DE102005015804A1

DE102005015804A1 - Vebund-Differenzialgetriebe mit doppelten Leistungswegen

Info

Publication number: DE102005015804A1
Application number: DE102005015804A
Authority: DE
Inventors: Alan G. Fishers Holmes
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2025-04-07
Also published as: US20050227803A1; US7128680B2; DE102005015804B4

Abstract

Ein Fahrzeuggetriebe umfasst einen Differenzialzahnradsatz mit fünf koaxialen Zahnradelementen und zwei Abtriebselementen. Zwei der Zahnradelemente sind über Drehmomentübertragungseinrichtungen, wie etwa Reibungsbremsen oder Elektromotoren, steuerbar, um eine Vielzahl von Drehzahlverhältnissen zwischen der Antriebswelle und den beiden Abtriebselementen herzustellen. Die beiden Abtriebselemente sind selektiv wirksam mit einer Abtriebswelle über eine Zahnradanordnung verbindbar, die eine Vielzahl von Drehzahlverhältnissen zwischen den Abtriebselementen und der Abtriebswelle zulässt. Wenn die Drehmomentübertragungseinrichtungen elektrische Motoren oder hydraulische Pumpen sind, ist dann ein stufenlos verstellbares Drehzahlverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle erzielbar. Die Vielzahl von Drehzahlverhältnissen zwischen den beiden Abtriebselementen und der Abtriebswelle ermöglicht eine Vielzahl von Betriebsarten mit Verbund-Aufteilung, wodurch kleinere und weniger leistungsstarke Motoren oder Pumpen im Vergleich mit dem Stand der Technik eingesetzt werden können.

Description

Diese Erfindung betrifft Fahrzeuggetriebe mit einem Differenzialzahnradsatz und zwei Abtriebselementen, die den Zahnradsatz wirksam mit einer Abtriebswelle verbinden.

Ein Fahrzeuggetriebe kann mechanische Leistung von einem Verbrennungsmotor an den Rest eines Antriebssystems, typischerweise feste Zahnräder, Achsen und Räder abgeben. Ein Getriebe erlaubt eine gewisse Freiheit im Verbrennungsmotorbetrieb, üblicherweise durch eine abwechselnde Auswahl von fünf oder sechs unterschiedlichen Fahrübersetzungsverhältnissen, eine Neutral-Auswahl, die es erlaubt, dass der Motor Zusatzeinrichtungen bei stationärem Fahrzeug betreiben kann, und durch Kupplungen oder Drehmomentwandler, die glatte Übergänge zwischen Fahrübersetzungsverhältnissen erlauben, um das Fahrzeug aus der Ruhe zu starten und auf die gewünschte Fahrgeschwindigkeit bei laufendem Verbrennungsmotor zu beschleunigen. Eine Getriebegangauswahl erlaubt typischerweise, dass Leistung von dem Verbrennungsmotor an den Rest des Antriebssystems mit einem Verhältnis von Drehmomentvervielfachung und Drehzahlreduktion, einem Verhältnis von Drehmomentreduktion und Drehzahlvervielfachung, das als Overdrive bekannt ist, oder mit einem Rückwärtsgang abgegeben wird.

Ein elektrischer Generator kann mechanische Leistung von dem Verbrennungsmotor in elektrische Leistung umwandeln, und ein Elektromotor kann diese elektrische Leistung zurück in mechanische Leistung mit unterschiedlichen Drehmomenten und Drehzahlen für den Rest des Fahr zeugantriebsystems umwandeln. Diese Anordnung erlaubt eine kontinuierliche Veränderung des Verhältnisses von Drehmoment und Drehzahl zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Rest des Antriebssystems innerhalb der Grenzen der elektrischen Maschine. Eine elektrische Speicherbatterie, die als Leistungsquelle für den Antrieb verwendet wird, kann dieser Anordnung hinzugefügt werden, wodurch ein Reihen-Hybrid-Elektroantriebssystem gebildet wird.

Das Reihen-Hybridsystem lässt zu, dass der Verbrennungsmotor relativ unabhängig von dem Drehmoment, der Drehzahl und der Leistung arbeiten kann, um ein Fahrzeug anzutreiben, so dass es für verbesserte Emissionen und einen verbesserten Wirkungsgrad gesteuert werden kann. Dieses System lässt auch zu, dass die elektrische Maschine, die an dem Verbrennungsmotor angebracht ist, als Motor arbeitet, um den Verbrennungsmotor zu starten, und lässt zu, dass die elektrische Maschine, die an dem Rest des Antriebsstrangs angebracht ist, als Generator arbeitet, wodurch durch regeneratives Bremsen Energie in die Batterie zurückgewonnen wird. Jedoch erfordert ein Reihen-Elektroantrieb, dass die elektrische Maschine ausreichend bemessen ist, um die gesamte Leistung des Verbrennungsmotors von mechanischer in elektrische Form und von elektrischer in mechanische Form umzuwandeln, und bei dieser doppelten Umwandlung geht nutzbare Leistung verloren.

Ein Getriebe mit Leistungsaufteilung (power split transmission) kann als "Differenzialzahnradanordnung" verwendet werden, um ein kontinuierlich veränderliches oder stufenlos verstellbares Drehmoment- und Drehzahlverhältnis zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb zu erzielen, ohne die gesamte Leistung durch die verstellbaren Elemente hindurchzuschicken. Ein elektrisch verstellbares Getriebe kann die Differenzialzahnradanordnung verwenden, um einen Bruchteil seiner übertragenen Leistung durch ein Paar aus elektrischen Motoren/Generatoren und den Rest seiner Leistung durch einen anderen, parallelen Weg, der vollständig mechanisch und direkt mit einem festen Übersetzungsverhältnis oder alternativ auswählbar ist, zu übertragen. Eine Form einer Differenzialzahnradanordnung kann einen Planetenradteilsatz bilden. Tatsächlich ist ein Planetengetriebe gewöhnlich die bevorzugte Ausführungsform, die in mit differenzieller Zahnradübersetzung arbeitenden Erfindungen angewandt werden, mit dem Vorteil einer Kompaktheit und unterschiedlicher Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen allen Elementen des Planetenradteilsatzes. Es ist jedoch möglich, diese Erfindung ohne Planetenräder aufzubauen, indem Kegelraddifferenziale oder andere Ausgleichsgetriebe verwendet werden.

