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Diese
Anmeldung beansprucht den Nutzen der am 19. August 2004 eingereichten
vorläufigen US-Anmeldung
60/602,976, die in ihrer Gesamtheit hiermit durch Verweis einbezogen
ist.
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Eine
Kupplung kann als eine die Maschine auskuppelnde bzw. trennende
Kupplung innerhalb eines Getriebesystems betätigt werden.
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Ein
elektrisch variables Getriebe (EVT) wurde für Fahrzeuge vorgeschlagen,
um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern und Emissionen zu reduzieren.
Das EVT teilt mit Hilfe eines Differenzialgetriebes Kraft zwischen
einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle in einen mechanischen
Kraftweg und einen elektrischen Kraftweg auf. Der mechanische Kraftweg
kann Kupplungen und zusätzliche
Zahnräder
enthalten. Der elektrische Kraftweg kann zwei Einheiten für elektrische
Leistung nutzen, von denen jede als Motor oder als Generator ("Motor/Generator") arbeiten kann.
Mit einer elektrischen Speicherbatterie kann das EVT in ein Antriebssystem
für ein Hybridelektrofahrzeug
eingebaut werden.
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Das
Hybridfahrzeug oder Hybridantriebssystem nutzt eine Quelle für elektrische
Leistung wie zum Beispiel eine Batterie sowie eine Quelle für Maschinenleistung.
Die Batterie ist mit elektrischen Antriebseinheiten durch eine elektronische
Steuereinheit (ECU) verbunden, die die elektrische Leistung nach
Bedarf verteilt. Die ECU weist auch Verbindungen mit der Maschine
und dem Fahrzeug auf, um Betriebscharakteristiken oder den Betriebsbedarf
zu bestimmen, so dass die Einheiten für elektrische Leistung als
entweder Motor oder Generator geeignet betrieben werden.
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Wenn
sie als Generator arbeitet, nimmt eine Einheit für elektrische Leistung von
entweder dem Fahrzeug oder der Maschine Leistung auf und speichert
die Leistung in der Batterie oder liefert diese Leistung, um eine
andere elektrische Vorrichtung oder eine andere Einheit für elektrische
Leistung am Fahrzeug oder am Getriebe zu betreiben.
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Einer
der Vorteile davon, ein elektrisch variables Getriebe mit mehr als
einem Betriebsmodus zu haben, besteht darin, dass jeder Betriebsmodus
im Allgemeinen zumindest einen mechanischen Punkt enthält, an welchem
in keinem Motor/Generator elektrische Energie vorhanden ist, wodurch
Verluste reduziert werden.
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Eine
Kraftübertragung
in einem elektromechanischen Getriebe ist in einer gemeinsam übertragenen
vorläufigen
US-Anmeldung mit dem Titel "Electrically
Variable Transmission with Selective Fixed Ratio Operation", USSN 60/590,427,
Holmes et al., die am 22. Juli 2004 eingereicht wurde, beschrieben
und durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hiermit einbezogen.
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Ein
aktuelles Problem bei Benzin/Elektrofahrzeugen ist ihre Einung zum
effektiven Rückwärtsfahren.
Frühere
Benzin/Elektrofahrzeuge arbeiten im Allgemeinen beim Rückwärtsfahren
auf zwei Arten. Ein Verfahren für
den Betrieb beim Rückwärtsfahren besteht
darin, den Elektromotor zu nutzen, um das Fahrzeug rückwärts anzutreiben.
Da die Maschine versucht, das Fahrzeug vorwärts anzutreiben, muss der Elektromotor
die laufende Maschine überwinden. Eine
derartige Gegenwirkung zwischen der Maschine und dem Elektromotor
verursacht große
Verluste, weil nur ein Teil der Leistung des Elektromotors genutzt
wird, um das Fahrzeug rückwärts fahren
zu lassen. Ein zweites Verfahren für den Betrieb beim Rückwärtsfahren
nutzt den Elektromotor, um das Fahrzeug rückwärts anzutreiben, während die
Maschine nicht läuft.
