DE102006000917B4

DE102006000917B4 - Elektrisch verstellbares Getriebe mit sechs festen Übersetzungsverhältnissen

Info

Publication number: DE102006000917B4
Application number: DE102006000917.7A
Authority: DE
Inventors: Donald Klemen; Michael R. Schmidt
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Allison Transmission Inc
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2026-01-06
Also published as: CN1804428A; US7214154B2; CN100523546C; DE102006000917A1; US20060154771A1

Abstract

Getriebe (10), umfassend: ein Antriebselement (108), ein Abtriebselement (120), ein feststehendes Element (84), einen ersten Planetenradsatz (14) mit einem ersten Hohlrad (30), einem ersten Sonnenrad (26) und einer ersten Planetenträgeranordnung (34), einen zweiten Planetenradsatz (18) mit einem zweiten Hohlrad (30), einem zweiten Sonnenrad (40) und einer zweiten Planetenträgeranordnung (48), einen dritten Planetenradsatz (22) mit einem dritten Hohlrad (60), einem dritten Sonnenrad (56) und einer dritten Planetenträgeranordnung (64), einen ersten Motor/Generator (72) mit einem ersten Rotor (88), einen zweiten Motor/Generator (76) mit einem zweiten Rotor (100), wobei das Antriebselement (108) mit dem ersten Hohlrad (30) zur Rotation mit diesem verbunden ist, das erste Hohlrad (30) und das zweite Hohlrad (30) miteinander für eine Rotation als eine Einheit verbunden sind, die erste Planetenträgeranordnung (34) mit der zweiten Planetenträgeranordnung (48) für eine Rotation als eine Einheit mit dieser verbunden ist, der erste Rotor (88) mit dem zweiten Sonnenrad (40) für eine Rotation als eine Einheit mit diesem verbunden ist, der zweite Rotor (100) mit dem dritten Sonnenrad (56) für eine Rotation als eine Einheit mit diesem verbunden ist, und die dritte Planetenträgeranordnung (64) mit dem Abtriebselement (120) für eine Rotation als eine Einheit mit diesem verbunden ist, eine erste Drehmomentübertragungseinrichtung (C1) in Form einer Bremse, die ausgebildet ist, um das dritte Hohlrad (60) selektiv mit dem feststehenden Element (84) zu verbinden, ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hybrides elektromechanisches Compound-Split-Fahrzeuggetriebe mit zwei Betriebsarten, das drei miteinander in Wechselwirkung stehende Planetenradanordnungen benutzt, die wirksam mit einem Verbrennungsmotor und zwei Motoren/Generatoren verbunden sind. Die Planetenradanordnungen stellen zwei Betriebsarten oder Zahnradstränge bereit, die selektiv verfügbar sind, um Leistung von dem Verbrennungsmotor und/oder den Motoren/Generatoren auf das Abtriebselement des Getriebes zu übertragen. Das Getriebe bietet auch sechs verfügbare feste Übersetzungen.
Der Zweck eines Fahrzeuggetriebes ist es, einen neutralen Bereich, zumindest einen Rückwärtsbereich und einen oder mehrere Vorwärtsfahrbereiche bereitzustellen, die Leistung von einem Verbrennungsmotor und/oder anderen Leistungsquellen auf die Antriebselemente aufbringen, die die Zugkraft von dem Fahrzeug auf das Gelände, über das das Fahrzeug gefahren wird, abgeben. Die Antriebselemente können als solche Vorderräder, Hinterräder oder eine Kette sein, wie es erforderlich ist, um das gewünschte Verhalten bereitzustellen.
Ein Reihenantriebssystem ist ein System, in dem die Energie einen Weg von einem Verbrennungsmotor zu einem ersten Motor/Generator, dann zu einer optionalen elektrischen Speichereinrichtung und anschließend zu einem zweiten Motor/Generator folgt, der Leistung aufbringt, um die Antriebselemente zu drehen. Es gibt in einem Reihenantriebssystem keine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und den Antriebselementen.
Getriebe, die ausgebildet sind, um die Ausgangsleistung von entweder einem verbrennungsmotorgetriebenen Generator oder einer elektrischen Speichereinrichtung oder beiden aufzunehmen, haben bisher weitgehend auf dem beruht, was als Reihen-Hybridantriebssysteme bezeichnet wird. Derartige Systeme sind mit Hilfsaggregaten (APU von auxiliary power unit) mit relativ niedriger Leistung für minimale Emissionen und die beste Kraftstoffwirtschaftlichkeit konstruiert. Jedoch passen derartige Kombinationen von kleinen APU und auch großen Energiespeichereinrichtungen nicht zu Fahrzeugen mit hoher Durchschnittsleistung oder sind auf Arbeitszyklen gerichtet, die einen kontinuierlichen Betrieb mit konstanter Drehzahl verlangen. Steile Steigungen und lang andauernde hohe durchschnittliche Reisegeschwindigkeiten bei gewünschten hohen Wirkungsgraden sind mit einer typischen Reihen-Hybridgetriebeanordnung nicht erzielbar.
