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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine drehschwingungsdämpfende
Drehmomentenübertragungseinrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Der Trend in der Entwicklung von
Kraftfahrzeugmotoren führt
zu stetig steigenden Motordrehmomenten, insbesondere bei Dieselmotoren.
Da Verbrennungsmotoren intermittierend, das heißt taktweise arbeiten, kommt
es im Antriebsstrang der Fahrzeuge zu Drehmomentschwankungen bzw.
Drehungleichförmigkeiten.
Die Frequenz der Drehmomentschwankungen hängt von der Drehzahl und von
der Anzahl der Zylinder des Motors ab. Insbesondere bei niedrigen
Drehzahlen treten die Drehungleichförmigkeiten als Klopf-, Schlag-,
Rassel- oder Brummgeräusche
unangenehm in Erscheinung. Bei Fahrzeugen mit Handschaltgetrieben
werden zur Verringerung der Drehungleichförmigkeiten sogenannte „Zweimassenschwungräder" in den Antriebsstrang integriert.
Bei Fahrzeugen mit Automatikgetrieben wird zur Verringerung von
Drehungleichförmigkeiten primär der hydrodynamische
Wandler eingesetzt. Aufgrund der stetig steigenden Motordrehmomente ist man
jedoch sowohl bei Zweimassenschwungrädern als auch bei hydrodynamischen
Drehmomentwandlern an physikalische Grenzen bei der Dämpfung von
Drehschwingungen gestoßen.
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Der dynamische Drehungleichförmigkeitsanteil
des Antriebsmoments führt
im Antriebsstrang zu Resonanzen, die nicht nur zu Komfortnachteilen
wie Vibrationen, Brummen oder Rasseln der Getriebeverzahnungen führen, sondern
auch bei der Festigkeitsauslegung von Bauteilen berücksichtigt
werden müssen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Drehmomentenübertragungseinrichtung
zu schaffen, die in den Antriebsstrang eines Fahrzeuges integrierbar
ist und die zur Dämpfung
von Drehschwingungen bei hohen Drehmomenten geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die Erfindung geht von einem Planetengetriebe
aus, das einen Getriebeeingang, einen Getriebeausgang und eine im
folgenden als „Übertragungskomponente" bezeichnete Getriebekomponente
aufweist, die zur Drehmomentenübertragung
vom Getriebeeingang an den Getriebeausgang vorgesehen ist. Das Planetengetriebe
weist ferner eine Komponente auf, die ganz allgemein gesprochen
als „Abstützeinrichtung" fungiert. Des weiteren
ist eine Kupplung bzw. Bremse vorgesehen, mittels der die Übertragungskomponente
des Planetengetriebes in Drehrichtung des Planetengetriebes mit
der Abstützeinrichtung
koppelbar ist.
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Der Kern der Erfindung besteht darin,
die Übertragungskomponente
in Drehrichtung des Planetengetriebes seriell über die Kupplung bzw. Bremse
und eine Dämpfungseinrichtung
mit der Abstützkomponente
zu verbinden.
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Wenn die Kupplung geöffnet ist,
befindet sich das Planetengetriebe im Leerlaufzustand, das heißt vom Getriebeeingang
kann kein Drehmoment auf den Getriebeausgang übertragen werden. Im geschlossenen
Zustand hingegen kann Drehmoment vom Getriebeeingang auf den Getriebeausgang übertragen
werden. Die Übertragungskomponente ist über die
Kupplung und die Dämpfungseinrichtung mit
der Abstützeinrichtung
verbunden, so dass Drehmomentschwankungen, die über den Getriebeeingang in
das Planetengetriebe eingeleitet werden durch die Dämpfungseinrichtung
gedämpft
bzw. herausgefiltert werden. Am Getriebeausgang des Planetengetriebes
treten somit wesentlich kleinere Drehmomentschwankungen auf als
am Getriebeeingang.
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Ein herkömmliches Planetengetriebe weist ein
Sonnenrad, einen Steg mit daran angeordneten Planetenrädern und
ein damit kämmendes
Hohlrad auf. Der Getriebeeingang und der Getriebeausgang sowie die Übertragungskomponente
können
jeweils durch eine dieser Komponenten des Planetengetriebes gebildet
sein. Ausdrücklich
sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht nur bei einem derartig „klassischen" Planetengetriebe
mit Sonnenrad, Steg und Hohlrad anwendbar ist, sondern prinzipiell
bei jedem Planetengetriebe.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung
ist die Abstützkomponente
fest in Bezug auf ein Gehäuse
des Planetengetriebes angeordnet. Die Übertragungskomponente, die
beispielsweise durch das Sonnenrad, Steg oder Hohlrad gebildet sein
kann, ist also über
die Kupplung und die Dämpfungseinrichtung
in Drehrichtung fest mit dem Gehäuse
des Planetengetriebes koppelbar.
