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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrisch verstellbare Getriebe
mit einem parallelen Leistungsfluss und einer einzigen elektrischen
Einheit.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Brennkraftmaschinen,
insbesondere jene von der Art mit hin- und hergehendem Kolben, treiben
gegenwärtig
die meisten Fahrzeuge an. Derartige Maschinen sind relativ effiziente,
kompakte, leichte und kostengünstige
Mechanismen, durch die hochkonzentrierte Energie in der Form von
Kraftstoff in nutzbare mechanische Leistung umgewandelt wird. Ein
neuartiges Getriebesystem, das mit Brennkraftmaschinen verwendet
werden kann und den Kraftstoffverbrauch und Emissionen vermindert, kann
für die
Bevölkerung
von großem
Nutzen sein.
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Die
breite Schwankung der Anforderungen, die Fahrzeuge typischerweise
an Brennkraftmaschinen stellen, erhöht den Kraftstoffverbrauch
und die Emissionen über
den Idealfall für
derartige Maschinen hinaus. Typischerweise wird ein Fahrzeug von einer
derartigen Maschine angetrieben, welche aus einem kalten Zustand
durch einen kleinen Elektromotor und relativ kleine elektrische
Speicherbatterien gestartet wird, und dann schnell unter die Lasten
von der Antriebs- und Nebenaggregatanlage gesetzt wird. Eine derartige
Maschine wird auch durch einen weiten Bereich von Drehzahlen und
einem weiten Bereich von Lasten typischerweise im Durchschnitt von
etwa einem Fünftel
seiner maximalen Ausgangsleistung betrieben.
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Ein
Fahrzeuggetriebe gibt typischerweise mechanische Leistung von einer
Maschine an den Rest eines Antriebssystems, wie einem festen Achsantriebsgetriebe,
Achsen und Räder,
ab. Ein typisches mechanisches Getriebe erlaubt eine gewisse Freiheit
bei dem Betrieb der Maschine, und zwar gewöhnlich durch alternative Auswahl
von fünf
oder sechs unterschiedlichen Antriebsverhältnissen, einer Neutralauswahl,
die zulässt,
dass die Maschine Nebenaggregate bei stehendem Fahrzeug betreiben kann,
und Kupplungen oder einem Drehmomentwandler für glatte Übergänge zwischen Antriebsübersetzungsverhältnissen
und um das Fahrzeug aus dem Stillstand bei drehender Maschine zu
starten. Die Getriebegangauswahl lässt typischerweise zu, dass
Leistung von der Maschine an den Rest des Antriebssystems mit einem
Verhältnis
von Drehmomentvervielfachung und Drehzahlreduktion, mit einem Verhältnis von
Drehmomentreduktion und Drehzahlvervielfachung, das als Overdrive
bekannt ist, oder mit einer Rückwärtsübersetzung
abgegeben wird.
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Ein
elektrischer Generator kann mechanische Leistung von der Maschine
in elektrische Leistung umwandeln, und ein Elektromotor kann diese elektrische
Leistung zurück
in mechanische Leistung mit unterschiedlichen Drehmomenten und Drehzahlen
für den
Rest des Fahrzeugantriebssystems umwandeln. Diese Anordnung erlaubt
eine stufenlose Verstellung in dem Verhältnis von Drehmoment und Drehzahl
zwischen der Maschine und dem Rest des Antriebssystems innerhalb
der Grenzen der elektrischen Maschinerie. Eine elektrische Speicherbatterie,
die als Leistungsquelle für
den Antrieb verwendet wird, kann dieser Anordnung hinzugefügt werden, wodurch
ein Reihenhybrid-Elektroantriebssystem gebildet wird.
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Das
Reihenhybridsystem lässt
zu, dass die Maschine mit einer gewissen Unabhängigkeit von dem Drehmoment,
der Drehzahl und der Leistung, die erforderlich sind, um das Fahrzeug
anzutreiben, arbeiten kann, so dass die Maschine für verbesserte Emissionen
und einen verbesserten Wirkungsgrad gesteuert werden kann. Dieses
System lässt
zu, dass die Elektromaschine der Brennkraftmaschine hinzugefügt wird,
so dass diese als Motor zum Anlassen der Brennkraftmaschine wirkt.
Dieses System lässt auch
zu, dass die Elektromaschine, die an dem Rest des Antriebsstrangs
angebracht ist, als Generator wirkt, wobei Energie aus dem Verlangsamen
des Fahrzeugs in der Batterie durch regeneratives Bremsen zurückgewonnen
wird. Ein Reihenelektroantrieb hat Probleme hinsichtlich des Gewichts
und der Kosten einer ausreichenden Elektromaschinerie, um die gesamte
Leistung der Brennkraftmaschine von mechanisch nach elektrisch in
dem Generator und von elektrisch nach mechanisch in dem Antriebsmotor umzuwandeln,
und bei dem Nutzenergieverlust bei diesen Umwandlungen.
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Ein
Getriebe mit Leistungsverzweigung kann einen so genannten "Differentialzahnradsatz" verwenden, um ein
stufenlos verstellbares Drehmoment- und Drehzahlverhältnis zwischen
dem Antrieb und dem Abtrieb zu erzielen. Ein elektrisch verstellbares
Getriebe kann einen Differentialzahnradsatz verwenden, um einen
Großteil
seiner übertragenen Leistung
durch ein Paar Elektromotoren/Generatoren zu übertragen. Der Rest seiner
Leistung fließt
durch einen anderen parallelen Weg, der vollständig mechanisch und direkt
mit einem festen Übersetzungsverhältnis oder
alternativ wählbar
ist.