Es ist daher die Herausforderung, ein Leistungssystem bereitzustellen, das über eine breite Vielfalt von Betriebsbedingungen mit hohen Wirkungsgraden arbeiten wird. Erwünschte elektrisch verstellbare Getriebe sollten die Vorteile eines Reihen-Hybridgetriebes für wünschenswerte Arbeitszyklen mit niedriger Durchschnittsleistung – d. h. Start/Stopp-Arbeitszyklen mit niedriger Drehzahl – sowie die Vorteile eines parallelen Hybridgetriebes für Hochgeschwindigkeits-Arbeitszyklen mit hoher durchschnittlicher Ausgangsleistung in Einklang bringen. In einer parallelen Anordnung werden die Leistung, die von dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, und die Leistung, die von der Quelle elektrischer Energie zugeführt wird, unabhängig mit den Antriebselementen in Verbindung gebracht, um einen maximalen Wirkungsgrad bei Arbeitszyklen mit sowohl niedriger als auch hoher Durchschnittsleistung sicherzustellen.
Darüber hinaus führt ein Perfektionieren des Konzeptes mit zwei Betriebsarten oder zwei integrierten Zahnradsträngen mit Leistungsaufteilung, wobei jede Betriebsart durch synchrone Auswahl von internen Kupplungseinrichtungen durch den an Bord befindlichen Computer verfügbar ist, um Leistung von dem Verbrennungsmotor und/oder dem Motor/Generator auf die Abtriebswelle zu übertragen, zu einem Hybridgetriebe mit einem äußerst weiten Anwendungsbereich.
Die gewünschten vorteilhaften Ergebnisse können durch die Verwendung eines variablen, parallelen, hybriden elektromechanischen Input- und Compound-Split-Getriebes mit zwei Betriebsarten erreicht werden. Ein derartiges Getriebe benutzt ein Antriebselement, um Leistung von dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs aufzunehmen, und ein Leistungsabgabeelement, um Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs abzugeben. Ein erster und ein zweiter Motor/Generator-Leistungs-Controller sind mit einer Energiespeichereinrichtung, wie einem Batteriepaket, verbunden, so dass die Energiespeichereinrichtung Leistung von dem ersten und zweiten Motor/Generator aufnehmen und diesen Leistung zuführen kann. Eine Steuereinheit regelt den Leistungsfluss zwischen den Energiespeichereinrichtungen und den Motoren/Generatoren sowie zwischen dem ersten und zweiten Motor/Generator.
Ein variables, paralleles, hybrides, elektromechanisches Getriebe mit zwei Betriebsarten und Eingangsverzweigung wendet auch mindestens einen Planetenradsatz an. Der Planetenradsatz weist ein inneres Zahnradelement und ein äußeres Zahnradelement auf, von denen jedes kämmend mit mehreren Planetenradelementen in Eingriff steht. Das Antriebselement ist wirksam mit einem der Zahnradelemente in dem Planetenradsatz verbunden, und es sind Mittel vorgesehen, um das Leistungsabgabeelement wirksam mit einem anderen der Zahnradelemente in dem Planetenradsatz zu verbinden. Einer der Motoren/Generatoren ist mit dem übrigen Zahnradelement in dem Planetenradsatz verbunden, und es sind Mittel vorgesehen, um den anderen Motor/Generator wirksam mit der Abtriebswelle zu verbinden.
Ein Betrieb in der ersten oder zweiten Betriebsart kann selektiv unter Verwendung von Drehmomentübertragungseinrichtungen erzielt werden. Hierzu ist in einer Betriebsart die Abtriebsdrehzahl des Getriebes im Allgemeinen proportional zur Drehzahl von einem Motor/Generator, und in der zweiten Betriebsart ist die Abtriebsdrehzahl des Getriebes im Allgemeinen proportional zur Drehzahl von beiden Motoren/Generatoren.
In manchen Ausführungsformen des variablen, parallelen, hybriden, elektromechanischen Getriebes mit zwei Betriebsarten und Eingangsverzweigung wird ein zweiter Planetenradsatz 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. In anderen Ausführungsformen können alle drei Drehmomentübertragungseinrichtungen dazu benutzt werden, die gewünschte Betriebsart des Getriebes auszuwählen.