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Die Übertragungskomponente muss
allerdings nicht unbedingt gegenüber
dem Getriebegehäuse
abgestützt
sein. Die Übertragungskomponente
kann über
die Kupplung bzw. Bremse und die Dämpfungseinrichtung auch mit
dem Getriebeeingang oder mit dem Getriebeausgang gekoppelt sein. Das
heißt,
die Abstützkomponente
kann auch durch den Getriebeeingang oder durch den Getriebeausgang
gebildet sein.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung
stellt die in das Planetengetriebe integrierte Dämpfungseinrichtung nur eine
von mehreren Drehschwingungsdämpfungseinrichtungen
des Antriebsstranges dar. Vorzugsweise ist zusätzlich ein Zweimassenschwungrad
vorgesehen, das seriell zu dem Planetengetriebe angeordnet ist.
Vorzugsweise ist ein Ausgang des Zweimassenschwungrades mittelbar
und unmittelbar mit dem Getriebeeingang des Planetengetriebes gekoppelt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung
ist ferner eine elektrischer Maschine vorgesehen, die einen Rotor
aufweist, der in Drehrichtung mit einer der Getriebekomponenten
des Planetengetriebes gekoppelt ist, das heißt mit dem Getriebeeingang,
mit dem Getriebeausgang oder mit der Übertragungskomponente.
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Die elektrische Maschine weist zwei
Betriebszustände
auf, nämlich
Motorbetrieb und Generatorbetriebe. Im Motorbetrieb arbeitet die
elektrische Maschine als Motor und gibt Drehmoment an das Planetengetriebe
ab. Im Generatorbetrieb hingegen nimmt die elektrische Maschine
Drehmoment bzw. Leistung vom Planetengetriebe auf. Im Generatorbetrieb
erzeugt die elektrische Maschine ein der Drehbewegung des Planetengetriebes
entgegenwirkendes Gegendrehmoment. Vorzugsweise wird dieses Gegendrehmoment
als weitere Maßnahme
zur Dämpfung
von Drehschwingungen eingesetzt. Hierzu ist eine Elektronik vorgesehen,
welche im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine das von der elektrischen
Maschine erzeugte Gegendrehmoment in Abhängigkeit von momentanen Betriebsparametern
des Antriebsstranges verändert.
Das von der elektrischen Maschine erzeugte Gegendrehmoment wird
also in Abhängigkeit
von der Drehzahl des den Antriebsstrang antreibenden Verbrennungsmotors derart
gesteuert, dass es beispielsweise mit der Frequenz der Drehmomentschwankungen
im Antriebsstrang variiert. Vorzugsweise wird das Gegendrehmoment
der elektrischen Maschine so gesteuert bzw. moduliert, dass Drehmomentspitzen,
die durch die intermittierende Arbeitsweise des Verbrennungsmotors
entstehen, verringert werden.
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Vorzugsweise wird das Gegendrehmoment der
elektrischen Maschine periodisch auf Null verringert, so dass lediglich
die Spitzen der Drehmomentschwankungen im Antriebsstrang abgebaut
werden. Die Phasenlage des Gegendrehmoments der elektrischen Maschine
kann durch ein in der Elektronik gespeichertes Kennfeld eingestellt
werden. Alternativ dazu kann die Phasenlage des Gegendrehmoments der
elektrischen Maschine durch einen Regelkreis geregelt werden.
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Die elektrische Maschine kann einerseits
als „Startergenerator" zum Starten des
Verbrennungsmotors eingesetzt werden. Ferner kann die elektrische
Maschine als Zusatzantrieb bzw. „Booster" verwendet werden, wenn maximale Antriebsleistung
gefordert wird. Des weiteren kann mechanische Leistung vom Planetengetriebe
abgezweigt und über
die elektrische Maschine in elektrische Energie umgewandelt werden.
Die elektrische Maschine erfüllt
in diesem Zustand die Funktion einer herkömmlichen Lichtmaschine. Schließlich kann
die elektrische Maschine, wie bereits erläutert, durch Modulation des Gegendrehmoments
gezielt als weitere „Dämpfungseinrichtung" zur Dämpfung von
Drehschwingungen im Antriebsstrang eingesetzt werden.