Ein elektrisch verstellbares Hybrid-Getriebesystem für ein Fahrzeug umfasst auch eine elektrische Speicherbatterie, die zulässt, dass die mechanische Ausgangsleistung von der mechanischen Eingangsleistung abweicht, das ein Starten des Verbrennungsmotors mit dem Getriebesystem und ein regeneratives Bremsen des Fahrzeugs zulässt.

Ein elektrisch verstellbares Getriebe in einem Fahrzeug kann einfach mechanische Leistung übertragen. Um dies zu tun, gleicht die elektrische Leistung, die von einem Motor/Generator erzeugt wird, die elektrischen Verluste und die elektrische Leistung, die von dem anderen Motor/Generator verbraucht wird, aus. Ein elektrisch verstellbares Hybrid-Getriebesystem in einem Fahrzeug umfasst eine elektrische Speicherbatterie. So kann die elektrische Leistung, die von einem Motor/Generator erzeugt wird, größer oder kleiner sein kann als die elektrische Leistung, die von dem anderen verbraucht wird. Elektrische Leistung von der Batterie kann manchmal zulassen, dass beide Motoren/Generatoren als Motoren arbeiten, insbesondere um den Verbrennungsmotor bei der Fahrzeugbeschleu nigung zu unterstützen. Beide Motoren können manchmal als Generatoren arbeiten, um die Batterie wieder aufzuladen, insbesondere beim regenerativen Bremsen des Fahrzeugs.

Eine der erfolgreichsten Ersatzeinrichtungen für das Reihen-Hybridgetriebe ist das variable Parallel-Hybrid-Elektrogetriebe mit zwei Betriebsarten "Eingang-Aufteilung" und "Verbund-Aufteilung" (variable, two mode, input-compound-split, parallel hybrid electric transmission). Ein derartiges Getriebe verwendet ein Eingangsmittel, um Leistung von dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs aufzunehmen, und ein Leistungsabgabeelement, um Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs zu liefern. Erste und zweite Motoren/Generatoren sind mit Energiespeichereinrichtungen, wie etwa Batterien verbunden, so dass die Energiespeichereinrichtungen Leistung von den ersten und zweiten Motoren/Generatoren aufnehmen bzw. diesen Leistung zuführen können. Eine Steuereinheit reguliert den Leistungsfluss zwischen den Energiespeichereinrichtungen und den Motoren/Generatoren sowie zwischen den ersten und zweiten Motoren/Generatoren.

Ein Betrieb in einer ersten oder zweiten Betriebsart kann wahlweise erzielt werden, indem Kupplungen in der Natur von Drehmomentübertragungseinrichtungen verwendet werden. In einer Betriebsart, der Betriebsart mit Eingang-Aufteilung (Input-Split Mode), ist die Abtriebsdrehzahl des Getriebes proportional zu der Drehzahl von einem Motor/Generator, und in der zweiten Betriebsart, nämlich der Betriebsart mit Verbund-Aufteilung (Compound-Split Mode) nimmt die Abtriebsdrehzahl des Getriebes zusammen mit der Drehzahl des anderen Motors/Generators zu.

Bei manchen Ausführungsformen des variablen Parallel-Hybrid-Elektrogetriebes mit zwei Betriebsarten "Eingang-Aufteilung" und "Ver bund-Aufteilung" wird ein Planetenradsatz selektiv zur Drehmomentvervielfachung angewandt. Zusätzlich können manche Ausführungsformen drei Drehmomentübertragungseinrichtungen benutzen – zwei, um die gewünschte Betriebsart des Getriebes auszuwählen, und die dritte, um das Getriebe selektiv von dem Verbrennungsmotor zu trennen. Bei anderen Ausführungsformen können alle drei Drehmomentübertragungen benutzt werden, um die gewünschte Betriebsart für das Getriebe auszuwählen.

Fachleute werden feststellen, dass ein Getriebesystem, das eine Leistungsaufteilungsanordnung verwendet, Leistung von zwei Quellen erhalten kann. Jedoch umfasst der Stand der Technik keinerlei praktikable Zahnradschemata mit mehr als drei Betriebsarten mit Verbund-Aufteilung.

Es wird ein Fahrzeuggetriebe bereitgestellt. Das Getriebe umfasst einen Differenzialzahnradsatz mit einem ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Zahnradelement, die wirksam miteinander verbunden sind. Eine Antriebswelle ist wirksam mit dem ersten Zahnradelement verbunden. Eine erste selektiv in Eingriff bringbare Drehmomentübertragungseinrichtung ist an einem feststehenden Element montiert und wirksam mit dem zweiten Zahnradelement verbunden. Eine zweite selektiv in Eingriff bringbare Drehmomentübertragungseinrichtung ist an dem feststehenden Element montiert und wirksam mit dem dritten Zahnradelement verbunden. Ein erstes Abtriebselement ist wirksam mit dem vierten Zahnradelement verbunden, und ein zweites Abtriebselement ist wirksam mit dem fünften Zahnradelement verbunden. Eine dritte Drehmomentübertragungseinrichtung ist selektiv in Eingriff bringbar, um das erste Abtriebselement wirksam mit einer Abtriebswelle zu verbinden. Ähnlich ist eine vierte Drehmomentübertragungseinrichtung selektiv in Eingriff bringbar, um das zweite Abtriebselement wirksam mit der Abtriebswelle zu verbinden. Der Zahnradsatz ist derart ausgestaltet, dass die Drehgeschwindigkeiten von zweien der Zahnradelemente unabhängig hergestellt werden können und die Drehgeschwindigkeiten der anderen drei Zahnradelemente bestimmen.