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Eine
Form eines Differentialzahnradsatzes kann, wie Fachleuten bekannt
ist, einen Planetenradsatz bilden. Eine Planetenradanordnung ist
gewöhn lich
die bevorzugte Ausführungsform,
die bei Erfindungen mit Differentialzahnradsatz angewandt wird, mit
den Vorteilen einer Kompakteinheit und unterschiedlicher Drehmoment-
und Drehzahlverhältnisse zwischen
allen Elementen des Planetenradsatzes. Es ist jedoch möglich, diese
Erfindung ohne Planetenräder
aufzubauen, wie etwa durch die Verwendung von Kegelrädern oder
anderen Zahnrädern
in einer Anordnung, bei der die Drehgeschwindigkeit von mindestens
einem Element des Zahnradsatzes immer der gewichtete Mittelwert
von Drehzahlen der beiden anderen Elemente ist.
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Ein
Getriebesystem eines Hybridelektrofahrzeugs umfasst auch eine oder
mehrere elektrische Energiespeichereinrichtungen. Die typische Einrichtung
ist eine chemische elektrische Speicherbatterie, es können aber
auch kapazitive oder mechanische Einrichtungen, wie etwa ein elektrisch
angetriebenes Schwungrad, enthalten sein. Eine elektrische Energiespeicherung
lässt zu,
dass die mechanische Ausgangsleistung von dem Getriebesystem zu
dem Fahrzeug von der mechanischen Eingangsleistung von der Maschine
zu dem Getriebesystem variieren kann. Die Batterie oder andere Einrichtung
erlaubt auch, dass die Brennkraftmaschine mit dem Getriebesystem
startet, sowie ein regeneratives Fahrzeugbremsen.
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Ein
elektrisch verstellbares Getriebe in einem Fahrzeug kann einfach
mechanische Leistung von einem Brennkraftmaschineneingang zu einem Achsantriebausgang übertragen.
Dazu 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. Durch die
Verwendung der oben genannten elektrischen Speicherbatterie kann die
elektrische Leistung, die von einem Motor/Generator erzeugt wird,
größer oder
kleiner sein als die elektrische Leistung, die von dem anderen verbraucht
wird. Elektrische Leistung von der Batterie kann manchmal zulassen,
dass die Motoren/Generatoren als Motoren wirken, insbesondere um
die Brennkraftmaschine bei der Fahrzeugbeschleunigung zu unterstützen. Beide
Motoren können
manchmal als Generatoren wirken, um die Batterie wieder aufzuladen,
insbesondere beim regenerativen Bremsen des Fahrzeugs.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein kompaktes Parallel-Hybridgetriebe mit reduzierten Kosten,
das nur einen einzigen Motor/Generator aufweist, vorgesehen. Das
Getriebe benutzt eine reduzierte Anzahl von Komponenten, vorzugsweise
nur drei miteinander verbundene Elemente und vier Drehmomentübertragungsmechanismen,
um eine Rückwärtsdrehzahlbetriebsart
mit sieben Vorwärtsdrehzahlbetriebsarten
bereitzustellen. So wie dies hierin verwendet wird, ist eine "Betriebsart" ein besonderer Betriebszustand,
ob dieser nun einen kontinuierlichen Bereich von Drehzahlverhältnissen
oder nur ein einziges festes Drehzahlverhältnis einschließt, der
durch die Einrückung
eines besonderen Drehmomentübertragungsmechanismus oder
von besonderen Drehmomentübertragungsmechanismen
erzielt wird. Mindestens fünf
der Vorwärtsbetriebsarten
sind feste Drehzahlverhältnisse.
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Das
hybride elektromechanische Getriebe umfasst ein Antriebselement
zum Aufnehmen von Leistung von einer Leistungsquelle und ein Abtriebselement
zum Abgeben von Leistung von dem Getriebe. Es wird nur ein einziger
Motor/Generator verwendet. Eine Energiespeichereinrichtung wird
zum Austausch elektrischer Leistung mit dem Motor/Generator verwendet.
Es werden drei Planetenradsätze benutzt,
die jeweils ein erstes, zweites und drittes Element aufweisen. Der
erste, zweite und dritte Planetenradsatz sind vorzugsweise koaxial
ausgerichtet, und der Motor/Generator umgibt mindestens einen der
Planetenradsätze
kreisringförmig.
Ein erstes, zweites und drittes Verbindungselement verbindet jeweils
ein unterschiedliches Element von einem der Planetenradsätze ständig mit
einem anderen unterschiedlichen Element von einem anderen der Planetenradsätze. Vier
Drehmomentübertragungsmechanismen
können
selektiv alleine oder in Paaren eingerückt werden, um eine Rückwärtsbetriebsart,
die nur durch den Motor/Generator beaufschlagt wird, eine Ingangsetzungsbetriebsart,
die nur durch den Motor/Generator beaufschlagt wird, und mindestens
fünf Betriebsarten
mit festen Vorwärtsdrehzahlverhältnissen,
die durch die Leistungsquelle und wahlweise den Motor/Generator
mit Energie beaufschlagt werden, bereitzustellen. D.h. die vier
Drehmomentübertragungsmechanismen
sind betreibbar, um mindestens fünf
feste Vorwärtsdrehzahlverhältnisse
bereitzustellen, ob nun Leistung durch den Motor/Generator fließt oder
nicht.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist das erste Element des ersten Planetenradsatzes
ständig mit
dem Antriebselement verbunden. Das erste Element des dritten Planetenradsatzes
ist ständig
mit dem Abtriebselement verbunden. Das erste Verbindungselement
verbindet das zweite Element des ersten Planetenradsatzes ständig mit
dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes. Das zweite Verbindungselement
verbindet das dritte Element des ersten Planetenradsatzes ständig mit
dem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes. Das dritte Verbindungselement
verbindet das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes ständig mit dem
zweiten Element des dritten Planetenradsatzes. Die Verbindungselemente
sind vorzugsweise konzentrisch.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung ist eine Steuereinheit zum Regeln des
elektrischen Leistungsaustauschs zwischen der Energiespeichereinrichtung
und dem Motor/Generator vorgesehen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst das erste, zweite und dritte
Element von jedem der Planetenradsätze ein Hohlrad, ein Sonnenrad
und einen Träger.