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Im folgenden wir die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 das
Grundprinzip der Erfindung;
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2, 3 die kinematischen Verhältnisse
der drei Grundvarianten der Erfindung;
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4a, 4b ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Übertragungskomponente
mit der Ausgangswelle gekoppelt ist;
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5a, 5b ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Übertragungskomponenten
mit der Eingangswelle gekoppelt ist;
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6a, 6b ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Übertragungskomponente
mit dem Getriebegehäuse
gekoppelt ist;
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7a, 7b ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Drehmomentenübertragungseinrichtung
am Eingang eines Automatikgetriebes anstatt eines hydrodynamischen
Wandlers angeordnet ist.
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1 zeigt
in stark schematisierter Darstellung einen Teilabschnitt eines Antriebsstrangs
eines Fahrzeuges. Von der Kurbelwelle 1 eines Motors wird Motordrehmoment über ein
Zweimassenschwungrad 2 dem Eingang 3 eines Planetengetriebes
und über einen
Ausgang 5 des Planetengetriebes 4 einem Handschaltgetriebe
oder einem Automatikgetriebe zugeführt.
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Das Zweimassenschwungrad 2 ist
eine aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannte Antriebsstrangkomponente
bestehend aus zwei Scheiben, die in Drehrichtung elastisch über Torsionsfedern
und Dämpfungselemente
miteinander gekoppelt sind. In der stark schematisierten Darstellung
der 1 ist hiervon lediglich
eine Primärmasse 6 sowie eine
Parallelschaltung einer Feder 7 und eines Torsionsschwingungsdämpfers 8 dargestellt.
Die „Sekundärseite" des Zweimassenschwungrades 2 ist
durch den Eingang des Planetengetriebes 4 gebildet. Zweimassenschwungräder werden
bereits bei heutigen Fahrzeugen im Antriebsstrang verbaut, um Drehmomentspitzen
abzubauen bzw. um Drehschwingungen, die über die Kurbelwelle 1 über den
Antriebsstrang eingeleitet werden, zu dämpfen.
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Gemäß der Erfindung ist nun eine
weitere „Maßnahme" zur Dämpfung von
Drehschwingungen vorgesehen, die in das Planetengetriebe 4 integriert ist.
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Außer dem Eingang 3 und
dem Ausgang 5 weist das Planetengetriebe 4 eine
hier ganz allgemein als „Übertragungskomponente 9" bezeichnete Getriebekomponente
auf.
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Der Eingang 3 kann beispielsweise
durch das Sonnenrad, der Ausgang 5 durch das Hohlrad und
die Übertragungskomponente
durch den Steg des Planetengetriebes gebildet sein. Jedoch ist auch jede
andere funktionale Zuordnung des Eingangs 3, des Ausgangs 5 und
der Übertragungskomponente 9 zu
den einzelnen Komponenten eines Planetengetriebes denkbar.
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Bei dem in 1 dargestellten schematisierten Ausführungsbeispiel
ist die Übertragungskomponente über eine
serielle Anordnung einer Feder-/Dämpferkombination 10,
die durch eine Torsionsfeder 11 und ein Dämpfungselement 12 gebildet ist,
sowie eine Kupplung bzw. Bremse 13 mit dem Getriebeausgang 5 in
Drehrichtung koppelbar. Bei geöffneter
Kupplung 13 befindet sich das Planetengetriebe 4 im
Leerlauf, das heißt
es ist kein Drehmoment vom Getriebeeingang 3 zum Getriebeausgang 5 übertragbar.
Bei geschlossener Kupplung 13 ist der Getriebeeingang 3 mit
dem Getriebe ausgang 5 gekoppelt, das heißt es ist
ein Drehmoment übertragbar.
Der Getriebeingang 3 ist elastisch gedämpft mit dem Getriebeausgang 5 gekoppelt.
Das heißt,
der Getriebeeingang 3 kann in Drehrichtung gegenüber dem
Getriebeausgang 5 schwingen. Die Drehschwingungen werden
durch die Feder-/Dämpferkombination 10 aufgefangen
und verringert.
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Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist
ferner eine elektrische Maschine 14 vorgesehen, die durch
eine Steuerelektronik 15 gesteuert wird. Die elektrische
Maschine 14 weist zwei Betriebsarten auf, nämlich Motorbetrieb
und Generatorbetrieb.