Wieder Bezug nehmend auf einen einfachen Planetenradsatz sind die Planetenradelemente normalerweise zur Drehung auf einem Träger gelagert, der selbst wiederum drehbar ist. Wenn das Sonnenrad feststehend gehalten wird und Leistung an das Hohlrad angelegt wird, rotieren die Planetenradelemente in Abhängigkeit von der an das Hohlrad angelegten Leistung und ”laufen” in Umfangsrichtung um das feste Sonnenrad um, um eine Drehung des Trägers in der gleichen Richtung wie die Richtung, in der das Hohlrad gedreht wird, zu bewirken.
Wenn irgendwelche zwei Elemente des einfachen Planetenradsatzes in die gleiche Richtung und mit der gleichen Drehzahl rotieren, wird das dritte Element dazu gezwungen, mit der gleichen Drehzahl und in die gleiche Richtung zu drehen. Beispielsweise wenn das Sonnenrad und das Hohlrad in die gleiche Richtung und mit der gleichen Drehzahl rotieren, rotieren die Planetenräder nicht um ihre eigenen Achsen sondern wirken vielmehr wie Keile, um die gesamte Einheit miteinander zu verriegeln und somit den bekannten direkten Antrieb zu bewirken. Das heißt, der Träger rotiert mit den Sonnen- und Hohlrädern.
Wenn jedoch die beiden Zahnradelemente in die gleiche Richtung aber mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren, kann die Richtung, in der das dritte Zahnradelement rotiert, oft einfach durch Sichtanalyse bestimmt werden. In vielen Situationen wird aber die Richtung nicht offensichtlich sein und kann nur durch Kenntnis der in den Zahnradelementen des Planetenradsatzes vorhandenen Zähnezahl bestimmt werden.
Jedes Mal dann, wenn der Träger daran gehindert wird, frei umzulaufen, und Leistung an entweder das Sonnenrad oder das Hohlrad angelegt wird, wirken die Planetenradelemente als Zwischenräder. Auf diese Weise wird das angetriebene Element in die entgegengesetzte Richtung wie das Antriebselement rotiert. Somit wird bei vielen Getriebeanordnungen, wenn der Rückwärtsfahrbereich ausgewählt wird, eine Drehmomentübertragungseinrichtung, die als Bremse dient, über Reibung betätigt, um mit dem Träger in Eingriff zu gelangen und ihn an einer Drehung zu hindern, so dass Leistung, die an das Sonnenrad angelegt wird, das Hohlrad in die entgegengesetzte Richtung drehen wird. Wenn somit das Hohlrad wirksam mit den Antriebsrädern eines Fahrzeugs verbunden ist, ist eine derartige Anordnung in der Lage, die Drehrichtung der Antriebsräder und somit die Fahrtrichtung des Fahrzeugs selbst umzukehren.
Wie es Fachleute feststellen werden, wird ein Getriebesystem, das eine Anordnung mit Leistungsaufteilung verwendet, Leistung von zwei Quellen empfangen. Die Benutzung von einem oder mehreren Planetenradsätzen erlaubt zwei oder mehr Zahnradstränge oder Betriebsarten, durch die Leistung von dem Antriebselement des Getriebes an sein Abtriebselement abgegeben wird.
Die DE 199 44 999 A1 beschreibt ein elektrisch stufenlos variables Getriebe, wobei beim Ansteigen der Ausgangsdrehzahl mehrere Betriebszustände durchfahren werden und vier Drehmomentübertragungseinrichtungen vorhanden sind, die selektiv in Kombination von zwei oder drei einrückbar sind, um drei Gänge darstellen zu können. Durch Hinzufügen weiterer Kupplungen sind auch mehrere Gänge darstellbar.
Das U.S. Patent US 5,558,588 A , das am 24. September 1996 für Schmidt erteilt wurde und dessen Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist, lehrt ein variables, paralleles, hybrides, elektromechanisches Getriebe mit zwei Betriebsarten und Eingangsverzweigung, wobei in der ersten Betriebsart ein ”mechanisches Punkt” vorhanden ist und in der zweiten Betriebsart zwei mechanische Punkte vorhanden sind. Das U.S. Patent US 5,931,757 A , das am 3. August 1999 für Schmidt erteilt wurde und dessen Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist, lehrt ein elektromechanisches Compound-Split-Getriebe mit zwei Betriebsarten mit einem mechanischen Punkt in der ersten Betriebsart und zwei mechanischen Punkten in der zweiten Betriebsart.