Das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes ist ständig mit dem Antriebselement verbunden,
und der Träger
des dritten Planetenradsatzes ist ständig mit dem Abtriebselement
verbunden. Der Träger
des ersten Planetenradsatzes ist ständig mit dem Träger des
zweiten Planetenradsatzes über
das erste Verbindungselement verbunden. Das Sonnenrad des ersten
Planetenradsatzes ist ständig
mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes über das zweite Verbindungselement
verbunden. Das Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes ist ständig mit
dem Motor/Generator und ständig
mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes über das dritte Verbindungselement
verbunden.
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Gemäß noch einem
anderen Aspekt der Erfindung verbindet der erste Drehmomentübertragungsmechanismus
das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes selektiv mit dem Hohlrad
des zweiten Planetenradsatzes. Der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus
verbindet das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes selektiv mit
dem feststehenden Element. Der dritte Drehmomentübertragungsmechanismus verbindet
das Hohlrad des dritten Planetenradsatzes selektiv mit dem feststehenden
Element. Der vierte Drehmomentübertragungsmechanismus
verbindet die Träger
des ersten und zweiten Planetenradsatzes selektiv mit dem Träger des
dritten Planetenradsatzes.
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Dieses
Parallel-Hybridgetriebe mit einem einzigen Motor/Generator ergibt
niedrigere Gesamtgetriebekosten, da der zweite Motor/Generator nicht verwendet
wird und auch kein zweiter Strominverter notwendig ist, wie es typischerweise
für einen
zusätzlichen
Motor/Generator erforderlich ist. Zusätzlich fließt bei Normalfahrt während der
siebten Vorwärtsdrehzahlbetriebsart
keine Leistung (d.h. im Wesentlichen Null) durch den Mo tor/Generator,
jedoch liefert der Motor/Generator bei sehr niedriger Drehzahl signifikant
Drehmoment.
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Die
obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung
genommen mit den begleitenden Zeichnungen leicht deutlich werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Getriebes,
das einen einzigen Motor/Generator aufweist, welcher die Konzepte der
vorliegenden Erfindung verkörpert;
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1B ist
ein Schaubild, das verschiedene Betriebszustände des elektromechanischen
Getriebes von 1A darstellt;
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2 ist
eine grafische Darstellung der Drehzahl in Umdrehungen pro Minute
(U/min) des Motors/Generators sowie der Brennkraftmaschine und des
Abtriebselements relativ zu der Geschwindigkeit des Fahrzeugs in
Meilen pro Stunde (mph) während
transienter Zugbedingungen;
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3 ist
eine grafische Darstellung der Leistung (PS) des Motors/Generators,
der Brennkraftmaschine, der Energiespeichereinrichtung und des Abtriebselements
relativ zu der Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Meilen pro Stunde
(mph) während
transienter Zugbedingungen;
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4 ist
eine grafische Darstellung der Drehzahl in Umdrehungen pro Minute
(U/min) des Motors/Generators, der Brennkraftmaschine und des Abtriebselements
relativ zu der Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Meilen pro Stunde
(mph) während
Normalfahrbedingungen; und
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5 ist
eine grafische Darstellung der Leistung (PS) des Motors/Generators,
der Brennkraftmaschine und des Abtriebselements relativ zu der Geschwindigkeit
des Fahrzeugs in Meilen pro Stunde (mph) während Normalfahrbedingungen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
repräsentative
Form eines elektromechanischen Getriebes, das einen einzigen Motor/Generator
aufweist, welche die Konzepte der vorliegenden Erfindung verkörpert, ist
in 1A gezeigt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.
Das Hybridgetriebe 10 weist ein Antriebselement 17 auf,
das in der Natur einer Welle vorliegen kann, die direkt von einer
Brennkraftmaschine 12 angetrieben sein kann. Die Brennkraftmaschine 12 kann
eine Brennkraftmaschine für
fossilen Kraftstoff sein, wie etwa ein Verbrennungsmotor oder ein
Dieselmotor, der leicht angepasst werden kann, um seine verfügbare Ausgangsleistung
mit einer konstanten Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) abzugeben. Eine
Pumpe 18 kann von dem Antriebselement 17 angetrieben
werden, um überall
in dem Getriebe 10 Schmier- und Kühlfluid bereitzustellen. Leistung
fließt von
dem Antriebselement 17 durch das Getriebe 10, wie
es nachstehend beschrieben wird, um sie an ein Abtriebselement 19 zum
Antreiben des Achsantriebs 16 abzugeben.
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Das
Getriebe 10 umfasst einen ersten Planetenradsatz 20,
der ein Sonnenrad 22, ein Hohlrad 24, das das
Sonnenrad 22 umgibt, und eine Planetenträgeranordnung 26 umfasst,
die mehrere Planetenräder 27 aufweist,
die an einem Träger 29 drehbar montiert
sind und sowohl mit dem Hohlrad 24 als auch mit dem Sonnenrad 22 kämmend in
Eingriff stehen. Das Antriebselement 17 ist ständig mit
dem Hohlrad 24 verbunden, um diesem Leistung zu liefern.
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Das
Getriebe 10 umfasst darüber
hinaus einen zweiten Planetenradsatz 30, der ein Sonnenrad 32,
ein Hohlrad 34, das das Sonnenrad 32 umgibt, und
eine Planetenträgeranordnung 36 umfasst,
die mehrere Planetenräder 37 aufweist,
die an einem Träger 39 drehbar
montiert sind und sowohl mit dem Hohlrad 34 als auch mit
dem Sonnenrad 32 kämmend
in Eingriff stehen. Der Träger 29 ist
ständig
mit dem Träger 39 über ein
Verbindungselement 70 verbunden, das eine Verbindungswelle
ist. Das Sonnenrad 22 ist ständig mit dem Hohlrad 34 über ein
Verbindungselement 72 verbunden, das eine drehbare Hohlwelle
ist und konzentrisch um das Verbindungselement 70 herum
angeordnet ist.