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Im Motorbetrieb treibt die elektrische
Maschine das Planetengetriebe 4 über die Übertragungskomponente an. Das
heißt,
der Rotor der elektrischen Maschine 14 steht in Wirkverbindung
mit der Übertragungskomponente 9.
Im Generatorbetrieb hingegen treibt das Planetengetriebe 4 über die Übertragungskomponente 9 die
elektrische Maschine 14 an. Die elektrische Maschine 14 kann
also zum Starten eines mit dem Antriebsstrang gekoppelten Verbrennungsmotors
oder als Zusatzantrieb bzw. „Booster" eingesetzt werden.
Während
des Betriebs des Verbrennungsmotors kann die elektrische Maschine
als Generator zur Stromerzeugung eingesetzt werden.
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Ferner kann im Generatorbetrieb die
elektrische Maschine zur Dämpfung
von Drehschwingung eingesetzt werden. Im Generatorbetrieb wird die elektrische
Maschine durch die Übertragungskomponente 9 angetrieben.
Die elektrische Maschine erzeugt dabei ein „Gegendrehmoment". Das Gegendrehmoment
kann durch die Steuerelektronik 15 während des Betriebs gezielt
variiert werden. Durch Steuerung des Gegendrehmoments in Abhängigkeit vom
Drehschwingungszustand des Antriebsstrangs können also zusätzlich Drehschwingungen
abgebaut werden.
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Der in 1 dargestellte
Antriebsstrangabschnitt weist also insgesamt drei „Maßnahmen" zur Drehschwingungsreduzierung
auf, nämlich
- – das
Zweimassenschwungrad 2
- – die
in das Planetengetriebe 4 integrierte Feder-/Dämpferkombination 10
- – sowie
die elektrische Maschine 14.
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2 verdeutlicht
die im Zusammenhang mit 1 erläuterten
Zusammenhänge.
Die durch die Feder-/Dämpferkombination 10 und
die Kupplung bzw. Bremse 13 gebildete serielle Anordnung
kann sowohl zwischen der Übertragungskomponente,
die auch als „Reaktionswelle" bezeichnet werden
kann, und der Eingangswelle 3 angeordnet sein oder alternativ
dazu zwischen der Übertragungswelle
bzw. Reaktionswelle 9 und der Ausgangswelle 5.
Im Zustand „Leerlauf" ist die Kupplung 13 geöffnet. Im
Fahrzustand ist die Kupplung 13 geschlossen.
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3 zeigt
eine Variante der Erfindung, bei der die durch die Feder-/Dämpferkombination 10 und die
Kupplung 13 gebildete serielle Anordnung zwischen der Übertragungskomponente
bzw. Reaktionswelle 9 und einem getriebefesten Bauteil 16,
dass zum Beispiel durch das Getriebegehäuse gebildet sein kann, angeordnet
ist. Auch hier ist im Leerlaufzustand die Kupplung 13 geöffnet und
im Fahrzustand geschlossen.
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Bei dem in den 4a und 4b dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Kurbelwelle 1 des Motors über ein Zweimassenschwungrad 2 mit
einem Getriebeeingang 3 eines Planetengetriebes verbunden. Der
Getriebeeingang 3 ist hier durch den Steg des Planetengetriebes
gebildet. Am Steg bzw. Getriebeeingang 3 sind mehrere Planeten 17 gelagert,
wobei hier nur ein Planet dargestellt ist. Die Planeten 17 kämmen mit
dem Sonnenrad 5a, das hier mit dem Getriebeausgang 5 verbunden
ist und mit dem Hohlrad, welches bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
die „Übertragungskomponente 9" bildet. Die Getriebeausgangswelle 5 weist
eine Bremsscheibe 5b auf und kann durch die Kupplung bzw.
Bremse 13 in Drehrichtung mit der Übertragungskomponente 9 bzw.
mit dem Hohlrad gekoppelt. Bei geschlossener Kupplung bzw. Bremse 13 ist
somit die Übertragungskomponente 9,
das Hohlrad in Drehrichtung elastisch über die Feder-/Dämpferkombination 10 und
die Kupplung bzw. Bremse 13 mit dem Getriebeausgang 5 gekoppelt.
