Nutzfahrzeug mit einem Schaltklauengetriebe und einem

Elektromotor

Die Erfindung betrifft gemäß dem einteiligen Patentanspruch 1 ein Nutzfahrzeug mit einem Schaltklauengetriebe und einem als Generator betreibbaren Elektromotor.

Aus der US 5,560,249 ist bereits ein Gruppengetriebe mit Klauenkupplungen bekannt, bei welchem ein „power synchronizer" verwendet wird, der einen Elektromotor umfasst. Der Elektromotor treibt über ein Zwischenzahnrad auf eine Vorgelegewelle ab.

Ferner ist aus der gattungsfremden DE 42 020 83 C2 für ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeuggetriebe mit einem reibschlüssigen Synchronisationsmittel und einer Drehstrommaschine bekannt. Die Drehstrommaschine ist mit einer Vorgelegewelle in Wirkverbindung bringbar, so dass dieser als Synchronisation zur Entlastung der reibschlüssigen Synchronisationsmittel eingesetzt werden kann.

Aus der gattungsfremden EP 1007383 Bl ist ebenfalls ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug mit Drehstrommaschine auf der Vorgelegewelle bekannt.

Aus der gattungsfremden DE 195 30 231 ist ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem ein Verbrennungsmotor und einem Elektromotor als Antrieb Anwendung finden. Der Verbrennungsmotor und der Elektromotor wirken gleichzeitig oder alternierend auf die Antriebswelle oder die Vorgelegewelle eines mit schaltbaren Zahnrädern und mit Synchronkupplungen zum Schalten mehrerer Gänge versehenen Geschwindigkeits-Wechselgetriebes. Zur Erzielung komfortabler Gangwechsel ist der Elektromotor über eine formschlüssige Kupplung mit der Antriebswelle kuppelbar. Diese Kupplung ist beim Einlegen eines Ganges gelöst und anschließend wieder geschlossen. Vor dem Schließen der Kupplung ist der Elektromotor zumindest angenähert auf Synchronlauf relativ zur Antriebswelle gesteuert.

Ein Elektromotor mit einem Schaltgetriebe ist ferner aus der gattungsfremden DE 198 59 458 Al bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Nutzfahrzeuggetriebe zu schaffen, das komfortablen Gangwechsel ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst .

Das erfindungsgemäße Nutzfahrzeug mit Schaltklauengetriebe kann aufgrund des geringen Drehzahlbandes des Antriebsmotors - insbesondere eines Dieselmotors - und der im beladenen Zustand hohen Nutzlast mit einer hohen Anzahl von Gängen - insbesondere mehr als sechs Vorwärtsgängen - ausgeführt sein. Dabei kann das Getriebe als Gruppengetriebe neben einer Hauptgruppe insbesondere eine Splitgruppe und/oder eine Rangegruppe aufweisen.

Nutzfahrzeuggetriebe mit Schaltklauen weisen aufgrund des Verzichts auf reibende Synchronisationsmittel eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit auf. Die mit dem Verzicht auf Sperrsynchronisierungen einhergehende Problematik, dass im Extremfall die Schaltverzahnungen

- des Losrades des einzurückenden Zielganges und

- der zugehörigen Welle

Zahn-auf-Zahn stehen könnten, wird erfindungsgemäß sicher umgangen, indem ein Elektromotor die Drehzahl der Vorgelegewelle ändert, so dass bis zum formschlüssigen Eingriff der Verzahnungen eine geringe Drehzahldifferenz zwischen dem Losrad des einzurückenden Zielganges und der Schaltverzahnung an der zugehörige Welle verbleibt. Somit kann dieser Elektromotor zum Hoch- und Rückschalten sowohl abbremsend als auch beschleunigend betrieben werden. Dabei sind mehrere verschiedene Gänge der Hauptgruppe synchronisierbar, so dass der Elektromotor eine Zentralsynchronisierung bildet. Dieser Elektromotor dient beispielsweise im Gegensatz zu Hybridfahrzeugen nicht dem alleinigen Antrieb des Nutzfahrzeuges, da ein so groß dimensionierter Elektromotor sehr träge ist. Ein solch träger Elektromotor könnte nicht die hohen dynamischen Anforderungen erfüllen, die ein Elektromotor erfüllen muss, um die Vorgelegewelle für komfortable und schnelle Gangwechsel schnell zu beschleunigen bzw. abzubremsen. Insbesondere beim Fahren eines schwer beladenen Nutzfahrzeuges an einer Ansteigung sind jedoch schnelle Gangwechsel von Vorteil.

