogik würden die Gänge neun und zehn des Fünfzehnganggetriebes fehlen. 4 zeigt den Drehzahlplan für den Planetenradsatz P5 für den Fall eines Dreizehn-Ganggetriebes.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass bei allen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung die Schaltelemente K1, U1, U2, U3, D3, D4, D5, D8, D9, D16 bevorzugt als Klauenkupplungen ausgeführt sind.
Auch können bei allen Ausführungsformen der Erfindung jeweils zwei Schaltelemente K1, U1, U2, U3, U7, D3, D4, D5, D8, D9 paarweise durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sein. Somit kann jeweils ein Paar von Schaltelementen durch einen einzigen Aktuator betätigt werden, wodurch sich der Aufbau vereinfacht sowie der erforderliche Bauraum und die Herstellungskosten verringert werden können.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Varianten der erfindungsgemäßen Nabengangschaltung bzw. Hybridantriebsstranges, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten eingeschränkt ist. Weiteres sind diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich, wobei diese Variationsmöglichkeiten aufgrund der Lehre zum technischen Handeln der gegenständlichen Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegen.
Bezugszeichenliste

1: Getriebeeingangswelle
2: Getriebeausgangswelle
3: Freilauf
4: Steuerung
5: elektrischer Energiespeicher
EM1: erste Elektromaschine
EM2: zweite Elektromaschine
L1: erster Leistungspfad
L2: zweiter Leistungspfad
P1: erster Planetenradsatz
P2: zweiter Planetenradsatz
P3: dritter Planetenradsatz
P4: vierter Planetenradsatz
P5: fünfter Planetenradsatz
W1: erste Welle des Vorschaltradsatzes
W2: zweite Welle des Vorschaltradsatzes
W3: dritte Welle des Vorschaltradsatzes
W4: vierte Welle des Vorschaltradsatzes
W5: erste Welle des Nachschaltradsatzes
W6: zweite Welle des Nachschaltradsatzes
W7: dritte Welle des Nachschaltradsatzes
W8: vierte Welle des Nachschaltradsatzes
W9: fünfte Welle des Nachschaltradsatzes
W10: sechste Welle des Nachschaltradsatzes
W11: siebente Welle des Nachschaltradsatzes
W12: achte Welle des Nachschaltradsatzes
W13: neunte Welle des Nachschaltradsatzes
SO1: Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes
ST1: Steg des ersten Planetenradsatzes
HO1: Hohlrad des ersten Planetenradsatzes
SO2: Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes
ST2: Steg des zweiten Planetenradsatzes
HO2: Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes
SO3: Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes
ST3: Steg des dritten Planetenradsatzes
HO3: Hohlrad des dritten Planetenradsatzes
SO4: Sonnenrad des vierten Planetenradsatzes
ST4: Steg des vierten Planetenradsatzes
HO4: Hohlrad des vierten Planetenradsatzes
SO5: Sonnenrad des fünften Planetenradsatzes
ST5: Steg des fünften Planetenradsatzes
HO5: Hohlrad des fünften Planetenradsatzes
U1: erstes Schaltelement
U2: zweites Schaltelement
D3: drittes Schaltelement
U3: viertes Schaltelement
D4: fünftes Schaltelement
D5: sechstes Schaltelement
D8: siebentes Schaltelement
U7: achtes Schaltelement
D9: neuntes Schaltelement
D16: zehntes Schaltelement
K1: elftes Schaltelement