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Die Übertragungskomponente 9 steht
auch hier in Wirkverbindung mit der elektrischen Maschine 14,
die durch die Steuerelektronik 15 angesteuert wird. Wie
bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert, sind
somit auch hier insgesamt drei Dämpfungseinrichtungen
zur Dämpfung
von Drehschwingungen vorgesehen, nämlich das Zweimassenschwungrad 2, die
in das Planetengetriebe integrierte Feder-/Dämpferkombination 10 sowie
die im Generatorbetrieb als Drehschwingungsdämpfung fungierende elektrische Maschine 14.
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Die 5a und 5b zeigen ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Kurbelwelle 1 über das Zweimassenschwungrad 2 mit
dem Getriebeeingang 3 verbunden ist, der hier ebenfalls
durch den Steg des Planetengetriebes gebildet ist. Auf dem Getriebeeingang
bzw. Steg 3 sind Planeten 17 gelagert, die mit dem
Sonnenrad 5a des Getriebeausgangs und der durch das Hohlrad
gebildeten Übertragungskomponente 9 kämmen. Die
Feder-/Dämpferkombination 10 und
die Kupplung bzw. Bremse 14 sind hier zwischen dem den
Getriebeeingang bildenden Steg und der Übertragungskomponente 9,
das heißt
dem Hohlrad angeordnet. Auch hier steht die elektrische Maschine 14 in
Wirkverbindung mit der Übertragungskomponente 9.
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Die 6a und 6b zeigen ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Kurbelwelle 1 über das Zweimassenschwungrad 3 mit
dem Getriebeeingang 3 des Planetengetriebes verbunden ist,
der hier ebenfalls durch den Steg gebildet ist. Auf dem Getriebeeingang
bzw. Steg 3 sind Planeten 17 gelagert, die mit
dem Sonnenrad 9a, das hier durch die Übertragungskomponente 9 gebildet
ist und mit dem Hohlrad 5a, das hier durch den Getriebeausgang 5 gebildet ist,
kämmen.
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Die Übertragungskomponente 9 kann
hier über
die Feder-/Dämpferkombination 10 und
die Kupplung 13 mit der getriebefesten Komponente 16, die
beispielsweise durch das Getriebegehäuse gebildet ist, gekoppelt
werden.
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Die elektrische Maschine 14 steht
bei dem in den 6a, 6b gezeigten Ausführungsbeispiel über eine
Antriebsscheibe 3a mit dem Getriebeeingang bzw. Steg 3 in
Verbindung.
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Bei dem in den 7a und 7b gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Kurbelwelle 1 über
das Zweimassenschwungrad 2 mit dem durch den Steg des Planentengetriebes
gebildeten Getriebeeingang verbunden. Auf dem Getriebeeingang bzw.
Steg sind mehrere Planeten 17 gelagert, die mit einem Hohlrad 21 und
mit der Übertragungskomponente 9 kämmen. Das
Hohlrad 21 ist über
eine Kupplung bzw. Bremse 18 mit einem ersten Ausgang 5' koppelbar.
Der Getriebeeingang bzw. Steg 3 bildet ferner einen zweiten Getriebeausgang 5'', der über Kupplungen bzw. Bremsen 19, 20 mit
Abtriebselementen 22 bzw. 23 koppelbar ist. Die Übertragungskomponente 9 ist
hier über
die Feder- /Dämpferkombination
10 ständig
mit einer getriebefesten Komponente bzw. mit dem Getriebegehäuse 16 verbunden.
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Die elektrische Maschine 14 steht
hier in Wirkverbindung mit einer Antriebsscheibe 3a des Getriebeeingangs 3.
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Die gesamte in den Ausführungsbeispielen beschriebene
Einheit ist als modulares System sowohl für Stufenautomatikgetriebe als
auch für
automatisierte Schaltgetriebe einsetzbar. In Ergänzung zu dem heute bereits
bekannten Stand der Technik bei Zweimassenschwungrädern wird
mit der Erfindung ein zusätzliches
passives Dämpfungspotential für Drehungleichförmigkeiten
aufgezeigt, das sich durch mehrere Parameter abstimmen lässt. Mit
der elektrischen Maschine ist eine aktive Dämpfung von Drehungleichförmigkeiten
möglich.
Hiermit können gezielt
einzelne oder mehrere Frequenzanteile von Drehschwingungen im Antriebsstrang
ausgeglichen werden. Ein wesentlicher Vorteil besteht ferner darin, dass
mit der drehzahladaptiven Ansteuerung des Generatorgegenmoments
Drehschwingungen gedämpft
und gleichzeitig die mechanische Energie in elektrische Energie
für das
Bordnetz umgewandelt werden kann.