Ein mechanischer Punkt tritt auf, wenn einer der Motoren/Generatoren zu irgendeinem Zeitpunkt während des Betriebes des Getriebes in entweder der ersten oder der zweiten Betriebsart feststehend ist. Das Fehlen eines mechanischen Punktes ist insofern ein Nachteil, dass der maximale mechanische Wirkungsgrad bei der Übertragung von Leistung von dem Verbrennungsmotor auf den Abtrieb auftritt, wenn einer der Motoren/Generatoren sich an einem mechanischen Punkt befindet – d. h. feststehend ist. In variablen, parallelen, hybriden, elektromechanischen Getrieben mit zwei Betriebsarten und Eingangsverzweigung gibt es jedoch typischerweise einen Punkt in der zweiten Betriebsart, an dem einer der Motoren/Generatoren nicht rotiert, so dass die gesamte Leistung des Verbrennungsmotors mechanisch auf den Abtrieb übertragen wird.
Das oben erwähnte elektromechanische Compound-Split-Getriebe mit zwei Betriebsarten ist eine effiziente Wahlmöglichkeit für Nutzfahrzeuge, wie etwa Linienbusse und dergleichen, die regelmäßig nahe bei ihrer maximalen Leistungsfähigkeit arbeiten. Bei sehr leichten Fahrzeugen können jedoch Verluste, die in dem Motorumrichtersystem erzeugt werden, in manchen Fällen die Kraftstoffwirtschaftlichkeit beeinflussen. Auch können die Leistungsgewichtsfaktoren in vielen leichten Fahrzeugen nicht immer vermindert werden, wenn beispielsweise ein Schleppkrafterfordernis die Dimensionierung des Verbrennungsmotors bedingt.
Erfindungsgemäß wird daher ein Getriebe vorgeschlagen, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Anpassung eines elektromechanischen Compound-Split-Getriebes mit zwei Betriebsarten bereit, das besonders in Kleintransportern, Pickups, SUV usw. (personal trucks) nützlich ist, bei denen die typische Last weniger als die Hälfte der maximalen Kapazität beträgt. Das Getriebe stellt zwei elektrisch verstellbare Betriebsarten bereit, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement mit der Drehzahl von einem oder mehreren Elektromotoren variiert. Das Getriebe stellt auch Betriebsarten mit sechs festen Übersetzungen bereit, wodurch sechs unterschiedliche diskrete Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement verfügbar sind. Diskrete Übersetzungsverhältnisse stellen ein Mittel bereit, um in manchen Fällen elektrische Verluste zu vermindern. Das Getriebe ermöglicht es, dass eine maximale Leistung schneller für ein Überholen, Schleppen und Transportieren erreicht werden kann, und ermöglicht die Verwendung kleinerer elektrischer Bauteile mit Hochleistungs-Verbrennungsmotoren, die kostengünstig in die oben genannten Kleintransporter, Pickups, SUV usw. und anderen leichten Fahrzeugen eingesetzt werden können.
Somit stellt das Getriebe ein Mittel bereit, das in den meisten Fällen als elektrisch verstellbares Getriebe (EVT von electrically variable transmission) arbeitet, wobei der Verbrennungsmotor bei oder nahe bei einem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch (BSFC von brake specific fuel consumption) und/oder bei minimalen Emissionen betrieben wird, und stellen auch ein Mittel bereit, um in einer Betriebsart mit fester Übersetzung zu arbeiten, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn eine sehr hohe momentane Leistung verlangt wird (etwa wenn überholt wird) oder eine sehr geringe Leistung für eine lang anhaltende Dauer verlangt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen ist:
1 eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Compound-Split-Getriebes mit zwei Betriebsarten, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung ausführt; und
2 eine Wahrheitstabelle für feste Übersetzungsverhältnisse für das in 1 dargestellte Getriebe.
In 1 ist ein elektrisch verstellbares Getriebe 10 schematisch dargestellt. Das Getriebe 10 umfasst einen ersten, zweiten und dritten Planetenradsatz 14, 18, 22 mit jeweils einem ersten, zweiten und dritten Element. Genauer umfasst der erste Planetenradsatz 14 ein Sonnenrad 26, ein Hohlrad 30 und eine Planetenträgeranordnung 34. Der erste Planetenradsatz 14 ist zusammengesetzt, und somit lagert die Planetenträgeranordnung 34 drehbar einen ersten Satz Planetenräder 38A, die mit dem Sonnenrad 26 kämmen. Die Planetenträgeranordnung 34 lagert auch drehbar einen zweiten Satz Planetenräder 38B, die mit dem ersten Satz Planetenräder 38A und mit dem Hohlrad 30 kämmen.