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Darüber hinaus
umfasst das Getriebe 10 einen dritten Planetenradsatz 40,
der ein Sonnenrad 42, ein Hohlrad 44, das das
Sonnenrad 42 umgibt, und eine Planetenträgeranordnung 46 umfasst,
die mehrere Planetenräder 47 aufweist,
die drehbar an einem Träger 49 montiert
sind und kämmend
mit sowohl dem Hohlrad 44 als auch dem Sonnenrad 42 in Eingriff
stehen. Das Sonnenrad 32 ist ständig mit dem Sonnenrad 42 über ein
Verbindungselement 74 verbunden, das eine andere drehbare
Hohlwelle ist, die konzentrisch um das Verbindungselement 70 angeordnet
ist. Der Träger 49 ist
ständig
mit dem Abtriebselement 19 verbunden.
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Das
Antriebselement 17 und das Abtriebselement 19 sind
ausgerichtet, um dort hindurch eine Drehachse zu bilden. Ein einziger
Motor/Generator 80 (der hierin als elektrische Einheit
bezeichnet sein kann) ist konzentrisch um die gemeinsame Drehachse,
die durch das Antriebselement 17 und das Abtriebselement 19 gebildet
ist, zur Drehung um diese angeordnet. Wie es Fachleute verstehen
werden, umfasst der Motor/Generator 80 einen Stator, der
an einem feststehenden Element, wie etwa einem Getriebegehäuse 78,
befestigt ist, sowie einen drehbaren Rotor. Der Rotor des Motors/Generators 80 ist
an den Sonnenrädern 32 und 42 zur
gemeinsamen Drehung mit diesem über
eine Nabe 76 und ein Verbindungselement 74 befestigt.
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Wie
es aus der vorstehenden Beschreibung deutlich werden sollte, empfängt das
Getriebe 10 selektiv Leistung von der Brennkraftmaschine 12.
Das Hybridgetriebe kann auch Leistung von einer elektrischen Speichereinrichtung 84,
wie einem Batteriepaket, empfangen. Andere elektrische Speichereinrichtungen,
die die Fähigkeit
haben, elektrische Energie zu speichern und elektrische Leistung
abzugeben, können
anstelle des Batteriepakets verwendet werden, ohne die Konzepte
der vorliegenden Erfindung zu verändern. Das Batteriepaket 84 kann
eine oder mehrere Batterien umfassen. Die Ausgangsleistung des Batteriepakets 84 ist
für die
Erfindung nicht entscheidend, aber zu dem Zweck, ein klares Verständnis des
Hybridgetriebes 10 zu bewirken, wird eine Ausgangsleistung
von etwa 35 PS von dem Batteriepaket 84 für die Beschreibung
des Getriebes 10 angenommen. Das Batteriepaket 84 wird
abhängig
von Energierückgewinnungsanforderungen,
regionalen Gegebenheiten, wie etwa Steigung und Temperatur, und
anderen Anforderungen, wie etwa Emissionen, Hilfskraft und elektrischer
Bereich, bemessen werden.
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Das
Batteriepaket 84 kommuniziert mit einer elektrischen Steuereinheit
(ECU) 82 mit Übertragungsleitern 88A und 88B.
Die ECU 82 kommuniziert mit dem Motor/Generator 80 mit Übertragungsleitern 88C und 88D.
Zusätzlich
kommuniziert die ECU 82 mit anderen elektrischen Fahrzeugkomponenten 86, wie
etwa einer elektrischen Hilfskraftlenkung, einem elektrischen Leistungsbremssystem
usw., über Übertragungsleiter 88E und 88F.
Die maximalen elektrischen Leistungsanforderungen der anderen elektrischen
Komponenten 86 sind vorzugsweise derart, dass nicht mehr
als 1,47 kW (2 PS) erforderlich sind, um diese Komponenten mit Energie
zu beaufschlagen.
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Die
ECU 82 spricht auf eine Vielfalt von Eingangssignalen an,
die Fahrzeuggeschwindigkeit, Bedieneranforderung, das Niveau, bis
zu dem das Batteriepaket 84 aufgeladen ist, und die Leistung,
die von der Brennkraftmaschine 12 aufgebracht wird, an, um
den Leistungsfluss zwischen dem Motor/Generator 80 und
dem Batteriepaket 84 zu regeln. Die ECU 82 kann
den Motor/Generator 80 derart manipulieren, dass er entweder
als Motor oder als Generator wirkt. Die ECU 82 regelt auch
den Leistungsfluss über Übertragungsleiter 88G und 88H zwischen
dem Batteriepaket 84 und dem Motor/Generator 80 durch den
Wechselrichter 89, um Gleichstromleistung, die von dem
Batteriepaket 84 benutzt wird, und Wechselstromleistung,
die von dem Motor/Generator 80 benutzt wird und/oder von
diesem erzeugt wird, umzuwandeln.
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Ein
erster Drehmomentübertragungsmechanismus 60,
der ein Drehmomentübertragungsmechanismus
einer rotierenden Kupplung ist, verbindet das Hohlrad 24 selektiv
mit dem Sonnenrad 22 und auch mit dem Hohlrad 34 über das
Verbindungselement 72. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eingerückt ist,
rotieren somit das Hohlrad 24 und das Sonnenrad 22 mit
der gleichen Drehzahl, was bewirkt, dass der ge samte Planetenradsatz 20 mit
der Drehzahl des Antriebselements 17 rotiert. Ein zweiter
Drehmomentübertragungsmechanismus 62, der
eine Bremse ist, bringt das Sonnenrad 22 und das Hohlrad 34 selektiv
mit dem feststehenden Getriebegehäuse 78 in Eingriff.