Dieses Verfahren gestattet jedoch nicht, dass das Fahrzeug während der
Rückwärtsfahrt
Energie erzeugt. Folglich gestattet es nur, dass das Fahrzeug rückwärts fährt, bis
die Batterie erschöpft
oder entladen ist. Hat die Batterie einmal ihre gesamte Energie
ausgeschöpft
und ist vollständig entladen,
kann das Fahrzeug nicht weiter rückwärts fahren.
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Die
Erfindung sieht eine Klauenkupplung vor, die als eine Kupplung zur
Trennung von Maschine/Motor innerhalb eines Benzin/Elektrogetriebesystems
dient. Die Kupplung ist auf der Hauptwelle des Getriebes untergebracht.
Die Hauptwelle ist in einen ersten Hauptwellenabschnitt, der mit
einem ersten Planetenträger
eines ersten Getriebesatzes lösbar verbunden
ist, und einen zweiten Hauptwellenabschnitt geteilt, der mit einem
Sonnenrad eines zweiten Getriebesatzes verbunden und mit dem ersten Hauptwellenabschnitt
verbindbar ist. Der erste und zweite Motor/Generator sind mit dem
ersten bzw. zweiten Getriebesatz verbunden. Die Kupplung enthält einen
hydraulisch betätigbaren
Kolben, der in der Antriebswelle verschiebbar angeordnet ist, und
einen ersten federvorgespannten Hauptwellenabschnitt, der an den
Kolben angrenzt und auf dem zweiten Hauptwellenabschnitt angeordnet
ist. Ein erster Planetenträger
oder ein Element des ersten Getriebesatzes steht mit dem ersten
Hauptwellenabschnitt lösbar
in Eingriff, der über
den zweiten Hauptwellenabschnitt mit einem Sonnenrad oder Element
des zweiten Getriebesatzes in Eingriff steht. Wenn die Kupplung
betätigt
wird, wirkt unter Druck gesetztes Fluid auf den Kolben, der den
ersten Hauptwellenabschnitt gegen die Federvorspannung verschiebt,
um den ersten Getriebesatz von dem ersten Hauptwellenabschnitt und
dem zweiten Hauptwellenabschnitt auszurücken und somit den ersten Getriebesatz
vom zweiten Getriebesatz zu entkoppeln. Da die Maschine mit dem
ersten Getriebesatz verbunden ist und der zweite Motor/Generator
mit dem zweiten Getriebesatz verbunden ist, kann dem entsprechend
die Kupplung die Maschine vom zweiten Motor/Generator trennen, was
insbesondere vorteilhaft ist, wenn das Fahrzeug rückwärts fährt.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Mittel, um ein Benzin/Elektrofahrzeug
auf solch eine Weise rückwärts anzutreiben,
dass die Maschine und der Motor nicht gegenarbeiten und das Fahrzeug
während
einer Rückwärtsfahrt
speicherbare Energie erzeugen kann.
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Im
Einzelnen schafft die vorliegende Erfindung eine Kupplung, die für einen
Eingriff in einem Getriebe mit mehreren Getriebesätzen angepasst
ist. Die Kupplung umfasst eine Antriebswelle mit zumindest einem
Fluideinlass für
unter Druck gesetztes Fluid, einen drehbaren ersten Hauptwellenabschnitt, der
mit einem ersten Getriebesatz in Eingriff gebracht werden kann,
und einen drehbaren zweiten Hauptwellenabschnitt, der eine Feder
aufweist und mit einem zweiten Getriebesatz in Eingriff gebracht
werden kann. Der erste Hauptwellenabschnitt ist bezüglich des
zweiten Hauptwellenabschnitts verschiebbar und mit ihm drehbar und
ist mit der Feder für
eine Bewegung in einer ersten Richtung vorgespannt. Ein Kolben ist
verschiebbar, um eine Bewegung des ersten Hauptwellenabschnitts
auszulösen.