Das Getriebe der Erfindung kann mit festen Übersetzungsverhältnissen arbeiten oder kann mit Motoren/Generatoren als die ersten und zweiten Drehmomentübertragungseinrichtungen angewandt werden, um eine große Anzahl von Verhältnisbereichen mit Verbund-Leistungsaufteilung als ein stufenloses Getriebe bereitzustellen. Die Leistung, die von den Motoren/Generatoren im kontinuierlich oder stufenlos verstellbaren Betrieb gefordert wird, wird auf einem kleinen Leistungsbruchteil durch das Getriebe gehalten, während die Übersetzungsverhältnisspreizung breit sein kann. Die Gesamtkapazität oder "Eckleistung" der Motoren/Generatoren kann auch so niedrig gehalten werden, wie es Differenzialzahnradanordnung in der Praxis zulassen. Da hydraulische Motoren oder elektrische Motoren relativ teuer und ineffizient im Vergleich mit Zahnradanordnungen sind, wird eine Begrenzung ihrer Größe helfen, das Getriebe relativ kostengünstig und effizient zu machen.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen ist:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuggetriebes, das einen erfindungsgemäßen Differenzialzahnradsatz umfasst; und

2 eine graphische Darstellung der Drehzahlen der Zahnradelemente des Zahnradsatzes von 1 bei einem beispielhaften Betrieb des Fahrzeuggetriebes.

In 1 ist ein Fahrzeuggetriebe 10 schematisch dargestellt. Das Getriebe 10 umfasst einen Verbund-Differenzial-Ravigneaux-Zahnradsatz 14. Der Zahnradsatz 14 umfasst ein erstes Hohlrad 18, ein zweites Hohlrad 22, eine Planetenträgeranordnung 26, die einen ersten Satz Planetenräder 30 und einen zweiten Satz Planetenräder 34 umfasst, die daran drehbar montiert sind, ein erstes Sonnenrad 38 und ein zweites Sonnenrad 42. Das erste Sonnenrad 38 steht kämmend mit dem ersten Satz Planetenräder 30 in Eingriff. Das zweite Sonnenrad 42 steht kämmend mit dem zweiten Satz Planetenräder 34 in Eingriff. Das erste Hohlrad 18 steht kämmend mit dem ersten Satz Planetenräder 30 in Eingriff, und das zweite Hohlrad 22 steht kämmend mit dem zweiten Satz Planetenräder 34 in Eingriff. Der erste Satz Planetenräder 30 steht kämmend mit dem zweiten Satz Planetenräder 34 in Eingriff.

Der Differenzialzahnradsatz 14 weist fünf Elemente 18, 22, 26, 38, 42 auf einer gemeinsamen Achse A auf und ist derart ausgestaltet, dass die Drehzahlen von irgendwelchen zweien der Zahnradelemente unabhängig voneinander hergestellt werden können, und die Drehzahlen der anderen drei Zahnradelemente von den Drehzahlen, die für die beiden Zahnradelemente hergestellt sind, abhängig sind. Somit können beispielsweise die Drehgeschwindigkeiten des Planetenträgers 26 und des ersten Sonnenrades 38 unabhängig hergestellt werden, und die Drehgeschwindigkeiten des zweiten Sonnenrades 42, des ersten Hohlrades 18 und des zweiten Hohlrades 22 sind durch die Drehzahlen des Planetenträgers 26 und des ersten Sonnenrades 38 vorgegeben. Ähnlich können die Drehgeschwindigkeiten des Planetenträgers 26 und des zweiten Sonnenrades 42 unabhän gig hergestellt werden, und die Drehgeschwindigkeiten des ersten Sonnenrades 38, des ersten Hohlrades 18 und des zweiten Hohlrades 22 sind durch die Drehzahlen des Planetenträgers 26 und des zweiten Sonnenrades 42 vorgegeben.

Eine Antriebswelle 46 ist wirksam mit der Planetenträgeranordnung 26 verbunden. Eine erste Drehmomentübertragungseinrichtung 50 verbindet wirksam das erste Sonnenrad 38 und ein feststehendes Element, wie etwa das Getriebegehäuse 54. Eine zweite Drehmomentübertragungseinrichtung 58 verbindet wirksam das zweite Sonnenrad 42 und das Getriebegehäuse 54. Die erste und die zweite Drehmomentübertragungseinrichtung 50, 58 können Reibungsbremsen, elektrische Motoren/Generatoren, hydraulische Motoren/Pumpen usw. innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Drehmomentübertragungseinrichtungen 50, 58 elektrische Motoren, die jeweils einen Stator 62, der starr mit dem Gehäuse 54 verbunden ist, und einen Rotor 66, der starr an einem der Sonnenräder 38, 42 zur Drehung mit diesem befestigt ist, aufweisen. Der Rotor 66 der ersten Drehmomentübertragungseinrichtung 50 ist an dem Sonnenrad 38 über eine Hülse 70 um die Antriebswelle 46 herum befestigt. Der Rotor 66 der zweiten Drehmomentübertragungseinrichtung 58 ist an dem Sonnenrad 42 über eine Hülse 74 um die Antriebswelle 46 herum befestigt.