Ein dritter Drehmomentübertragungsmechanismus 64,
der ebenfalls eine Bremse ist, bringt das Hohlrad 44 selektiv
mit dem Getriebegehäuse 78 in
Eingriff. Schließlich
bringt ein vierter Drehmomentübertragungsmechanismus 66, der
eine rotierende Kupplung ist, die Träger 29 und 39 selektiv
mit dem Träger 49 und
auch mit dem Abtriebselement 19 über das Verbindungselement 70 in Eingriff.
Der Eingriffsplan der Drehmomentübertragungsmechanismen 60, 62, 64 und 66 ist
in 1B angegeben. Wie es aus der Wahrheitstabelle
von 1B gesehen werden kann, werden von dem Getriebe 10 eine
batteriebeaufschlagte Rückwärtsbetriebsart,
eine erste batteriebeaufschlagte Vorwärtsbetriebsart sowie eine zweite,
dritte, vierte, fünfte, sechste
und siebte Vorwärtsdrehzahlverhältnisbetriebsart
bereitgestellt. Diese Drehzahlverhältnisse, die in 1B gezeigt
sind, sind lediglich beispielhaft und werden mit Zähneverhältniszählwerten
wie folgt erzielt. In dem Planetenradsatz 20 weist das
Hohlrad 24 91 Zähne
auf und das Sonnenrad 22 weist 35 Zähne auf; in dem Planetenradsatz 30 weist
das Hohlrad 34 91 Zähne
und das Sonnenrad 32 45 Zähne auf; und in dem Planetenradsatz 40 weist
das Hohlrad 44 91 Zähne
und das Sonnenrad 42 23 Zähne auf.
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Rückwärtsbetriebsart
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Um
eine Rückwärtsbetriebsart
mit einem Antrieb in der Rückwärtsrichtung
herzustellen, wird der Drehmomentübertragungsmechanismus 64 eingerückt, um
das Hohlrad 44 mit dem Getriebegehäuse 78 zu verbinden.
Die Brennkraftmaschine 12 kann in der Rückwärtsbetriebsart nicht benutzt
werden, da die Drehung des Antriebselements 17 notwendigerwei se
in der gleichen Drehrichtung wie die des Abtriebselements 19 in
dem Getriebe 10 erfolgt. Dementsprechend wirkt der Motor/Generator 80 als
Motor, um das Abtriebselement 19 in einer Rückwärtsrichtung
mit Energie zu beaufschlagen, wenn die Kupplung 64 eingerückt ist,
und die elektronische Steuereinheit 82 stellt durch einen
Bedienerbefehl fest, dass der Rückwärtsgang
angefordert wird. Die elektronische Steuereinheit 82 signalisiert
dem Batteriepaket 84, den Motor/Generator 80 über durch den
Inverter 89 entlang Übertragungsleiter 88G und 88H geführte, elektrische
Leistung mit Energie zu beaufschlagen. Unter der Annahme, dass eine
Drehrichtung des Abtriebselements 19 im Uhrzeigersinn in
der Lage ist, das Fahrzeug in der Vorwärtsrichtung mit Energie zu
beaufschlagen, wird dementsprechend der Motor/Generator mit Energie
beaufschlagt, um als Motor zu wirken, indem er in einer Richtung
im Gegenuhrzeigersinn rotiert, weshalb das Sonnenrad 42 in
der Richtung im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Da das Hohlrad 44 durch
die Bremse 64 feststehend gehalten wird, rotieren die Planetenräder 47 in
einer Richtung im Uhrzeigersinn, und der Träger 49, und somit
das Abtriebselement 19, rotiert in einer Richtung im Gegenuhrzeigersinn.
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In 2 sind
Betriebsdrehzahlen während beispielhafter
transienter Zugbedingungen dargestellt (d.h. Bedingungen, unter
denen das Fahrzeug starker Belastung oder Beschleunigung ausgesetzt ist).
Der Rückwärtsbetrieb
ist in dem Abschnitt des Graphen mit negativen Fahrzeuggeschwindigkeiten dargestellt.
Die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist durch die Kurve 90 dargestellt,
die Drehzahl der elektrischen Einheit ist durch die Kurve 92 dargestellt
und die Drehzahl des Getriebeabtriebselements ist durch die Kurve 94 dargestellt.
Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit negativ ist, rotieren die elektrische
Einheit und das Getriebeabtriebselement beide in der gleichen Richtung.
Die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist bei Kurve 90 gezeigt;
jedoch wird durch die Brennkraftmaschine 12 während der
Rückwärtsbetriebsart
keine Leistung aufgebracht.
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3 veranschaulicht
die Leistung von verschiedenen Komponenten während der transienten Zugbedingungen,