Der Kolben kann mit einem ausreichend unter Druck gesetzten Fluid
am Fluideinlass für
eine Bewegung in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten
Richtung in Fluidstromverbindung stehen. Der erste Getriebesatz
und der erste Hauptwellenabschnitt sind in Bezug aufeinander einrückbar und
ausrückbar.
Die Feder spannt den ersten Hauptwellenabschnitt vor, um den ersten
Getriebesatz einzurücken,
wenn der Kolben mit einem ausreichend unter Druck gesetzten Fluid
am Fluideinlass nicht Fluidstromverbindung steht. Ein ausreichend
unter Druck gesetztes Fluid am Fluideinlass zwingt den Kolben, den
ersten Hauptwellenabschnitt vom ersten Getriebesatz zu entkoppeln
bzw. auszurücken.
Wenn das ausreichend unter Druck gesetzte Fluid am Fluideinlass
erschöpft
ist, spannt die Feder den ersten Hauptwellenabschnitt vor, um den
ersten Getriebesatz erneut einzurücken.
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Die
vorliegende Erfindung sieht auch eine Hauptwelle vor, die zur Verwendung
in einem elektrisch variablen Getriebesystem mit einer ersten Einheit
für elektrische
Leistung, die mit einem ersten Getriebesatz verbunden ist, und einer
zweiten Einheit für
elektrische Leistung angepasst, die mit einem zweiten Getriebesatz
verbunden ist. Die Hauptwelle umfasst einen ersten Hauptwellenabschnitt,
der mit einem Element des ersten Getriebesatzes in Eingriff gebracht
werden kann, und einen mit dem ersten Hauptwellenabschnitt axial
ausgerichteten und mit einem Element des zweiten Getriebesatzes
in Eingriff gebrachten zweiten Hauptwellenabschnitt. Die Hauptwelle
umfasst auch einen Kolben, der mit dem ersten Hauptwellenabschnitt
und dem zweiten Hauptwellenabschnitt axial ausgerichtet und bezüglich des
ersten oder zweiten Hauptwellenabschnitts axial bewegbar ist. Das
Element des ersten Getriebesatzes kann mit dem ersten Hauptwellenabschnitt, dem
zweiten Hauptwellenabschnitt und dem Element des zweiten Getriebesatzes
in Eingriff gebracht werden, wenn der Kolben in einer ersten Richtung
axial bewegt wurde. Das Element des ersten Getriebesatzes kann von
dem ersten Hauptwellenabschnitt, dem zweiten Hauptwellenabschnitt
und dem Element des zweiten Getriebesatzes ausgerückt werden,
wenn der Kolben in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten
Richtung axial bewegt wurde.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ferner ein Verfahren zum selektiven
Einrücken
und Ausrücken einer
Hauptwelle mit einem ersten Hauptwellenabschnitt, der mit einem
ersten Getriebesatz in Eingriff gebracht werden kann, und einem
zweiten Hauptwellenabschnitt, der mit einem zweiten Getriebesatz
in Eingriff gebracht werden kann, in einem Getriebe. Das Verfahren
umfasst die Schritte verschiebbares Einrücken des ersten Hauptwellenabschnitts
mit dem zweiten Hauptwellenabschnitt und Vorspannen des ersten Hauptwellenabschnitts
in einer ersten Richtung bezüglich
des zweiten Hauptwellenabschnitts, um den ersten Hauptwellenabschnitt
mit dem ersten Getriebesatz in Eingriff zu bringen. Das Verfahren umfasst
ferner ein Bereitstellen eines ausreichend unter Druck gesetzten
Fluids für
den ersten Hauptwellenabschnitt, um den ersten Hauptwellenabschnitt
in einer zweiten Richtung zu verschieben, um den ersten Hauptwellenabschnitt
vom ersten Getriebesatz auszurücken
und den ersten Hauptwellenabschnitt in der ersten Richtung erneut
vorzuspannen, wenn das ausreichend unter Druck gesetzte Fluid erschöpft ist.