Das Getriebe 10 umfasst zwei Abtriebselemente, nämlich eine erste Vorgelegewelle 78 und eine zweite Vorgelegewelle 80, die wirksam mit dem Zahnradsatz 14 verbunden sind und zwei Leistungswege definieren, durch die Leistung zu einer Abtriebswelle 76 fließen kann. Die erste Vorgelegewelle 78 ist wirksam mit dem ersten Hohlrad 18 verbunden, um durch dieses angetrieben zu werden. Genauer ist die erste Vorgelegewelle starr mit dem Zahnrad 82 verbunden, das kämmend mit dem Zahnradelement 84 in Eingriff steht. Das Zahnradelement 84 ist starr mit dem ersten Hohlrad 18 zur Drehung mit diesem verbunden. Ähnlich ist die zweite Vorgelegewelle 80 wirksam mit dem zweiten Hohlrad 22 verbunden, um durch dieses angetrieben zu werden. Im Besonderen ist die zweite Vorgelegewelle 80 starr mit dem Zahnrad 90 verbunden, das kämmend mit dem Zahnradelement 92 in Eingriff steht. Das Zahnradelement 92 ist starr mit dem zweiten Hohlrad 22 zur Drehung mit diesem verbunden.

Zwei Zahnradelemente 100, 104 sind mit der Abtriebswelle 76 zur Drehung mit dieser verbunden. Die Vorgelegewelle 78 weist ein drehbar darauf gelagertes Zahnradelement 108 auf, das kämmend mit dem Zahnradelement 100 in Eingriff steht. Die Vorgelegewelle 78 weist auch ein drehbar darauf gelagertes Zahnradelement 112 auf, das kämmend mit dem Zahnradelement 104 in Eingriff steht. Eine Kupplung, wie etwa eine Klauenkupplung oder Synchronisieranordnung 116 ist mit der Vorgelegewelle 78 verbunden und derart ausgestaltet, dass sie selektiv die Vorgelegewelle 78 mit der Abtriebswelle 76 über das Zahnrad 108 oder das Zahnrad 112 wirksam verbindet. Genauer ist die Synchronisieranordnung 116 derart ausgestaltet, dass sie selektiv eine Antriebsverbindung zwischen dem Zahnrad 108 und der Vorgelegewelle 78 herstellt. Die Synchronisieranordnung 116 ist ebenfalls derart ausgestaltet, dass sie selektiv eine Antriebsverbindung zwischen dem Zahnrad 112 und der Vorgelegewelle 78 herstellt. Die Synchronisieranordnung 116 zeichnet sich auch durch eine neutrale Stellung aus, so dass weder das Zahnrad 108 noch das Zahnrad 112 mit der Vorgelegewelle 78 in Antriebsverbindung steht.

Ähnlich weist die Vorgelegewelle 80 ein drehbar darauf gelagertes Zahnradelement 120 auf, das kämmend mit dem Zahnradelement 100 in Eingriff steht. Die Vorgelegewelle 80 weist auch ein drehbar darauf gelagertes Zahnradelement 124 auf, das kämmend mit dem Zahnradelement 104 in Eingriff steht. Eine Kupplung, wie eine Synchronisieranordnung 128, ist mit der Vorgelegewelle 80 verbunden und derart ausgestaltet, dass sie selektiv die Vorgelegewelle 80 mit der Abtriebswelle 76 über das Zahnrad 120 oder das Zahnrad 124 wirksam verbindet. Genauer ist die Synchronisieranordnung 128 derart ausgestaltet, dass sie selektiv eine Antriebsverbindung zwischen dem Zahnrad 120 und der Vorgelegewelle 80 herstellt. Die Synchronisieranordnung 128 ist auch derart ausgestaltet, dass sie selektiv eine Antriebsverbindung zwischen dem Zahnrad 124 und der Vorgelegewelle 80 herstellt. Die Synchronisieranordnung 128 zeichnet sich auch durch eine neutrale Stellung aus, so dass weder das Zahnrad 120 noch das Zahnrad 124 mit der Vorgelegewelle 80 in Antriebsverbindung steht.

Wenn das Zahnradelement 108 mit der Vorgelegewelle 78 in Antriebsverbindung steht, ist ein erstes Drehzahlverhältnis zwischen der Vorgelegewelle 78 und der Abtriebswelle 76 hergestellt. Wenn das Zahnradelement 112 mit der Vorgelegewelle 78 in Antriebsverbindung steht, ist ein zweites Drehzahlverhältnis zwischen der Vorgelegewelle 78 und der Abtriebswelle 76 hergestellt. Wenn ähnlich das Zahnradelement 120 mit der Vorgelegewelle 80 in Antriebsverbindung steht, ist ein erstes Drehzahlverhältnis zwischen der Vorgelegewelle 80 und der Abtriebswelle 76 hergestellt. Wenn das Zahnradelement 124 mit der Vorgelegewelle 80 in Antriebsverbindung steht, ist ein zweites Drehzahlverhältnis zwischen der Vorgelegewelle 80 und der Abtriebswelle 76 hergestellt. Es ist anzumerken, dass die erste Vorgelegewelle 78 und die zweite Vorgelegewelle 80 gleichzeitig wirksam mit der Abtriebswelle 76 verbunden sein können, so dass beide Vorgelegewellen Leistung auf die Abtriebswelle übertragen.

Somit zeichnet sich das Getriebe 10 von 1 durch zwei feste Zahnradübersetzungsverhältnisse aus, wie das erste und das fünfte Drehzahlver hältnis, bei denen Leistung auf die Abtriebswelle durch nur eine der Vorgelegewellen übertragen wird. Das Getriebe 10 zeichnet sich auch durch drei feste Zahnradübersetzungsverhältnisse aus, wobei beide Vorgelegewellen wirksam mit der Abtriebswelle verbunden sind, wie etwa das zweite, das dritte und das vierte Drehzahlverhältnis. Die Antriebswelle 46 kann auch selektiv direkt mit der Abtriebswelle 76 über eine Direktantriebskupplung 130 in Eingriff gebracht werden, um die Vorgelegewellen für ein zusätzliches festes Zahnradübersetzungsverhältnis, wie etwa das sechste Drehzahlverhältnis, zu umgehen.