Die erfindungsgemäße Verwendung von Schaltklauen bezieht sich primär auf die Schaltkupplungen in der Hauptgruppe. Eine eventuell zusätzliche Rangegruppe kann a) sowohl als Planetengetriebe mit einer Klauenkupplung, b) als auch als Stirnradgetriebe mit einer Klauenkupplung,

c) als auch als Stirnradgetriebe mit reibschlüssigen

Synchronisationsmitteln ausgeführt sein. Ein solches unter c) aufgeführtes Getriebe mit Klauenkupplungen in der Hauptgruppe und reibschlüssige Synchronisationsmitteln in der Rangegruppe ist beispielsweise aus der US 5,560,249 bekannt. Ebenso kann eine möglich Splitgruppe sowohl mit reibschlüssigen

Synchronisationsmitteln als auch mit Schaltklauen ausgeführt sein.

In besonders kostengünstiger Weise wird die

Vorgelegewellendrehzahl von der Getriebesteuerung mittels der Induktionsgrößen am Elektromotor ermittelt. Je größer die Drehzahl der Vorgelegewelle ist, desto größer ist die im Elektromotor induzierte Spannung, wobei ein proportionaler Zusammenhang besteht.

Eine besonders kostengünstige Ausführungsform des Elektromotors ist der stromrichtergeführte Käfigläufer- Asynchronmotor .

In besonders vorteilhafter Weise stellt der Elektromotor sicher, dass der Anfahrgang im Stand des Nutzfahrzeuges und bei niedrigen Geschwindigkeiten schnell eingelegt werden kann. So können die Losräder und insbesondere das Losrad des einzulegenden Ganges mittels der Vorgelegewelle bzw. des Elektromotors verdreht werden, so dass es im Stand nicht zur Zahn-auf-Zahn-Problematik kommen kann. Da der sehr dynamische und damit nur relativ klein dimensionierte Elektromotor dabei nicht mit dem Antriebsmotor verbunden sein kann, wird in zeitlicher überschneidung eine Kupplung im Kraftfluss zwischen der Vorgelegewelle und dem Antriebsmotor geöffnet. Diese Kupplung kann beispielsweise die Anfahrkupplung sein.

Ferner kann es sich um ein Schaltelement einer Splitgruppe handeln, dass eine Neutralstellung aufweist.

Der Elektromotor hat gegenüber hydraulischen Stellgliedern - wie beispielsweise einer hydraulischen Getriebelammelenbremse - den Vorteil, dass keine Abhängigkeit von der Getriebeöltemperatur auftritt. Gegenüber einer solchen Getriebelammelenbremse treten auch keine Planschverluste im Getriebeölbad auf, so dass der Gesamtwirkungsgrad des Schaltklauengetriebes verbessert wird und der Kraftstoffverbrauch reduziert wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Elektromotor im sogenannten „Boost-Betrieb" die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors beispielsweise bei überholvorgängen unterstützen. Um die zuvor genannten Dynamikanforderungen für komfortable Gangwechsel zu ermöglichen, ist die Leistung des Antriebsmotors jedoch auf eine Unterstützung des Antriebsmotors begrenzt.