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Die
obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der
besten Verfahren zum Ausführen
der Erfindung ohne weiteres ersichtlich, wenn sie in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird. Die Erfindung
wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben;
in dieser zeigt:
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1 eine
fragmentarische Querschnittansicht eines EVT-Getriebes, das eine Kupplung gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält.
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1 zeigt
eine Kupplung 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verwendung in Kombination mit einem elektrisch variablen
Getriebe (EVT) 14 und einer Modifikation davon. Die Kupplung 10,
die als Klauenkupplung dargestellt ist, wirkt koaxial mit der Getriebehauptwelle 18,
die mit einem Antriebswellenabschnitt 22 der Maschine über einen
ersten oder Eingangsgetriebesatz 34 des Hybridgetriebes 14 verbunden
werden kann, der Leistung von einer Maschine empfängt. Das
Eingangs/Maschinenmoment wird über
eine (nicht dargestellte) Dämpfungseinrichtung
zur Getriebehauptwelle 18, der Maschinenantriebswelle 22 und
dann zum ersten Hohlrad 82 des ersten Getriebesatzes 34 übertragen.
Die Getriebehauptwelle 18 enthält einen ersten Hauptwellenabschnitt 54 und
einen zweiten Hauptwellenabschnitt 26. Die Kupplung 10 rückt den
ersten Planetenträger 38 des
ersten Getriebesatzes 34 bezüglich des ersten Hauptwellenabschnitts 54 des
Getriebes effektiv ein und aus.
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Bezugnehmend
auf den ersten Getriebesatz 34 mit mehreren Elementen 38, 39, 82, 86 trägt der erste
Planetenträger 38 Planetenräder 86,
die ineinandergreifend mit einem Hohlrad 82 und einem Sonnenrad 39 in
Eingriff stehen. Das erste Sonnenrad 39 ist mit einer ersten
Einheit 40 für
elektrische Leistung des Getriebes verbunden. Eine Einheit für elektrische Leistung
kann als Motor dienen, um das erste Sonnenrad 39 des Getriebes
anzutreiben, oder als Generator, um eine Batterie zu laden. Der
zweite Hauptwellenabschnitt 26 ist mit einer Feder 42 ausgestattet und
wird mit dem zweiten Getriebesatz 46 mit mehreren Elementen
einschließlich
eines zweiten Elements oder Sonnenrades 50 in Eingriff
gebracht, das mit einer zweiten Einheit 51 für elektrische
Leistung verbunden ist. "Verbunden" impliziert, dass
jedes Sonnenrad 39, 50 entweder indirekt durch
eine Rotornabe 52, 53 oder eine ähnliche
Struktur wie in 1 veranschaulicht oder direkt
mit der Einheit 40, 51 für elektrische Leistung verbunden
ist. Die Rotornabenstrukturen 52, 53 sind jeweils "weinglas"- bzw. "schirm"-förmig
wie in dem am 19. August 2004 eingereichten, gemeinsam übertragenen "Transmission Packaging
and Rotor Support Structure",
von Klemen et al., Anwaltsaktenzeichen GB-305600, USSN 60/602983
dargestellt und beschrieben ist, das in seiner Gesamtheit hierin
einbezogen ist.
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Der
erste Hauptwellenabschnitt 54 befindet sich verschiebbar
auf dem zweiten Hauptwellenabschnitt 26 unter Vorspannung
durch die Feder 42, die den ersten Hauptwellenabschnitt
in einer ersten Richtung vorspannt. "Verschiebbar" impliziert, dass der erste Hauptwellenabschnitt 54 mit
dem zweiten Hauptwellenabschnitt 26 in Eingriff steht,
aber entlang dem zweiten Hauptwellenabschnitt 26 sich axial vor
und zurück
bewegen oder pendeln kann. Der erste Hauptwellenabschnitt 54 kann
mehrere Kerbverzahnungen 80 des ersten Hauptwellenabschnitts
aufweisen, die mit mehreren Kerbverzahnungen 81 des zweiten
Hauptwellenabschnitts in Eingriff gebracht werden können, welche
eine relativ axiale Bewegung zwischen dem ersten Hauptwellenabschnitt 54 und dem
zweiten Hauptwellenabschnitt 26 ermöglichen. Die Feder 42 kann
an einem Ende an dem zweiten Hauptwellenabschnitt 26 durch
eine Unterlegscheibe 70 wie in 1 veranschaulicht
oder eine C-Klemme, eine Federspannvorrichtung oder irgendeine andere
bestimmte Stopp- oder ähnliche
Vorrichtung fixiert oder arretiert sein. Das zweite Ende der Feder 42 steht
mit dem ersten Hauptwellenabschnitt 54 unter Vorspannung.