Die Drehmomentübertragungseinrichtungen 50, 58 steuern selektiv die Drehgeschwindigkeit der Sonnenräder 38, 42. Unterschiedliche Drehzahlverhältnisse zwischen der Antriebswelle 46, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80 werden durch selektiven Eingriff der Drehmomentübertragungseinrichtungen 50, 58 und eine entsprechende Steuerung der Sonnenraddrehzahl hergestellt. Beispielsweise wenn die Drehmomentübertragungseinrichtung 50 in Eingriff steht, um zu verhindern, dass das Sonnenrad 38 rotiert, rotieren das Hohlrad 18 und die Vorgelegewelle 78 langsamer als das Hohlrad 22 bzw. die Vorgelegewelle 80 mit einer konstanten Drehzahl der Antriebswelle. Wenn die Drehmomentübertragungseinrichtung 58 verhindert, dass das Sonnenrad 42 rotiert, rotieren das Hohlrad 22 und die Vorgelegewelle 80 langsamer als das Hohlrad 18 bzw. die Vorgelegewelle 78 mit einer konstanten Drehzahl der Antriebswelle. Somit stellt ein selektives Einrücken der Drehmomentübertragungseinrichtungen 50, 58 einen besonderen Satz von Drehzahlverhältnissen zwischen den Elementen des Zahnradsatzes 14 und entsprechend einen Satz von Drehzahlverhältnissen zwischen der Vorgelegewelle 78 und der Vorgelegewelle 80 her.

Wenn die Drehmomentübertragungseinrichtungen 50, 58 Reibungsbremsen oder feststehende Kupplungen sind, kann ein Schalten des Getriebes 10 bewerkstelligt werden, indem eines der Vorgelegewellenzahnräder getrennt wird, die Drehmomentübertragungseinrichtung 58 außer Eingriff gebracht wird, während die Drehmomentübertragungseinrichtung 50 in Eingriff gebracht wird, und die freie Vorgelegewelle mit einem Zahnrad verbunden wird, das mit einem neuen arbeitenden Übersetzungsverhältnis synchronisiert ist. Um in den nächsthöchsten Gang zu schalten, wird das Zahnrad auf der Vorgelegewelle 78 von der Vorgelegewelle 78 entkoppelt. Die Drehmomentübertragungseinrichtung 50 wird in Eingriff gebracht, während die Drehmomentübertragungseinrichtung 58 außer Eingriff gebracht wird. Die Drehzahl der Vorgelegewelle 78 fällt ab, so dass die Drehzahl der Vorgelegewelle 78 kleiner ist als die Drehzahl der Vorgelegewelle 80. Für eine feste Drehzahl der Abtriebswelle nimmt auch die Drehzahl der Antriebswelle ab. Wenn die Drehmomentübertragungseinrichtung 50 vollständig in Eingriff steht, kann ein anderes Zahnrad auf der Vorgelegewelle 78 mit einem kleineren Drehzahlverhältnis zwischen sich selbst und der Abtriebswelle, einem "höheren Gang", das notwendige Übersetzungsverhältnis aufweisen, um mit der Vorgelegewelle 78 gekoppelt zu werden, wodurch ein Hochschalten abgeschlossen wird.

Beispielsweise könnten die Zahnräder auf den Vorgelegewellen 78, 80, die vor dem Schalten in Gebrauch waren, jene mit den höchsten und zweithöchsten Übersetzungsverhältnissen mit der Abtriebswelle gewesen sein. Normalerweise würden jene in einer Doppel-Vorgelegewellen- oder Doppel-Nebenwellengetriebe als "erste" und "zweite" gedacht sein. Stattdessen treibt der Zahnradsatz 14 die Vorgelegewelle 78 schneller und die Vorgelegewelle 80 langsamer an, so das beide Zahnradelemente zusammenarbeiten können, um durch das Getriebe den tatsächlichen "zweiten" Gang zu bilden. Während des Schaltens transportiert die Vorgelegewelle 80 die Last durch das Getriebe und behält eine konstante Drehzahl, während die Vorgelegewelle 78 die Drehzahl und den Gang von dem was man normalerweise als "ersten" bezeichnen würde, zu dem "dritten" wechselt. Nach dem Schalten treibt der Zahnradsatz 14 die Vorgelegewelle 78 langsamer an als die Vorgelegewelle 80, und die Antriebsdrehzahl ist niedriger, wodurch durch das Getriebe der "dritte" Gang gebildet wird.

Während bei einer bevorzugten Ausführungsform die Vorgelegewellen 78, 80 als Abtriebelemente angewandt werden, werden Fachleute eine Vielfalt von unterschiedlichen Abtriebselementausgestaltungen erkennen, die innerhalb des Umfangs der Erfindung angewandt werden können, um doppelte Leistungswege von dem Zahnradsatz 14 zu einer Abtriebswelle 76 zu bilden. Beispielsweise können Elemente eines zweiten Planetenradsatzes wirksam mit den ersten und zweiten Hohlrädern verbunden werden und selektiv über Kupplungen mit einer Abtriebswelle in Eingriff gebracht werden. Darüber hinaus werden Fachleute erkennen, dass es erwünscht sein kann, zusätzliche Zahnräder zu der Vorgelegewelle und der Abtriebswelle hinzuzufügen, um die Anzahl von Drehzahlverhältnissen, die zwischen den Vorgelegewellen und der Abtriebswelle verfügbar sind, zu erhöhen.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Getriebe 10 auch eine Energiespeichereinrichtung, wie etwa eine Batterie 132, die über leitende Drähte 134 mit den Motoren der Drehmomentübereintragungseinrichtungen 50, 58 verbunden sind, um von diesen Leistung zu empfangen und diesen Leistung zuzuführen. Ein Controller 136 ist wirksam mit der Batterie und den Motoren verbunden, um den Leistungsfluss dazwischen zu regulieren. Dadurch ist ein Hybridgetriebe gebildet. Wenn die Drehmomentübertragungseinrichtungen 50, 58 hydraulische Pumpen oder elektrische Generatoren sind, können sie indefinit Drehmoment aufbringen, selbst wenn ihre Wellen rotieren. Somit können die oben beschriebenen Schaltvorgänge in Betriebsbereiche mit Verbund-Leistungsaufteilung umgeformt werden. Das heißt, das Bremsdrehmoment und die Drehzahl, die durch eine der Drehmomentübertragungseinrichtungen aufgebracht werden, um das Zahnradelement gemäß einer der Vorgelegewellen langsamer als den Antrieb umlaufen zu lassen, kann in Leistung umgeformt werden, die von der anderen Drehmomentübertragungseinrichtung verwendet wird, um das Element, das der anderen Vorgelegewelle entspricht, schneller als den Antrieb umlaufen zu lassen.