Der zweite Planetenradsatz 18 umfasst ein Sonnenrad 40, ein Hohlrad 30 und eine Planetenträgeranordnung 48. Es ist anzumerken, dass das Hohlrad 30 sowohl dem ersten als auch den zweiten Planetenradsatz 14, 18 gemeinsam ist. Dementsprechend sind das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes 14 und das Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes 18 für eine Rotation als eine Einheit verbunden. Die Planetenträgeranordnung 48 lagert drehbar Planetenräder 52, die kämmend mit dem Hohlrad 30 und dem Sonnenrad 40 in Eingriff stehen. Die Planetenträgeranordnung 34 ist wirksam mit der Planetenträgeranordnung 48 für eine Rotation als eine Einheit mit dieser verbunden. Alternativ und innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung können die Planetenradsätze 14, 18 eine gemeinsame Trägeranordnung miteinander teilen, die die Planetenräder 38A, 38B und 52 drehbar lagert.
Der dritte Planetenradsatz 32 umfasst ein Sonnenrad 56, ein Hohlrad 60 und eine Planetenträgeranordnung 64. Die Planetenträgeranordnung lagert drehbar Planetenräder 68, die kämmend mit dem Hohlrad 60 und dem Sonnenrad 56 in Eingriff stehen. Es ist anzumerken, dass dort, wo in den Ansprüchen erste, zweite und dritte Elemente von Planetenradsätzen genannt werden, sich dies nicht notwendigerweise auf ein Element eines besonderen Typs bezieht; somit kann beispielsweise ein erstes Element irgendeines von einem Hohlrad, einem Sonnenrad oder einer Planetenträgeranordnung sein. Ähnlich können beispielsweise die jeweiligen ”ersten Elemente” von zwei Zahnradsätzen, wie es in den Ansprüchen verwendet wird, von der gleichen Art von Elementen sein oder auch nicht.
Das Getriebe 10 umfasst auch einen ersten Elektromotor/Generator 72 und einen zweiten Elektromotor/Generator 76. Eine elektrische Speichereinrichtung, wie eine Batterie 77, ist zum Zuführen von Strom zu den Motoren/Generatoren 72, 76, wenn in einer Motorantriebsbetriebsart gearbeitet wird, und zum Empfangen von Ladestrom von den Motoren/Generatoren 72, 76, wenn in einer Stromerzeugungsbetriebsart gearbeitet wird, vorgesehen. Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 78, die einen auf einem Mikroprozessor beruhenden Controller und eine geeignete Umrichterschaltung umfasst, koppelt die Batterie 77 mit den Motoren/Generatoren 72, 76 und steuert dieselben in Abhängigkeit von verschiedenen Eingangssignalen, die das Drehmomentanforderungssignal von dem Fahrer (nicht gezeigt) und das Abtriebswellendrehzahlsignal (nicht gezeigt) umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Motoren/Generatoren 72, 76 als Induktionsmaschinen ausgebildet, obwohl andere Ausgestaltungen ebenfalls möglich sind. Der erste Elektromotor/Generator 72 umfasst einen Stator 80, der starr an einem feststehenden Element, wie einem Getriebegehäuse 84, befestigt ist. Der erste Elektromotor/Generator 72 umfasst auch einen Rotor 88. Der Rotor 88 ist mit dem Sonnenrad 40 des zweiten Planetenradsatzes 18 für eine Rotation als eine Einheit mit dieser über ein Verbindungselement, wie eine Hohlwelle 92, verbunden.
Der zweite Elektromotor/Generator 76 umfasst einen Stator 96, der an dem Gehäuse 84 befestigt ist, und einen Rotor 100. Der Rotor 100 ist mit Sonnenrad 56 über ein Verbindungselement, wie eine Hohlwelle 104, für eine Rotation als eine Einheit mit diesem verbunden. Das Getriebe 10 umfasst auch ein Antriebselement, wie eine Antriebswelle 108. Die Antriebswelle 108 ist wirksam mit einem Verbrennungsmotor 110 verbunden, wie es Fachleute kennen. Die Antriebswelle 108 ist auch wirksam mit dem Hohlrad 30 für eine Rotation als eine Einheit mit diesem verbunden.
Die Planetenträgeranordnung 34 ist wirksam mit der Hauptwelle 112 für eine Drehung mit dieser verbunden. Das Sonnenrad 26 ist wirksam mit der Hohlwelle 116 verbunden. Die Planetenträgeranordnung 64 ist wirksam mit einem Abtriebselement, wie einer Abtriebswelle 120, für eine Rotation mit dieser verbunden. Die Antriebswelle 108, die Abtriebswelle 120, die Hohlwellen 92, 104, 116 und die Welle 112 sind um eine gemeinsame Achse A drehbar. Die Motoren/Generatoren 72, 76 und Planetenradsätze 14, 18, 22 sind koaxial um die Achse A ausgerichtet.