Ein Kolben 58 befindet sich verschiebbar im Antriebswellenabschnitt 22,
der ein oder mehrere Fluideinlässe 30 aufweist.
In einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die nicht veranschaulicht ist, können der
Kolben 58 und der erste Hauptwellenabschnitt 54 eine einzige
oder einheitliche Struktur aufweisen. Außerdem kann zwischen dem Fluideinlass
und dem Kolben 58 eine Einrück- bzw. Druckbeaufschlagungskammer
(engl. apply chamber) 84 angeordnet sein. Der Kolben 58 steht
mit dem Fluideinlass 30 in Fluidstromverbindung, so dass
unter Druck gesetztes Fluid am Fluideinlass 30 den Kolben 58 in
einer zweiten Richtung vorspannt, die der ersten Richtung der Vorspannung
der Feder 42 entgegengesetzt ist.
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Eine
interne erste Kerbverzahnung 62, die mit dem ersten Planetenträger 38 des
Getriebesatzes 34 verbunden ist, steht mit der externen
zweiten Kerbverzahnung 66 in Eingriff, die sich auf dem
ersten Hauptwellenabschnitt 54 befindet. Wenn der erste
Hauptwellenabschnitt 54 durch die Feder 42 in
der ersten Richtung vorgespannt ist, steht die zweite Kerbverzahnung 66 mit
der ersten Kerbverzahnung 62 in Eingriff, und folglich
steht der erste Planetenträger 38 über den
ersten Hauptwellenabschnitt 54 und den zweiten Hauptwellenabschnitt 26 mit
dem zweiten Sonnenrad 50 wirkend in Eingriff. Wenn der
erste Planetenträger 38 mit
dem zweiten Sonnenrad 50 wirkend in Eingriff steht, steht
die erste Einheit 40 für elektrische
Leistung mit der zweiten Einheit 51 für elektrische Leistung über die
erste oder "weinglasförmige" Rotornabe 52,
den ersten Getriebesatz 34, den Hauptwellenabschnitt 54,
den zweiten Hauptwellenabschnitt 26 und die zweite "schirmförmige" Rotornabe 53 wirkend
in Eingriff. Die Kerbverzahnungen 62, 66 können jedes
beliebige Paar miteinander verbindbare Elemente sein, die für eine Einrückung und
Ausrückung
zwischen dem ersten Getriebesatz 34 und dem ersten Hauptwellenabschnitt 54 sorgen.
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Wenn
ausreichend unter Druck gesetztes Fluid am Fluideinlass 30 vorliegt,
wird der Kolben 58 in der der Federvorspannung entgegengesetzten zweiten
Richtung vorgespannt. Ausreichend unter Druck gesetztes Fluid ist
Fluid mit einem Druck, der groß genug
ist, um die Federvorspannung zu überwinden,
so dass der Kolben 58 den ersten Hauptwellenabschnitt 54 in
der zweiten Richtung verschiebt oder pendeln lässt, was die Feder 42 komprimiert.