Zwischen der Vorgelegewelle und dem Elektromotor kann eine Kupplung vorgesehen sein. Jedoch bringt der Verzicht auf eine solche Kupplung Vorteile mit sich. So sind bei entsprechend kleiner Dimensionierung des Elektromotors die umlaufenden Massen gegenüber der Vorgelegewelle gering, so dass positive und negative Beschleunigungen der Vorgelegewelle sehr dynamisch erfolgen. Durch den Verzicht auf eine solche Kupplung sind keine zusätzlichen Stellelemente vorhanden, die Dynamikeinbußen mit sich bringen könnten.

Patentanspruch 11 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher Abbremsungen der Vorgelegewelle besonders schnell erfolgen.

Patentanspruch 12 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, bei welcher die Drehzahl der Vorgelegewelle mittels des Elektromotors im Gegensatz zu einer reinen Steuerung eingeregelt werden kann. Damit gehen Dynamikvorteile insbesondere gegenüber Reibungsbremsen einher, die wegen ihrer Dynamik nicht für einen geregelten Betrieb taugen.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung vor.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Dabei zeigt die einzige Zeichnung schematisch einen kompletten Antriebsstrang 10 eines ansonsten nicht dargestellten Nutzfahrzeugs. Der Antriebsstrang 10 umfasst einen Antriebsmotor 14, dessen Einspritzsystem 15 von einer Steuerungseinrichtung 16 angesteuert wird. Der Antriebsmotor 14 ist nutzfahrzeugtypisch als aufgeladener Dieselmotor ausgeführt. Dieser Dieselmotor kann beispielsweise als 6- Zylinder- oder 8-Zylinder-Motor ausgeführt sein.

Eine Kurbelwelle 13 ist über einen nicht näher dargestellten Kurbelwellenflansch drehfest mit einer Primärhälfte 106 einer trockenen reibschlüssigen Anfahrkupplung 12 verbunden, welche auch die Schwungmasse des Antriebsmotors 14 bildet. Diese Primärhälfte 106 ist reibschlüssig koppelbar mit einer Sekundärhälfte 107 der Anfahrkupplung 12.

Die Anfahrkupplung 12 ist axial zwischen der Kurbelwelle 13 und einer Getriebeeingangswelle 11 eines automatisierten synchronringfreien Schaltklauengetriebes 19 angeordnet. Die Anfahrkupplung 12 und das Schaltklauengetriebe 19 werden von einer Getriebesteuerung 49 angesteuert. Die Getriebesteuerung 49 steht in Signalverbindung mit

- einem Stellglied 110 der Anfahrkupplung 12,

- einem Getriebeeingangswellendrehzahlsensor 108, mit welchem die Drehzahl einer Getriebeeingangswelle 11 erfassbar ist und

- nicht dargestellten Sensoren der Anfahrkupplung 12 und des Schaltklauengetriebes 19.

Damit kann die Getriebesteuerung 49 die Anfahrkupplung 12 öffnen oder schließen und Gangwechsel im Schaltklauengetriebe 19 durchführen. Von dem Getriebeeingangswellendrehzahlsensor 108 wird die Getriebeeinganswellendrehzahl ermittelt und in der Getriebesteuerung 49 abgelegt.

Die Getriebesteuerung 49 steht in Signalverbindung mit der Steuerungseinrichtung 16, wodurch ein Austausch von Daten, beispielsweise von Betriebsgrößen des Antriebsmotors 14 oder des Schaltklauengetriebes 19, sowie eine Anforderung von Drehzahländerungen des Antriebsmotors 14, welche dann von der Steuerungseinrichtung 16 umgesetzt werden, möglich sind. Insbesondere kann das Steuergerät 16 die Drehzahl der Kurbelwelle 13 an die Steuereinrichtung 49 weitergeben. Diese Drehzahl der Kurbelwelle 13 wird mittels des Drehzahlsensors 101 erfasst. Die Getriebesteuerung 49 ist außerdem mit einer Bedieneinheit 51 verbunden, mittels welcher ein Fahrzeugführer Gangwechsel des Schaltklauengetriebes 19 anfordern kann. Alternativ dazu können Gangwechsel von einem Ursprungs- in einen Zielgang auch in vollautomatisierter Weise von der Getriebesteuerung 49 ausgelöst werden. Die Ermittlung des Zielgangs ist dabei unter anderem von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und einem Betätigungsgrad eines Fahrpedals durch den Fahrzeugführer abhängig.

