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Diese Erfindung betrifft ein elektrisch variables Getriebe, bei dem eine Kupplung als eine die Maschine auskuppelnde bzw. trennende Kupplung innerhalb eines Getriebesystems betätigt werden kann.
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Ein Getriebe mit einem Planetengetriebesatz, der über einen Nabenabschnitt mit einer Ausgangswelle in Eingriff gebracht werden kann, ist beispielsweise aus der
US 2,399,097 bekannt geworden.
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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. Ein solches EVT wird beispielsweise in
DE 101 60 466 C1 beschrieben.
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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. 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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Ein aktuelles Problem bei Benzin/Elektrofahrzeugen ist ihre Eignung 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 dementsprechend 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 ein elektrisch variables Getriebe, bestehend aus einer ersten Einheit für elektrische Leistung und einer zweiten Einheit für elektrische Leistung, mit einer 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 Planetengetriebesatz in Eingriff gebracht werden kann, und einen drehbaren zweiten Hauptwellenabschnitt, der eine Feder aufweist und mit einem zweiten Planetengetriebesatz in Eingriff steht. 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 Planetengetriebesatz und der erste Hauptwellenabschnitt sind in Bezug aufeinander einrückbar und ausrückbar. Die Feder spannt den ersten Hauptwellenabschnitt vor, um den ersten Planetengetriebesatz einzurücken, wenn der Kolben mit einem ausreichend unter Druck gesetzten Fluid am Fluideinlass nicht in Fluidstromverbindung steht. Ein ausreichend unter Druck gesetztes Fluid am Fluideinlass zwingt den Kolben, den ersten Hauptwellenabschnitt vom ersten Planetengetriebesatz 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 Planetengetriebesatz erneut einzurücken.
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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.
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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.