die zu den Drehzahlen von 2 führen. Die
Leistung in PS der Brennkraftmaschine ist durch Kurve 100 gezeigt,
die Leistung in PS der elektrischen Einheit 80 ist durch
Kurve 102 gezeigt, die Leistung in PS des Batteriepakets 84 ist
durch Kurve 104 gezeigt und die Leistung in PS am Getriebeabtriebselement 19 ist
durch Kurve 106 gezeigt. Wenn das Fahrzeug eine negative
Geschwindigkeit aufweist, ist die Leistung an dem Abtriebselement 19 gleich
der Leistung des Motors/Generators 80, und somit überlagern
sich die Kurven 102 und 106 in der Rückwärtsbetriebsart
(d.h. wenn die Fahrzeuggeschwindigkeiten negativ sind). Die Leistung
durch die Brennkraftmaschine 12, die bei Kurve 100 gezeigt
ist, beträgt
in diesem Bereich Null. Zusätzlich
liegt die Leistung durch die Batterie bei ihrem maximalen Niveau,
nämlich
35 PS.
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Betriebsart Ingangsetzen/erster
Vorwärtsgang
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Wenn
das Getriebe 10 verwendet wird, um das Fahrzeug in Gang
zu setzen, wird der Drehmomentübertragungsmechanismus 64 eingerückt, wie es
der Fall in der Rückwärtsbetriebsart
war. Der Motor/Generator 80 ist in der ersten/Ingangsetzungsbetriebsart
die Antriebsmaschine, die als Motor über Leistung wirkt, die von
dem Batteriepaket 84 unter der Steuerung der elektronischen
Steuereinheit 82 empfangen wird. Der Rotorabschnitt des
Motors/Generators wird gesteuert, um in einer Richtung im Uhrzeigersinn
zu rotieren, wodurch das Verbindungselement 74 und das
Sonnenrad 42 in einer Richtung im Uhrzeigersinn gedreht
werden. Da das Hohlrad 44 gebremst ist, werden der Träger 49 und
das Abtriebselement 19 mit dem oben besprochenen beispielhaften
Zähnezählwert in
einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder einer Vorwärtsdrehrichtung
zum Beaufschlagen des Achsantriebs 16 mit Energie angetrieben.
Die Brennkraftmaschine 12 kann benutzt werden, um während des
Ingangsetzens Leistung hinzuzufügen,
wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 60 mit
einem Schlupf eingerückt
wird (d.h. weniger als eine volle Einrückung), so dass der gesamte
Planetenradsatz 20 in die gleiche Richtung wie das Abtriebselement 17 rotiert,
um dadurch das Hohlrad 34 mit zusätzlicher Antriebsleistung zu
beaufschlagen.
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Die
Betriebseigenschaften der Getriebekomponenten, wie etwa der Brennkraftmaschine 12,
des Motors/Generators 80 und des Abtriebselements 19 in
der ersten Vorwärtsbetriebsart
sind in den 2 und 3 zwischen
der Y-Achse und der vertikalen Linie A für transiente Zugbedingungen
dargestellt. Die Betriebsdrehzahlen von verschiedenen Komponenten
während
kontinuierlicher Normalfahrbedingungen sind in den 4 und 5 dargestellt.
Die Drehzahl der Brennkraftmaschine 12 ist durch die Kurve 190 dargestellt,
die Drehzahl der elektrischen Einheit 80 ist durch die
Kurve 192 dargestellt und die Drehzahl des Getriebeabtriebselements 19 ist
durch Kurve 194 dargestellt. 5 veranschaulicht
die Leistung von verschiedenen Komponenten während kontinuierlicher Normalfahrbedingungen,
die zu den Drehzahlen von 4 führen. Die
Leistung in PS der Brennkraftmaschine 12 ist durch Kurve 200 gezeigt, die
Leistung in PS der elektrischen Einheit 80 ist durch Kurve 202 gezeigt
und die Leistung in PS am Getriebeabtriebselement 19 ist
durch Kurve 206 gezeigt. Die Betriebseigenschaften in der
ersten Vorwärtsbetriebsart
während
Normalfahrbedingungen liegen in beiden 4 und 5 zwischen
der Y-Achse und der vertikalen Linie A'. Unter transienten Zugbedingungen arbeitet
der Motor/Generator 80 für alle Vorwärtsfahrzeuggeschwindigkeiten
als Motor, um das Getriebe 10 mit zusätzlichem Drehmoment und zusätzlicher
Leistung zu beaufschlagen, wohingegen unter der kontinuierlichen
Nor malfahrbedingung der 4 und 5 der Motor/Generator 80 als
Generator arbeitet, um das Batteriepaket 84 oder andere
elektrische Fahrzeugkomponenten 86 mit Energie zu beaufschlagen.
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Zweite Vorwärtsbetriebsart
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Die
zweite Vorwärtsbetriebsart,
die in 1B angegeben ist, wird durch
die Einrückung
der Drehmomentübertragungsmechanismen 60 und 64 hergestellt
und stellt ein erstes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis her.
Ein "festes Drehzahlverhältnis" ist eine Betriebsbedingung,
bei der der Leistungseingang in das Getriebe mechanisch auf das
Abtriebselement übertragen
wird und in den Motoren/Generatoren kein Leistungsfluss notwendig
ist. Ein elektrisch verstellbares Getriebe, das feste Drehzahlverhältnisse
für den
Betrieb in der Nähe
der vollen Motorleistung selektiv erzielen kann, kann für eine gegebene maximale
Kapazität
kleiner und leichter sein. Ein Betrieb mit festem Verhältnis kann
zu einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch führen, wenn unter Bedingungen gearbeitet
wird, unter denen die Motordrehzahl sich ihrem Optimum annähern kann,
ohne die Motoren/Generatoren zu verwenden. Eine Vielfalt von festen
Drehzahlverhältnissen
und variablen Übersetzungsverhältnisspreizungen
kann realisiert werden, indem die Zähneverhältnisse der Planetenradsätze oder
Zahnradelemente in einem Getriebe geeignet gewählt werden.
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Der
Drehmomentübertragungsmechanismus 60 verbindet
das Antriebselement 17 und das Hohlrad 24 mit
dem Sonnenrad 22, und der Drehmomentübertragungsmechanismus 64 verbindet
das Hohlrad 44 mit dem Getriebegehäuse 78. Die Planetenradsätze 20 und 30 sowie
das Sonnenrad 42 rotieren mit der gleichen Drehzahl wie
das Antriebselement 17. Das Hohlrad 44 rotiert
nicht. Der Träger 49 rotiert
mit der gleichen Drehzahl wie das Abtriebselement 19. Der
Träger 49,
und somit das Abtriebs element 19, rotiert mit einer Drehzahl,
die von Drehzahl des Sonnenrads 42 und dem Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnis des
Planetenradsatzes 40 bestimmt wird. Die Betriebseigenschaften
der Getriebekomponenten in der zweiten Vorwärtsbetriebsart/dem ersten festen
Drehzahlverhältnis
sind in den 2 und 3 zwischen
den vertikalen Linien A und B für
transiente Zugbedingungen und in den 4 und 5 zwischen
den vertikalen Linien A' und
B' (für Normalfahrbedingungen)
gezeigt.