Das Schaltklauengetriebe 19 ist als ein sogenanntes Zwei- Gruppen-Getriebe ausgeführt. In einer alternativen Ausgestaltung kann es jedoch auch als Drei-Gruppen-Getriebe ausgeführt sein, wobei sich einer Hauptgruppe 18 eine Rangegruppe anschließt.

Drehfest verbunden mit der Getriebeeingangswelle 11 ist ein Vorschaltgetriebe in Form einer Splitgruppe 17 angeordnet. Der Splitgruppe 17 nachgeordnet ist die besagte Hauptgruppe 18. Somit sind bei dem Schaltklauengetriebe 19 axial aufeinander folgend

- die Getriebeeingangswelle 11, eine Zwischenwelle 400 und

- die Hauptwelle 29 angeordnet. Dabei ist die Zwischenwelle 400 an ihrem einen vorderen axialen Ende in der Getriebeeingangswelle 11 und an ihrem hinteren axialen Ende in der Hauptwelle 29 gelagert.

Mittels der Splitgruppe 17 kann die Getriebeeingangswelle 11 über zwei verschiedene Zahnradpaarungen 20a, 21a mit einer parallel zur Getriebeeingangswelle 11 angeordneten Vorgelegewelle 22 in Wirkverbindung gebracht werden. Dazu umfasst die vordere Zahnradstufe 20a eine Festrad 20b, welches drehfest und koaxial am vorderen Ende der Vorgelegewelle 22 angeordnet ist und ein Losrad 20c, welches drehbar und koaxial zur Getriebeeinganswelle 11 in der Ebene des Festrades 20b mit letzterem im verzahnten Eingriff angeordnet ist. Die hintere Zahnradstufe 21a umfasst hingegen ein Festrad 21b, welches drehfest und koaxial auf der Vorgelegewelle 22 hinter dem Festrad 20b angeordnet ist und ein Zahnrad 21c, welches drehfest und koaxial zur Zwischenwelle 400 in der Ebene des Festrades 21b mit letzterem im verzahnten Eingriff angeordnet ist.

Die beiden Zahnradpaarungen 20a, 21a weisen eine unterschiedliche übersetzung auf. Die übersetzung der jeweiligen Zahnradpaarung 20a, 21a wird ausgewählt, indem eine Schiebemuffe 41 aus einer Neutralstellung axial nach vorne geschoben wird, um eine drehfeste Verbindung zwischen der Getriebeeingangswelle 11 und dem Losrad 20c der vorderen Zahnradpaarung 20a oder

- indem die Schiebemuffe 41 aus der Neutralstellung axial nach hinten geschoben wird, um eine drehfeste Verbindung zwischen der Getriebeeingangswelle 11 und der mittleren Zwischenwelle 400 bzw. dem Zahnrad 21c herzustellen.

Auf der Vorgelegewelle 22 sind ferner drehfest Festräder 23, 24, 25 für drei verschiedene übersetzungsverhältnisse der Hauptgruppe 18 angeordnet. Die Festräder 23, 24, 25 kämmen jeweils mit zugehörigen Losrädern 26, 27, 28, welche drehbar auf der koaxial zur Getriebeeingangswelle 11 angeordneten Hauptwelle 29 angeordnet sind. Das Losrad 26 kann mittels einer Schiebemuffe 30 verdrehfest und formschlüssig mit der Hauptwelle 29 verbunden werden. Die Losräder 27 und 28 können hingegen mittels einer Schiebemuffe 31 verdrehfest und formschlüssig mit der Hauptwelle 29 verbunden werden.