Claims

Nabengangschaltung für ein Fahrrad mit zumindest einer Getriebeeingangswelle (1) und einer Getriebeausgangswelle (2) dadurch gekennzeichnet, dass die Nabengangschaltung einen Vorschaltradsatz sowie einen aus zumindest zwei Einzelplanetenradsätzen (P3, P4) gebildeten Nachschaltradsatz aufweist, wobei zwei Leistungspfade (L1, L2) zwischen einem Getriebeeingang und dem Nachschaltradsatz vorgesehen sind, wobei der erste Leistungspfad (L1) ein erstes festes Übersetzungsverhältnis und der zweite Leistungspfad (L2) ein zweites festes Übersetzungsverhältnis aufweist, wobei das zweite feste Übersetzungsverhältnis kleiner ist als das erste feste Übersetzungsverhältnis, wobei der Nachschaltradsatz zumindest sechs in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Welle des Nachschaltradsatzes bezeichnete Wellen (W5, W6, W7, W8, W9, W10) umfasst, wobei der erste Leistungspfad (L1) entweder fest mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist oder über ein elftes Schaltelement (K1) mit der Getriebeeingangswelle (1) in Wirkverbindung bringbar ist, wobei entweder die erste Welle (W5) oder die dritte Welle (W7) des Nachschaltradsatzes über ein erstes Schaltelement (U1) mit dem ersten Leistungspfad (L1) und über ein zweites Schaltelement (U2) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, wobei die zweite Welle (W6) des Nachschaltradsatzes über ein drittes Schaltelement (D3) mit dem ersten Leistungspfad (L1) verbindbar ist, wobei die vierte oder die sechste Welle (W8, W10) des Nachschaltradsatzes über ein viertes Schaltelement (U3) mit der zweiten Welle (W6) des Nachschaltradsatzes und über ein fünftes Schaltelement (D4) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) verbindbar ist, wobei die fünfte Welle (W9) des Nachschaltradsatzes über ein sechstes Schaltelement (D5) mit der zweiten Welle (W6) des Nachschaltradsatzes verbindbar und für den Fall, dass der Nachschaltradsatz aus zwei Planetengetrieben (P3, P4) gebildet ist, mit der Getriebeausgangswelle (2) verbunden ist.
Nabenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachschaltradsatz einen dritten Planetenradsatz (P5) mit drei in Drehzahlordnung als siebente, achte und neunte Welle des Nachschaltradsatzes bezeichnete Wellen (W11, W12, W13) aufweist, wobei die siebente oder die neunte Welle (W11, W13) über ein siebentes Schaltelement (D8) mit dem zweiten Leistungspfad (L2) und über ein achtes Schaltelement (U7) mit der fünften Welle (W9) des Nachschaltradsatzes verbindbar ist, wobei die achte Welle (W12) über ein neuntes Schaltelement (D9) mit der fünften Welle (W9) des Nachschaltradsatzes verbindbar und ständig mit der Getriebeausgangswelle (2) verbunden ist.
Nabengangschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeausgangswelle (5) über ein zehntes Schaltelement (D16) mit der Getriebeeingangswelle (1) verbindbar ist.
Nabengangschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder der zweite Leistungspfad (L1, L2) zumindest eine über das elfte Schaltelement (K1) mit der Getriebeeingangswelle (4) in Wirkverbindung bringbare Elektromaschine (EM1) umfasst.
Nabengangschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschaltradsatz zwei zweifach miteinander gekoppelte Einzelplanetenradsätze (P1, P2) mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite dritte und vierte Welle des Vorschaltradsatzes bezeichneten Wellen (W1, W2, W3, W4) aufweist, wobei die Elektromaschine (EM1) an die zweite, dritte oder vierte Welle (W4) des Vorschaltradsatzes angebunden ist.
Nabenschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leistungspfad (L1) den Vorschaltradsatz umfasst und der erste der Einzelplanetenradsätze des Vorschaltradsatzes als Underdrive-Planetenradsatz ausgebildet ist, wobei die erste Welle (W1) des Vorschaltradsatzes mit einem Sonnenrad (SO1) des ersten Planetenradsatzes (P1) verbunden und festgesetzt ist und die zweite Welle (W2) des Vorschaltradsatzes einen Steg (ST1) des ersten Planetenradsatzes (P1) und ein Sonnenrad (SO2) des zweiten Planetenradsatzes (P2) verbindet, wobei die dritte Welle (W3) des Vorschaltradsatzes mit einem Steg (ST2) des zweiten Planetenradsatzes (P2) verbunden ist und die vierte Welle (W4) des Vorschaltradsatzes ein Hohlrad (HO1) des ersten Planetenradsatzes (P1) und ein Hohlrad (HO2) des zweiten Planetenradsatzes (P2) miteinander verbindet, wobei der zweite Leistungspfad (L2) ein direkter Antrieb ist.
Nabenschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein erster Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des ersten Schaltelements (U1), des vierten Schaltelements (U3) sowie des achten Schaltelements (U7), ein zweiter Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (U2), des vierten Schaltelements (U3) und des achten Schaltelements (U7), ein dritter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des dritten Schaltelements (D3) des vierten Schaltelements (U3) und des achten Schaltelements (U7), ein vierter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des fünften Schaltelements (D4) und des achten Schaltelements (U7), ein fünfter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des ersten Schaltelements (U1), des sechsten Schaltelements (D5) sowie des achten Schaltelements (U7), ein sechster Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (U2), des sechsten Schaltelements (D5) und des achten Schaltelements (U7), ein siebenter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des dritten Schaltelements (D3), des sechsten Schaltelements (D5) und des achten Schaltelements (U7), ein achter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des siebenten Schaltelements (D8), ein neunter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des ersten Schaltelements (U1), des vierten Schaltelements (U3) und des neunten Schaltelements (D9), ein zehnter Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (U2), des vierten Schaltelements (U3) und des neunten Schaltelements (D9), ein elfter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des dritten Schaltelements (D3), des vierten Schaltelements (U3) sowie des neunten Schaltelements (D9), ein zwölfter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des, des fünften Schaltelements (D4) und des neunten Schaltelements (D9), ein dreizehnter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des ersten Schaltelements (U1), des sechsten Schaltelements (D5) sowie des neunten Schaltelements (D9), ein vierzehnter Vorwärtsgang durch Schließen des zweiten Schaltelements (U2), des sechsten Schaltelements (D5) sowie des neunten Schaltelements (D9) und ein fünfzehnter Vorwärtsgang durch Schließen zumindest des dritten Schaltelements (D3), des sechsten Schaltelements (D5) und des neunten Schaltelements (D9) ergibt, wobei falls das zehnte Schaltelement (D16) vorgesehen ist, sich ein sechzehnter Vorwärtsgang zumindest durch Schließen des zehnten Schaltelements (D16) ergibt.
Hybridantriebsstrang für ein Fahrrad mit zumindest einer Elektromaschine (EM1) und einer Nabengangschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Freilauf (3) und einem Getriebeeingang der Nabengangschaltung zumindest eine zweite, mit der Getriebeeingangswelle (1) verbundene Elektromaschine (EM2) angeordnet ist.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Schaltelemente (K1, U1, U2, U3, U7, D3, D4, D5, D8, D9, D16) durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sind, wobei vorzugsweise das erste Schaltelement (U1) und das dritte Schaltelement (D3) und/ oder das zweite Schaltelement (U2) und das fünfte Schaltelement (D4) und/ oder das vierte Schaltelement (U3) und das sechste Schaltelement (D5) und/ oder das siebente Schaltelement (D8) und das elfte Schaltelement (K1) und/ oder das achte Schaltelement (U7) und das neunte Schaltelement (D9) jeweils durch einen doppeltwirkenden Aktuator betätigbar sind.