Wenn die Drehmomentübertragungseinrichtungen 50, 58 Motoren sind oder Motoren umfassen, kann das Getriebe 10 als CVT betrieben werden, indem Leistung mit einem Motor aufgenommen und sie in dem anderen Motor verwendet wird. Das Getriebe 10 von 1 ist zu vier stufenlos verstellbaren Bereichen oder Betriebsarten in der Lage. Jeder CVT-Bereich oder jede CVT-Betriebsart wird abgedeckt, wenn die Drehzahl von einer Drehmomentübertragungseinrichtung verringert und die Drehzahl der anderen erhöht wird. Somit entspricht jede CVT-Betriebsart einem Teil des Schaltvorganges des oben beschriebenen Getriebes mit festem Drehzahlverhältnis. Übergänge zwischen aufeinanderfolgenden Betriebsarten oder Bereichen treten auf, wenn das Vorgelegewellengetriebe selektiv in Eingriff und außer Eingriff gebracht wird.

Beispielsweise könnte der Motor 58 das Sonnenrad 42 auf einer Drehzahl von Null halten, und die Vorgelegewelle 80 könnte die Last durch das Getriebe mittels des Vorgelegewellenzahnrades 120 und des Abtriebszahnrades 100 transportieren. Das Drehzahlverhältnis durch das Getriebe könnte dann bei der Drehzahl des "ersten Gangs" liegen. Der andere Motor 50 würde sich schnell drehen und könnte elektrische Leistung erzeugen, um den stationären Motor 58 zu versorgen. Um das Drehzahlverhältnis des Getriebes gleichmäßig und kontinuierlich von der Drehzahl des "ersten Gangs" zu der Drehzahl des "zweiten Gangs" zu ändern, würde die Drehzahl des feststehenden Motors 58 gleichmäßig und kontinuierlich zunehmen und die Drehzahl des anderen Motors 50 würde gleichmäßig und kontinuierlich auf eine Drehzahl von Null abnehmen.

2 zeigt einen beispielhaften Betrieb des Getriebes 10 als CVT. Drehgeschwindigkeiten der Elemente des Zahnradsatzes 14 sind in Bezug auf die Drehzahl der Abtriebswelle dargestellt. Somit stellt der Graph von links nach rechts die Beschleunigung der Fahrzeuggeschwindigkeit dar. Nach den 1 und 2 wird die Drehzahl der Antriebswelle 46 und dementsprechend die Drehzahl des Planetenträgers 26, die durch Linie 144 in 2 dargestellt ist, konstant gehalten. In einem ersten Bereich oder einer ersten Betriebsart 146 des CVT-Betriebes, d.h. vor einer vorbestimmten Drehzahl 148 der Abtriebswelle, bewirkt der Controller 136, dass die Drehzahl des ersten Motors 50 und dementsprechend die Drehzahl des ersten Sonnenrades 38, die durch Linie 152 in 2 dargestellt ist, mit einem hohen Wert beginnt und mit zunehmender Drehzahl der Abtriebswelle abnimmt. Gleichzeitig beginnt die Drehzahl des zweiten Motors 58 und dementsprechend die Drehzahl des zweiten Sonnenrades 42, die durch Linie 156 dargestellt ist, bei einem niedrigen Wert und nimmt mit zunehmender Drehzahl der Abtriebswelle zu. Die Drehzahl des ersten Hohlrades 18, die durch die Linie 160 dargestellt ist, und dementsprechend die Drehzahl der ersten Vorgelegewelle 78, steigt proportional mit der Drehzahl der Abtriebswelle an, während die Drehzahl des zweiten Hohlrades 22, die durch die Linie 164 in 2 dargestellt ist, und dementsprechend die Drehzahl der zweiten Vorgelegewelle 80, proportional mit der Drehzahl der Abtriebswelle abnimmt. Die Synchronisiereinrichtung 116 steht in Eingriff, um das Zahnrad 108 wirksam mit der ersten Vorge legewelle 78 zu verbinden, so dass die Abtriebswelle 76 des Getriebes mit dem ersten Hohlrad 18 über die erste Vorgelegewelle 78 verbunden ist.

Bei der Drehzahl 148 der Abtriebswelle wird das Getriebe von dem ersten CVT-Bereich oder der ersten CVT-Betriebsart 146 in den zweiten CVT-Bereich oder die zweite CVT-Betriebsart 168 geschaltet, indem die Synchronisiereinrichtung 128 in Eingriff gebracht wird, um das Zahnrad 120 wirksam mit der zweiten Vorgelegewelle 80 zu verbinden, und die Synchronisiereinrichtung 116 gelöst wird, um das Zahnrad 108 von der ersten Vorgelegewelle 78 zu trennen. Diese Änderung trennt das erste Hohlrad 18 von der Abtriebswelle 76 und verbindet das zweite Hohlrad 22 mit der Abtriebswelle 76. Danach nimmt die Drehzahl des zweiten Motors 58 und dementsprechend die Drehzahl des zweiten Sonnenrades 42 mit zunehmender Drehzahl der Abtriebswelle ab, während die Drehzahl des ersten Motors 50 und des ersten Sonnenrades 38 ansteigt. Gleichzeitig nimmt die Drehzahl des ersten Hohlrades 18 mit zunehmender Drehzahl der Abtriebswelle ab, und die Drehzahl des zweiten Hohlrades 22 und dementsprechend die Drehzahl der zweiten Vorgelegewelle 80 steigt proportional mit der Drehzahl der Abtriebswelle an.