Am vorderen Ende ist die Vorgelegewelle 22 mit dem Rotor eines Elektromotors M gekoppelt, dessen Steuerung so ausgelegt ist, dass der Elektromotor M auch als Generator betreibbar ist. Der Elektromotor M ist dabei als stromrichtergeführter Käfigläufer-Asynchronmotor ausgeführt und weist einen nicht näher dargestellten Umrichter auf. Ein Vorteil der Verwendung eines Käfigläufers liegt in der fehlenden Kommutierung. Alternativ kommt ein bürstenloser Gleichstrommotor mit permanent erregtem Rotor in Frage. Der Verzicht auf Bürsten bringt bei den hohen an Lastkraftwagen gestellten Anforderungen an Laufzeit und Wartungsfreiheit Vorteile mit sich. Zusätzlich zum Verbrennungmotor kann - beispielsweise zur Spitzenlastabdeckung bei überholvorgängen

- mittels des Elektromotors M ein Drehmoment eingespeist werden. Ein solcher Betrieb mit addierten Antriebsmomenten kann auch als Boost-Betrieb bezeichnet werden. Mittels des Elektromotors M kann die Drehzahl der Vorgelegewelle 22 und damit auch die Drehzahl der Getriebeeingangswelle 11 gezielt erhöht und verringert werden.

Die Schiebemuffe 41 der Splitgruppe 17 und die Schiebemuffen 30, 31, 39 der Hauptgruppe 18 ^" sind jeweils mit Schaltstangen 42, 43, 44, 45 betätigbar. Damit kann eine formschlüssige Verbindung zwischen zugehörigen Schaltelementen mit Schaltklauen und der Hauptwelle 29 hergestellt oder unterbrochen werden. Die Schaltstangen 42, 43, 44, 45 können mit einem Stellglied in Form eines xy-Stellers 48a, 48b, welcher von der Getriebesteuerung 49 angesteuert wird, betätigt werden. Wenn kein Gang im Schaltklauengetriebe 19 eingelegt ist, also kein Losrad formschlüssig mit der Hauptwelle 29 verbunden ist, dann befindet sich das Schaltklauengetriebe 19 in einer sogenannten Neutralstellung.

Von der Hauptwelle 29 wird das gewandelte Drehmoment und die Drehzahl des Antriebsmotors 14 mittels einer angeflanschten Antriebswelle 32 an ein Achsgetriebe 33 übertragen, welches bei ausgewogenem Drehmoment die Drehzahl über ein Differential in gleichen oder unterschiedlichen Anteilen über zwei Abtriebswellen 34, 35 an Antriebsräder 36, 37 überträgt. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Achsgetriebe als Durchtriebsachse ausgeführt, so dass die Antriebsleistung auf mehrere Achsen verteilt wird.

Bei einem Gangwechsel von einem Ursprungsgang in einen Zielgang muss zuerst der Ursprungsgang ausgelegt werden. Da das Schaltklauengetriebe 19 als ein Getriebe ohne Synchronringe ausgeführt ist, muss zumindest bei Rückschaltungen, um den Zielgang einlegen zu können, die Vorgelegewelle 22 und damit auch die Getriebeeingangswelle 11 mittels des Antriebsmotors 14 bei geschlossener Anfahrkupplung 12 ungefähr auf die Synchrondrehzahl des Zielgangs eingestellt werden. Die Synchrondrehzahl ist erreicht, wenn das Losrad des Zielgangs und die zweite Hauptwelle 29 zumindest näherungsweise die selbe Drehzahl aufweisen. Dabei ist ein geringfügiger Drehzahlunterschied zwischen der Hauptwelle 29 und dem jeweiligen Losrad 26 bzw. 27 bzw. 28 bzw. 29. Bei Hochschaltungen mit geöffneter Anfahrkupplung 12 kann die

Vorgelegewelle 22 mittels des Elektromotors M in seiner Funktion als Generator -abgebremst und damit die Getriebeeingangswelle 11 synchronisiert werden. Hingegen kann bei Rückschaltungen mit geöffneter Anfahrkupplung 12 die Vorgelegewelle 22 mittels des Elektromotors M beschleunig und damit die Getriebeeingangswelle 11 synchronisiert werden.