Das Getriebe 10 umfasst darüber hinaus mehrere selektiv einrückbare Drehmomentübertragungseinrichtungen oder Kupplungen C1–C6. Genauer ist Kupplung C1 eine Bremse, die ausgebildet ist, um das Hohlrad 60 selektiv mit dem Gehäuse 84 zu kuppeln. Kupplung C2 kuppelt die Welle 112 und die Planetenträgeranordnung 34 des ersten und zweiten Planetenradsatzes 14, 18 selektiv mit der Planetenträgeranordnung 64 des dritten Planetenradsatzes und dementsprechend mit der Abtriebswelle 120 für eine Rotation als eine Einheit. Kupplung C3 ist eine Bremse, die ausgebildet ist, um die Hohlwelle 104 und somit den Rotor 100 des zweiten Elektromotors/Generators 76 und das Sonnenrad 56 des dritten Planetenradsatzes 22 selektiv mit dem Gehäuse 84 zu kuppeln. Kupplung C4 ist ausgebildet, um die Hohlwelle 92 und somit den Rotor 88 und das Sonnenrad 40 selektiv mit der Hohlwelle 116 und dementsprechend mit dem Sonnenrad 26 für eine Rotation als eine Einheit zu kuppeln. Kupplung C5 ist ausgebildet, um die Hohlwelle 104 und somit den Rotor 100 und das Sonnenrad 56 selektiv mit der Hohlwelle 116 und dementsprechend mit dem Sonnenrad 26 für eine Rotation als eine Einheit zu kuppeln. Kupplung C6 ist eine Bremse, die ausgebildet ist, um die Hohlwelle 92 und somit den Rotor 88 des ersten Elektromotors/Generators 72 und das Sonnenrad 40 des zweiten Planetenradsatzes 18 selektiv mit dem Gehäuse 84 zu kuppeln.
Das Getriebe 10 ist ein elektromechanisches Compound-Split-Fahrzeuggetriebe mit zwei Betriebsarten. Mit anderen Worten empfängt das Abtriebselement 120 Leistung über zwei unterschiedliche Zahnradstränge innerhalb des Getriebes 10. Eine erste Betriebsart, oder ein erster Zahnradstrang, wird gewählt, wenn die Drehmomentübertragungseinrichtung C1 betätigt wird, um das äußere Zahnradelement 60 des dritten Planetenradsatzes 22 ”auf Masse zu legen” oder ”fahrzeugfest zu machen”. Eine zweite Betriebsart, oder ein zweiter Zahnradstrang, wird gewählt, wenn die Drehmomentübertragungseinrichtung C1 gelöst und gleichzeitig die Drehmomentübertragungseinrichtung C2 betätigt wird, um die Welle 112 mit dem Träger 64 des dritten Planetenradsatzes 22 zu verbinden. Die erste und die zweite Betriebsart zeichnen sich durch einen elektrisch verstellbaren Betrieb aus, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle mit der Drehzahl von Rotor 88 und/oder Rotor 100 variiert. Der Controller 78 ist derart ausgebildet, dass er die Drehzahl und das Drehmoment der Rotoren 88, 100 in der ersten und zweiten Betriebsart auf eine ähnliche Weise wie die steuert, die in der am 22. September 2004 eingereichten US 2005/0137042 A1 mit dem Titel ”Two-Mode, Compound-Split, Hybrid Electro-Mechanical Transmission Having Four Fixed Ratios” beschrieben ist.
Nach den 1 und 2 ist der Controller 78 derart ausgebildet, dass er das Einrücken der Drehmomentübertragungseinrichtungen C1–C6 steuert, um zusätzlich zu der ersten und zweiten Betriebsart eines elektrisch verstellbares Betriebes sechs diskrete, feste Übersetzungsverhältnisse zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle bereitzustellen. Genauer wird ein erstes festes Übersetzungsverhältnis zwischen der Antriebswelle 108 und der Abtriebswelle 120 erhalten, wenn die Kupplungen C1, C4 und C5 eingerückt sind und die Kupplungen C2, C3 und C6 ausgerückt sind. Ein zweites festes Übersetzungsverhältnis wird erhalten, wenn die Kupplungen C1, C5 und C6 eingerückt sind und die Kupplungen C2–C4 ausgerückt sind. Ein drittes festes Übersetzungsverhältnis wird erhalten, wenn die Kupplungen C1, C2 und C5 eingerückt sind und die Kupplungen C3, C4 und C6 ausgerückt sind. Ein viertes festes Übersetzungsverhältnis wird erhalten, wenn die Kupplungen C2, C5 und C6 eingerückt sind und die Kupplungen C1, C3 und C4 ausgerückt sind. Ein fünftes festes Übersetzungsverhältnis wird erhalten, wenn die Kupplungen C2, C4 und C5 eingerückt sind und die Kupplungen C1, C3 und C6 ausgerückt sind. Ein sechstes festes Übersetzungsverhältnis wird erhalten, wenn die Kupplungen C2, C3 und C5 eingerückt sind und die Kupplungen C1, C4 und C6 ausgerückt sind.