Ein dritter Bereich oder eine dritte Betriebsart des CVT-Betriebes kann danach hergestellt werden, indem die Synchronisiereinrichtung 128 außer Eingriff gebracht wird, um das Zahnrad 120 von der zweiten Vorgelegewelle 80 zu trennen, und die Synchronisiereinrichtung 116 in Eingriff gebracht wird, um das Zahnrad 112 mit der ersten Vorgelegewelle zu verbinden. Die Motordrehzahlen würden sich dann wie in dem ersten Bereich oder der ersten Betriebsart des CVT-Betriebes verhalten, wobei die Drehzahlen des ersten Motors 50 und des ersten Sonnenrades 38 absteigen und die Drehzahlen des zweiten Motors und des zweiten Sonnenrades ansteigen. Auf die gleiche Weise kann ein vierter Bereich oder eine vierte Betriebsart des CVT-Betriebes im Anschluss an den dritten Bereich oder die dritte Betriebsart hergestellt werden, indem das Zahnrad 112 von der ersten Vorgelegewelle 78 gelöst wird, das Zahnrad 124 wirksam mit der zweiten Vorgelegewelle 80 verbunden wird, und bewirkt wird, dass die Drehzahl des ersten Motors und des ersten Sonnenrades 38 mit der Drehzahl der Abtriebswelle ansteigt, und bewirkt wird, dass die Drehzahl des zweiten Motors und des zweiten Sonnenrades 42 mit zunehmender Drehzahl der Abtriebswelle absteigt.

Somit kann dieselbe Getriebezahnradanordnung, Verbund-Planetenradanordnung und Doppel-Vorgelegewellen-Zahnradanordnung in sowohl Stufengetrieben als auch stufenlosen Getrieben nützlich sein, und tatsächlich kann ein Getriebe derart konstruiert werden, so dass es auf beiden Wegen effektiv arbeitet. Wenn die Drehmomentübertragungseinrichtungen 50, 58 Motoren und Reibungsbremsen umfassen, kann dann das Getriebe in der Praxis als Stufengetriebe, CVT oder eine Kombination der beiden betrieben werden.

Zusammengefasst umfasst ein Fahrzeuggetriebe einen Differenzialzahnradsatz mit fünf koaxialen Zahnradelementen und zwei Abtriebselementen. Zwei der Zahnradelemente sind über Drehmomentübertragungseinrichtungen, wie etwa Reibungsbremsen oder Elektromotoren steuerbar, um eine Vielzahl von Drehzahlverhältnissen zwischen der Antriebswelle und den beiden Abtriebselementen herzustellen. Die beiden Abtriebselemente sind selektiv wirksam mit einer Abtriebswelle über eine Zahnradanordnung verbindbar, die eine Vielzahl von Drehzahlverhältnissen zwischen den Abtriebselementen und der Abtriebswelle zulässt. Wenn die Drehmomentübertragungseinrichtungen elektrische Motoren oder hydraulische Pumpen sind, ist dann ein stufenlos verstellbares Drehzahlverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebwelle erzielbar. Die Vielzahl von Drehzahlverhältnissen zwischen den beiden Abtriebselementen und der Abtriebswelle ermöglicht eine Vielzahl von Betriebsarten mit Verbund-Aufteilung, wodurch kleinere und weniger leistungsstarke Motoren oder Pumpen im Vergleich mit dem Stand der Technik eingesetzt werden können.