Das Auslegen des Ursprungsgangs kann entweder bei geschlossener oder geöffneter Kupplung durchgeführt werden. Ein häufiges öffnen und Schließen der Anfahrkupplung 12 führt dabei zu einem starken Verschleiß und damit zu hohen Kosten für einen Tausch der Kupplung und Ausfall des Kraftfahrzeugs während des Tauschs. Deshalb ist es das Ziel, einen möglichst hohen Anteil der Gangwechsel mit geschlossener Kupplung durchzuführen. Die Schaltungen mit geschlossener Kupplung erfolgen dabei nach den Kriterien, welche ausführlich in der DE 102 49 951 Al dargestellt sind.

Der Elektromotor kann koaxial zur Vorgelegewelle angeordnet sein. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Elektromotor auch über ein Untersetzungsgetriebe i>l mit der Vorgelegewelle gekoppelt sein. Mittels dieses Untersetzungsgetriebes wird zum einen erreicht, dass der Elektromotor sehr klein dimensioniert sein kann und dennoch ein ausreichendes Drehmoment zur Verfügung stellen kann, um die Vorgelegewelle zu beschleunigen. Zum anderen wird die Drehzahl der Vorgelegewelle zum Elektromotor ins Schnelle übersetzt, so dass auch geringe Drehzahlen der Vorgelegewelle eine relativ höhere Drehzahl und damit eine höhere Spannung am Elektromotor induzieren. Somit können auch geringe Drehzahlen am Elektromotor sensiert werden. Als Untersetzungsgetriebe kann sowohl ein Planetengetriebe vorgesehen sein, so dass das der Elektromotor koaxial zur Vorgelegewelle angeordnet ist. Alternativ kann ein achsversetzendes Stirnradgetriebe vorgesehen sein, so dass der Elektromotor parallel versetzt zur Vorgelegewelle angeordnet ist.

Zwischen dem Elektromotor und der Vorgelegewelle kann eine Kupplung vorgesehen sein, mittels welcher die Massen des Elektromotors von der Vorgelegewelle zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Schaltklauengetriebes entkoppelbar sind. Diese Kupplung kann immer dann geöffnet sein, wenn der Elektromotor nicht benötigt wird. Beispielsweise kann die Kupplung immer dann geöffnet sein, wenn weder Synchronisiert werden muss, noch eine Getriebewellendrehzahl bestimmt werden muss, noch im „Boost-Betrieb" gefahren wird.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Nutzfahrzeuggetriebe als Gruppengetriebe mit drei Getriebegruppen ausgeführt, wobei diese Getriebegruppen aufeinander folgend eine Splitgruppe, eine Hauptgruppe und eine Rangegruppe umfassen. Die Rangegruppe kann ein Planentengetriebe oder ein Vorgelegegetriebe sein, das sich der Hauptwelle 29 anschließt. Die Rangegruppe kann insbesondere zwei Schaltzustände aufweisen, von denen der eine Schaltzustand zur Wirkungsgradverbesserung als direkter Durchtrieb ausgeführt ist.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind entsprechend der US 5,560,249 zwei parallel versetzt angeordnete Vorgelegewellen vorgesehen, von denen jedoch nur eine mit einem Elektromotor verbunden ist.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann die Vorgelegewelle bei eingelegtem direktem Gang entkoppelbar sein, so dass zur Wirkungsgradverbesserung im direkten Gang an der Vorgelegewelle keine Schleppverluste auftreten. Die Vorgelegewellendrehzahl ist währenddessen also Null.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht

beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.