Darüber hinaus liefert ein Einrücken von C3 und C5, wenn der Verbrennungsmotor 110 der Antriebswelle Drehmoment zuführt, ein Mittel, um den Rotor 100 zu verriegeln, wodurch elektrische Verluste verhindert werden, wenn das von dem Motor 76 gelieferte Reaktionsdrehmoment hinreichend niedrig ist. Die Kupplung C3 bietet auch die Fähigkeit für ein festes Overdrive-Übersetzungsverhältnis, wenn sie gleichzeitig mit der Kupplung C2 angewandt wird. Wahlweise kann die Kupplung C3 auf der Verbindung der Trommel von C5 angeordnet sein, um das Sonnenrad 26 auf Masse zu legen, wodurch eine Reaktion zum Starten des Verbrennungsmotors zugelassen wird.
Die Kupplung C4 stellt ein Mittel zum Verriegeln der Motoren/Generatoren 72, 76 bei der gleichen Drehzahl bereit. Dies führt dazu, dass die Antriebswelle 108, der Motor/Generator 72 und der Motor/Generator 76 alle mit der gleichen Drehzahl arbeiten. Da sie verriegelt sind, kann die Antriebsleistung für das Getriebe die Summe aus dem Verbrennungsmotor 110, dem Motor/Generator 72 und dem Motor/Generator 76 sein, was zu einer sehr hohen Beschleunigungsfähigkeit führt. Das Getriebe 10 kann mit einer Antriebskupplung (nicht gezeigt) oder einem anderen Mittel ausgestattet sein, um den Verbrennungsmotor 10 und die Antriebswelle 108 selektiv zu trennen. Wenn der Verbrennungsmotor von der Antriebswelle getrennt ist, können die Kupplungen C4 und C5 angewandt werden, um ein Mittel zur Verwendung beider Motoren/Generatoren 72, 76 in einer elektrischen Betriebsart, d. h. mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor, bereitzustellen, und liefert eine Betriebsart zur Regeneration oder Energierückgewinnung, bei der beide Einheiten gleichermaßen die Leistung teilen. Dies kann bei langen Steigungen wesentlich sein, wo eine Verdopplung der Kühlfläche und eine Verringerung der Einheitsleistung erwünscht ist.
Das Getriebe kann als Reihengetriebe arbeiten, wenn die Kupplung C5 offen ist, wobei der Motor/Generator 72 mit dem Verbrennungsmotor 110 über die Planetenradsätze 14, 18 verbunden ist.
Eine zusätzliche Kupplung, nicht gezeigt, kann die Planetenträger 34, 48 auf Masse halten. Dies ist ein alternatives Mittel, um während des Startens eine Reaktion bereitzustellen. Eine Parkklinke 120 kann mit der Planetenträgeranordnung 64 verbunden sein.
Darüber hinaus könnte Kupplung C4 angewandt werden, und der Verbrennungsmotor 110 könnte durch den Motor/Generator 72 gestartet werden. In dieser Situation wird das Drehmoment des Motors/Generators 72 zu dem Verbrennungsmotor 110 ohne Übersetzungshebelarm gelenkt.
Bei der Bezugnahme auf den ersten, zweiten und dritten Zahnradsatz in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen können diese Sätze in den Zeichnungen in jeder Reihenfolge (d. h. von links nach rechts, von rechts nach links, usw.) mit ”erster” bis ”dritter” gezählt werden.
Zusammengefasst benutzt ein elektromechanisches Compound-Split-Getriebe mit zwei Betriebsarten ein Antriebselement, um Leistung von einem Verbrennungsmotor aufzunehmen, und ein Abtriebselement, um Leistung von dem Getriebe abzugeben. Ein erster und zweiter Motor/Generator sind wirksam mit einer Energiespeichereinrichtung über eine Steuerung verbunden, um elektrische Leistung mit der Speichereinrichtung auszutauschen. Das Getriebe wendet drei Planetenradsätze an, die mit mehreren Drehmomentübertragungseinrichtungen zusammenwirken, um zwei unterschiedliche Zahnradstränge oder Leistungswege bereitzustellen, die den beiden Betriebsarten eines elektrisch verstellbaren Betriebes entsprechen, bei denen das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement mit der Drehzahl von mindestens einem der Motoren/Generatoren variiert. Die Drehmomentübertragungseinrichtungen können selektiv eingerückt werden, um sechs diskrete feste Übersetzungsverhältnisse bereitzustellen.