Claims

Fahrzeuggetriebe, umfassend: ein feststehendes Element (54), einen Differenzialzahnradsatz (14) mit einem ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften koaxialen Zahnradelement (18, 22, 26, 38, 42), die wirksam miteinander verbunden sind, eine Antriebswelle (46), die wirksam mit dem ersten Zahnradelement (26) verbunden ist, eine erste selektiv in Eingriff bringbare Drehmomentübertragungseinrichtung (50), die an dem feststehenden Element (54) montiert und wirksam mit dem zweiten Zahnradelement (38) verbunden ist, eine zweite selektiv in Eingriff bringbare Drehmomentübertragungseinrichtung (58), die an dem feststehenden Element (54) montiert und wirksam mit dem dritten Zahnradelement (42) verbunden ist, ein erstes Abtriebselement (78), das wirksam mit dem vierten Zahnradelement (18) verbunden ist, ein zweites Abtriebselement (80), das wirksam mit dem fünften Zahnradelement (22) verbunden ist, eine Abtriebswelle (76), eine dritte Drehmomentübertragungseinrichtung (116), die selektiv in Eingriff bringbar ist, um das erste Abtriebselement (78) wirksam mit der Abtriebswelle (76) zu verbinden, und eine vierte Drehmomentübertragungseinrichtung (128), die selektiv in Eingriff bringbar ist, um das zweite Abtriebselement (80) wirksam mit der Abtriebswelle (76) zu verbinden, wobei der Zahnradsatz (14) derart ausgestaltet ist, dass die Drehgeschwindigkeiten von zweien der Zahnradelemente unabhängig hergestellt werden können und die Drehgeschwindigkeiten der anderen drei Zahnradelemente bestimmen.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abtriebselement (78) eine erste Vorgelegewelle umfasst.
Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Abtriebselement (80) eine zweite Vorgelegewelle umfasst.
Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzahlverhältnis zwischen der ersten und der zweiten Vorgelegewelle (78, 80) selektiv veränderbar ist, indem selektiv die erste und die zweite Drehmomentübertragungseinrichtung (116, 128) in Eingriff gebracht werden, um die Drehgeschwindigkeit des zweiten bzw. dritten Zahnradelementes (38, 42) zu steuern.
Getriebe nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein sechstes Zahnradelement (100) und ein siebtes Zahnradelement (104), die wirksam mit der Abtriebswelle (76) zur Rotation mit dieser verbunden sind, ein achtes Zahnradelement (108) und ein neuntes Zahnradelement (112), die wirksam mit dem sechsten bzw. siebten Zahnradelement verbunden sind und selektiv wirksam mit der ersten Vorgelegewelle (78) verbindbar sind, und ein zehntes und ein elftes Zahnradelement (120, 124), die wirksam mit dem sechsten bzw. siebten Zahnradelement verbunden sind und selektiv wirksam mit der zweiten Vorgelegewelle (86) verbindbar sind, wobei ein erstes Drehzahlverhältnis zwischen der ersten Vorgelegewelle (78) und der Abtriebswelle (76) hergestellt ist, wenn das achte Zahnradelement (108) wirksam mit der ersten Vorgelegewelle (78) verbunden ist, wobei ein zweites Drehzahlverhältnis, das sich von dem ersten Drehzahlverhältnis unterscheidet, zwischen der ersten Vorgelegewelle (78) und der Abtriebswelle (76) hergestellt ist, wenn das neunte Zahnradelement (112) wirksam mit der ersten Vorgelegewelle (78) verbunden ist, wobei ein drittes Drehzahlverhältnis zwischen der zweiten Vorgelegewelle (80) und der Abtriebswelle (76) hergestellt ist, wenn das zehnte Zahnradelement (120) wirksam mit der zweiten Vorgelegewelle (80) verbunden ist, und wobei ein viertes Drehzahlverhältnis, das sich von dem dritten Drehzahlverhältnis unterscheidet, zwischen der Abtriebswelle (76) und der zweiten Vorgelegewelle (80) hergestellt ist, wenn das elfte Zahnradelement (124) wirksam mit der zweiten Vorgelegewelle (80) verbunden ist.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzialzahnradsatz (14) einen Planetenträger (26), ein erstes Sonnenrad (38), ein zweites Sonnenrad (42), ein erstes Hohlrad (18) und ein zweites Hohlrad (22) umfasst, wobei der Planetenträger (26) mit einem ersten Satz Planetenräder (30) ausgestattet ist, die mit dem ersten Sonnenrad (38) und dem ersten Hohlrad (18) kämmen, und einem zweiten Satz Planetenräder (34), die mit dem zweiten Sonnenrad (42) und dem zweiten Hohlrad (22) kämmen, und wobei der erste Satz Planetenräder (30) mit dem zweiten Satz Planetenräder (34) kämmt.
Getriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zahnradelement der Planetenträger (26) ist, das zweite Zahnradelement eines der Sonnenräder (38, 42) ist, und das dritte Zahnradelement das andere der Sonnenräder (38, 42) ist, das vierte Zahnradelement eines der Hohlräder (18, 22) ist, und das fünfte Zahnradelement das andere der Hohlräder (18, 22) ist.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehmomentübertragungseinrichtung (50) und die zweite Drehmomentübertragungseinrichtung (58) elektrische Motoren/Generatoren sind.
Getriebe nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Energiespeichereinrichtung (132) zur Aufnahme von Leistung von und zum Zuführen von Leistung zu der ersten und der zweiten Drehmomentübertragungseinrichtung (50, 58), und einen Controller (136) zum Regulieren des Leistungsflusses zwischen der Energiespeichereinrichtung (132) und der ersten und der zweiten Drehmomentübertragungseinrichtung (50, 58).
Getriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung (130), die selektiv in Eingriff bringbar ist, um eine direkte Antriebsverbindung zwischen der Antriebswelle (46) und der Abtriebswelle (76) herzustellen.
Fahrzeuggetriebe, umfassend: ein feststehendes Element (54), einen Differenzialzahnradsatz (14), der einen Planetenträger (26), ein erstes Sonnenrad (38), ein zweites Sonnenrad (42), ein erstes Hohlrad (18) und ein zweites Hohlrad (22) aufweist, wobei der Planetenträger (26) mit einem ersten Satz Planetenräder (30) ausgestattet ist, die mit dem ersten Sonnenrad (38) und dem ersten Hohlrad (18) kämmen, und einem zweiten Satz Planetenräder (34), die mit dem zweiten Sonnenrad (42) und dem zweiten Hohlrad (22) kämmen, und wobei der erste Satz Planetenräder (30) mit dem zweiten Satz Planetenräder (34) kämmt, eine Antriebswelle (46), die wirksam mit dem Planetenträger (26) verbunden ist, einen ersten elektrischen Motor/Generator (50), der an dem feststehenden Element (54) montiert und wirksam mit dem ersten Sonnenrad (38) verbunden ist, einen zweiten elektrischen Motor/Generator (58), der an dem feststehenden Element (54) montiert und wirksam mit dem zweiten Sonnenrad (42) verbunden ist, eine Abtriebswelle (76), ein erstes Abtriebselement (78), das wirksam mit dem ersten Hohlrad (18) verbunden ist, ein zweites Abtriebselement (80), das wirksam mit dem zweiten Hohlrad (22) verbunden ist, eine erste Drehmomentübertragungseinrichtung (116), die selektiv in Eingriff bringbar ist, um das erste Abtriebselement (78) wirksam mit der Abtriebswelle (76) zu verbinden, und eine zweite Drehmomentübertragungseinrichtung (128), die selektiv in Eingriff bringbar ist, um das zweite Abtriebselement (80) wirksam mit der Abtriebswelle (76) zu verbinden.
Getriebe nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Energiespeichereinrichtung (132) zur Aufnahme von Leistung von und zum Zuführen von Leistung zu dem ersten und dem zweiten elektrischen Motor/Generator (50, 58), und einen Controller (136) zum Regulieren des Leistungsflusses zwischen der Energiespeichereinrichtung (132) und dem ersten und dem zweiten Motor/Generator (50, 58).