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Dritte Vorwärtsbetriebsart
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Eine
dritte Vorwärtsbetriebsart
wird mit der Einrückung
der Drehmomentübertragungsmechanismen 62 und 64 hergestellt
und führt
zu einem zweiten festen Vorwärtsdrehzahlverhältnis, wie
es in 1B angegeben ist. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 62 legt
das Sonnenrad 22 an dem Getriebegehäuse 78 fest, und der
Drehmomentübertragungsmechanismus 64 legt
das Hohlrad 44 an dem Getriebegehäuse 78 fest. Das Hohlrad 24 rotiert
mit der gleichen Drehzahl wie das Antriebselement 17. Die
Träger 29 und 39 rotieren
mit der gleichen Drehzahl. Das Sonnenrad 22, das Hohlrad 34 und
das Hohlrad 44 rotieren nicht. Der Träger 29 rotiert mit
einer Drehzahl, die von der Drehzahl des Hohlrads 24 und
dem Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 20 bestimmt
wird. Das Sonnenrad 32 rotiert mit der gleichen Drehzahl
wie das Sonnenrad 42. Das Sonnenrad 32 rotiert
mit einer Drehzahl, die von der Drehzahl des Trägers 39 und dem Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnis des
Planetenradsatzes 30 bestimmt wird. Der Träger 49 rotiert
mit der gleichen Drehzahl wie das Abtriebselement 19. Der
Träger 49,
und somit das Abtriebselement 19, rotiert mit einer Drehzahl,
die von der Drehzahl des Sonnenrads 42 und dem Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnis des
Planetenradsatzes 40 bestimmt wird. Die Betriebseigenschaften
der Getriebekomponenten in der dritten Vorwärtsbetriebsart sind in den 2 und 3 zwischen
den vertikalen Linien B und C für
transiente Zugbedingungen und in den 4 und 5 zwischen
den vertikalen Linien B' und
C' (für Normalfahrbedingungen)
gezeigt.
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Vierte Vorwärtsbetriebsart
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Eine
vierte Vorwärtsbetriebsart
wird mit der Einrückung
der Drehmomentübertragungsmechanismen 64 und 66 hergestellt
und führt
zu einem dritten festen Vorwärtsdrehzahlverhältnis, wie
es in 1B angegeben ist. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 64 legt
das Hohlrad 44 an dem Getriebegehäuse 78 fest, und der
Drehmomentübertragungsmechanismus 66 verbindet
die Träger 39 und 49 miteinander.
Das Hohlrad 24 rotiert mit der gleichen Drehzahl wie das
Antriebselement 17. Die Träger 29, 39 und 49 rotieren
mit der gleichen Drehzahl wie das Abtriebselement 19. Das
Sonnenrad 22 rotiert mit der gleichen Drehzahl wie das
Hohlrad 44. Der Träger 29,
und somit das Abtriebselement 19, rotiert mit einer Drehzahl,
die von der Drehzahl des Sonnenrads 22 und der Drehzahl
des Hohlrads 24 und dem Hohlrad/Sonnenrad-Zähnverhältnis des
Planetenradsatzes 20 bestimmt wird. Die Betriebseigenschaften
der Getriebekomponenten in der vierten Vorwärtsbetriebsart sind in den 2 und 3 zwischen
den vertikalen Linien C und D (für
transiente Zugbedingungen) und in den 4 und 5 zwischen
den vertikalen Linien C' und
D' (für Normalfahrbedingungen)
gezeigt.
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Fünfte Vorwärtsbetriebsart
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Eine
fünfte
Vorwärtsbetriebsart
wird mit der Einrückung
der Drehmomentübertragungsmechanismen 62 und 66 hergestellt
und stellt ein viertes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis her.
Der Drehmomentübertragungsmechanismus 62 verbindet
das Sonnenrad 22 mit dem Getriebege häuse 78, und der Drehmomentübertragungsmechanismus 66 verbindet
den Träger 39 mit
dem Träger 49.
Das Hohlrad 24 rotiert mit der gleichen Drehzahl wie das
Antriebselement 17. Die Träger 29, 39 und 49 rotieren
mit der gleichen Drehzahl wie das Abtriebselement 19. Das
Sonnenrad 22 rotiert nicht. Der Träger 29, und somit
das Abtriebselement 19, rotiert mit einer Drehzahl, die
von der Drehzahl des Hohlrads 24 und dem Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnis des
Planetenradsatzes 20 bestimmt wird. Die Betriebseigenschaften
der Getriebekomponenten in der fünften
Vorwärtsbetriebsart sind
in den 2 und 3 zwischen den vertikalen Linien
D und E (für
transiente Zugbedingungen) und in den 4 und 5 zwischen
den vertikalen Linien D' und
E' (für Normalfahrbedingungen)
gezeigt.
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Sechste Vorwärtsbetriebsart
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Eine
sechste Vorwärtsbetriebsart
wird mit der Einrückung
der Drehmomentübertragungsmechanismen 60 und 66 hergestellt
und führt
zu einem direkten Antriebsverhältnis
von 1,0 mit dem Antriebselement 17 und dem Abtriebselement 19 bei
der gleichen Drehzahl, wie es in 1B angegeben
ist. Dieses direkte Antriebsverhältnis
wird mit der Einrückung
der Drehmomentübertragungsmechanismen 60 und 66 hergestellt.