Claims

Getriebe (10), umfassend: ein Antriebselement (108), ein Abtriebselement (120), ein feststehendes Element (84), einen ersten Planetenradsatz (14) mit einem ersten Hohlrad (30), einem ersten Sonnenrad (26) und einer ersten Planetenträgeranordnung (34), einen zweiten Planetenradsatz (18) mit einem zweiten Hohlrad (30), einem zweiten Sonnenrad (40) und einer zweiten Planetenträgeranordnung (48), einen dritten Planetenradsatz (22) mit einem dritten Hohlrad (60), einem dritten Sonnenrad (56) und einer dritten Planetenträgeranordnung (64), einen ersten Motor/Generator (72) mit einem ersten Rotor (88), einen zweiten Motor/Generator (76) mit einem zweiten Rotor (100), wobei das Antriebselement (108) mit dem ersten Hohlrad (30) zur Rotation mit diesem verbunden ist, das erste Hohlrad (30) und das zweite Hohlrad (30) miteinander für eine Rotation als eine Einheit verbunden sind, die erste Planetenträgeranordnung (34) mit der zweiten Planetenträgeranordnung (48) für eine Rotation als eine Einheit mit dieser verbunden ist, der erste Rotor (88) mit dem zweiten Sonnenrad (40) für eine Rotation als eine Einheit mit diesem verbunden ist, der zweite Rotor (100) mit dem dritten Sonnenrad (56) für eine Rotation als eine Einheit mit diesem verbunden ist, und die dritte Planetenträgeranordnung (64) mit dem Abtriebselement (120) für eine Rotation als eine Einheit mit diesem verbunden ist, eine erste Drehmomentübertragungseinrichtung (C1) in Form einer Bremse, die ausgebildet ist, um das dritte Hohlrad (60) selektiv mit dem feststehenden Element (84) zu verbinden, eine zweite Drehmomentübertragungseinrichtung (C2) in Form einer Kupplung, die ausgebildet ist, um die erste und zweite Planetenträgeranordnung (34, 48) selektiv mit der dritten Planetenträgeranordnung (64) für eine Rotation als eine Einheit zu verbinden, eine dritte Drehmomentübertragungseinrichtung (C3) in Form einer Bremse, die ausgebildet ist, um den zweiten Rotor (100) und das dritte Sonnenrad (56) selektiv mit dem feststehenden Element (84) zu verbinden, eine vierte Drehmomentübertragungseinrichtung (C4) in Form einer Kupplung, die ausgebildet ist, um den ersten Rotor (88) und das zweite Sonnenrad (40) selektiv mit dem ersten Sonnenrad (26) für eine Rotation als eine Einheit zu verbinden, eine fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung (C5) in Form einer Kupplung, die ausgebildet ist, um das erste Sonnenrad (26) selektiv mit dem zweiten Rotor (100) und dem dritten Sonnenrad (56) für eine gemeinsame Drehung zu verbinden, und eine sechste Drehmomentübertragungseinrichtung (C6) in Form einer Bremse, die ausgebildet ist, um den ersten Rotor (88) und das zweite Sonnenrad (40) selektiv mit dem feststehenden Element (84) zu verbinden.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Motor/Generator (72, 76) und der erste, zweite und dritte Planetenradsatz (14, 18, 22) koaxial sind.
Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Energiespeichereinrichtung (77), die wirksam mit dem ersten und zweiten Motor/Generator (72, 76) verbunden ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Controller (78), der ausgebildet ist, um die Motoren/Generatoren (72, 76) und die Drehmomentübertragungseinrichtungen (C1, C2, C3, C4, C5, C6) zu steuern, um zwei Betriebsarten bereitzustellen, in denen das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebselement (108) und dem Abtriebselement (120) mit der Drehzahl des ersten Rotors (88) oder des zweiten Rotors (100) variiert.
Getriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Controller (78) weiter ausgebildet ist, um die Drehmomentübertragungseinrichtungen (C1, C2, C3, C4, C5, C6) zu steuern, um sechs diskrete Vorwärts-Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Antriebselement (108) und dem Abtriebselement (120) bereitzustellen.