Ist der erste Hauptwellenabschnitt 54 einmal in die zweite
Richtung verschoben oder verrückt,
rücken
die erste oder interne Kerbverzahnung 62 und die zweite oder
externe Kerbverzahnung 66 aus. Wenn die Kerbverzahnungen 62, 66 ausgerückt sind,
sind die erste Einheit 40 für elektrische Leistung und
der erste Getriebesatz 34 vom ersten Hauptwellenabschnitt 54 und
folglich von dem zweiten Hauptwellenabschnitt 26, dem zweiten
Getriebesatz 46 und der zweiten Einheit 51 für elektrische
Leistung entkoppelt. Wenn die erste Einheit 40 für elektrische
Leistung von der zweiten Einheit 51 für elektrische Leistung entkoppelt ist, kann
die erste Einheit 40 für
elektrische Leistung die Batterie laden, während die zweite Einheit 51 für elektrische
Leistung von einer elektronischen Steuereinheit gesteuert werden
kann, um als Leistungseinheit für
den zweiten Hauptwellenabschnitt 26 des Getriebes zu dienen.
Eine ausgerückte
Klauenkupplung 10 trennt die (nicht dargestellte) Maschine
und die erste Einheit 40 für elektrische Leistung von
der zweiten Einheit 51 für elektrische Leistung und
dem Abtriebselement 83.
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Wenn
das ausreichend unter Druck gesetzte Fluid am Fluideinlass 30 erschöpft ist,
wird die Feder 42 den ersten Hauptwellenabschnitt 54 und
den Kolben 58 zurück
in die erste Richtung zwingen oder erneut vorspannen, wobei die
erste Kerbverzahnung 62 und die zweite Kerbverzahnung 66 wieder
in Eingriff kommen, wie in 1 gezeigt
ist. Das erneute Einrücken
der ersten Kerbverzahnung 62 und der zweiten Kerbverzahnung 66 wird
die erste Einheit 40 für
elektrische Leistung und den ersten Getriebesatz 34 erneut
mit der zweiten Einheit 51 für elektrische Leistung und
dem zweiten Getriebesatz 46 in Eingriff bringen, so dass
beide Einheiten 40, 51 für elektrische Leistung durch
eine elektronische Steuereinheit gesteuert werden können, um
als Leistungseinheiten für
die Hauptwelle 18 des Getriebes zu dienen.
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Obgleich
die besten Verfahren zum Ausführen
der Erfindung im Detail beschrieben wurden, erkennt der Fachmann
für die
Technik, auf die sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative
Entwürfe
und Ausführungsformen,
um die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche in die
Praxis umzusetzen. Es wird eine Klauenkupplung geschaffen, die als
eine Kupplung zur Trennung einer Maschine/eines Motors innerhalb
eines Getriebesystems für
ein Benzin/Elektrofahrzeug dient. Die Kupplung ist auf der Hauptwelle
eines Getriebes untergebracht. Die Hauptwelle ist in einen ersten
Hauptwellenabschnitt, der mit einem ersten Elektromotor/Generator
und einem ersten Getriebesatz lösbar
verbunden ist, und einen zweiten Hauptwellenabschnitt geteilt, der
mit einem zweiten Elektromotor/Generator und einem zweiten Getriebesatz
verbunden ist. Die Kupplung enthält
einen hydraulisch betätigbaren Kolben,
der mit dem ersten Hauptwellenabschnitt und dem zweiten Hauptwellenabschnitt
koaxial verschiebbar angeordnet ist. Der erste Hauptwellenabschnitt
ist durch eine Feder vorgespannt und neben dem Kolben angeordnet.
Ein Element des ersten Getriebesatzes steht lösbar in Eingriff mit dem ersten Hauptwellenabschnitt,
der über
den zweiten Hauptwellenabschnitt mit einem Element des zweiten Getriebesatzes
in Eingriff steht. Wenn die Kupplung betätigt wird, wirkt unter Druck
gesetztes Fluid auf den Kolben, um den ersten Hauptwellenabschnitt
gegen die Federvorspannung zu verschieben, um den ersten Getriebesatz
von dem ersten Hauptwellenabschnitt auszurücken und folglich den ersten
Getriebesatz von dem zweiten Hauptwellenabschnitt und dem zweiten
Getriebesatz zu entkoppeln.