Der Drehmomentübertragungsmechanismus 60 verbindet
das Hohlrad 24 mit dem Sonnenrad 22, und der Drehmomentübertragungsmechanismus 66 verbindet
die Träger 39 und 49 miteinander.
Jeder der Planetenradsätze 20, 30 und 40 rotiert
mit der gleichen Drehzahl wie das Antriebselement 17. Die
Betriebseigenschaften der Getriebekomponenten in der sechsten Vorwärtsbetriebsart
sind in den 2 und 3 zwischen
den vertikalen Linien E und F (für
transiente Zugbedingungen) und in den 4 und 5 zwischen
den vertikalen Linien E' und
F' (für Normalfahrbedingungen)
gezeigt.
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Siebte Vorwärtsbetriebsart
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Eine
siebte Vorwärtsbetriebsart
wird mit der Einrückung
des Drehmomentübertragungsmechanismus 66 hergestellt.
Das Hohlrad 24 rotiert mit der gleichen Drehzahl wie das
Antriebselement 17. Die Träger 29, 39 und 49 sind
miteinander verbunden, um mit der gleichen Drehzahl wie das Abtriebselement 19 zu
rotieren. Das Sonnenrad 22 rotiert mit der gleichen Drehzahl
wie das Hohlrad 24. Der Träger 29, und somit
das Abtriebselement 19, rotiert mit einer Drehzahl, die
von der Drehzahl des Sonnenrads 22 und dem Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnis des
Planetenradsatzes 20 bestimmt wird. Die Betriebseigenschaften
der Getriebekomponenten in der siebten Betriebsart sind in den 2 und 3 rechts
von der vertikalen Linie F (für
transiente Zugbedingungen) und in den 4 und 5 rechts
von der vertikalen Linie F' (für Normalfahrbedingungen) gezeigt.
Wie es aus den 2 und 3 deutlich wird,
muss der Motor/Generator in eine Richtung entgegengesetzt zu der
der Maschine und des Abtriebselements 19 rotieren, damit
dieser in dem siebten Overdrive-Bereich als Motor arbeiten kann.
Er rotiert mit einer niedrigen Drehzahl, so dass sehr wenig Leistung
durch den Motor/Generator 80 hindurchgeht, aber signifikant
Drehmoment hinzugefügt
wird. Wenn der Motor/Generator 80 gesteuert wird, um in der
siebten Vorwärtsbetriebsart
als Motor zu wirken, fließt
Leistung von der Maschine 12 und dem Antriebselement 17 durch
das Hohlrad 24 und die kämmenden Planetenräder 27 zu
dem Träger 29.
Leistung fließt
von dem Träger 29 zu
beiden Trägern 39 und 49 über Verbindungselement 70.
Leistung, die zu dem Träger 49 fließt, wird
auf das Abtriebselement 19 übertragen. Leistung fließt von dem
Batteriepaket 84, um zu bewirken, dass der Motor/Generator 80 (und das
Verbindungselement 74) in einer entgegengesetzten Richtung
wie das Antriebselement 17 und das Abtriebselement 19 rotiert,
wodurch der Planetenradsatz 30 mit zusätzlicher Leistung beaufschlagt wird,
die durch das Sonnenrad 32, die Planetenräder 37 und
zu dem Hohlrad 34 fließt,
wo sie der Leistung hinzugefügt
wird, die von dem Planetenradsatz 20 an den Träger 39 abgegeben
wird. Diese Leistung zirkuliert dann zurück zu dem Planetenradsatz 20 über das
Verbindungselement 72, um der Leistung hinzugefügt zu werden,
die von dem Antriebselement 17 an den Träger 29 abgegeben
wird.
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Während eines
kontinuierlichen Betriebes, wie er in den 4 und 5 dargestellt
ist, in der siebten Vorwärtsbetriebsart
rotiert der Motor/Generator 80 langsam in der gleichen
Richtung wie die Brennkraftmaschine 12 und das Abtriebselement 19, da
der Motor/Generator als Generator arbeiten muss. Es geht nur eine
relativ kleine Menge elektrischer Leistung durch den Motor/Generator
und die Drehzahl des Motors/Generators ist niedrig, jedoch ist das Drehmoment
des Motors/Generators hoch. Wenn der Motor/Generator 80 gesteuert
wird, um in der siebten Vorwärtsbetriebsart
als Generator zu wirken, fließt Leistung
von der Brennkraftmaschine 12 und dem Antriebselement 17 durch
den ersten Planetenradsatz 20 zu beiden Trägern 39 und 49 und
zu dem Abtriebselement 19 auf die gleiche Weise, wie es
oben beschrieben wurde. Jedoch wird Leistung, die zu dem Träger 39 fließt, durch
den Planetenradsatz 30 aufgespalten, wobei ein Teil der
Leistung durch die Planetenräder 37 und
das Sonnenrad 32 fließt,
um den Motor/Generator 80 mit Energie zu beaufschlagen.
Leistung fließt
zu dem Batteriepaket 84 oder anderen elektrischen Komponenten 86,
um zu bewirken, dass der Motor/Generator 80 (und das Verbindungselement 74)
in der gleichen Richtung wie das Antriebselement 17 und
das Abtriebselement 19 rotieren. Der Rest der Leistung,
die zu dem Träger 39 fließt, zirkuliert
zurück
zu dem Planetenradsatz 20 über die Planetenräder 37,
das Hohlrad 34 und das Verbindungselement 72.
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Die
Leistung, die zu dem Planetenradsatz 20 zurück zirkuliert,
fließt
dann durch das Sonnenrad 22, die Planetenräder 27 und
den Träger 29.
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Wie
es in den 3 und 5 dargelegt
ist, ist die Leistung an dem Getriebeabtriebselement 19 in
jeder gegebenen Vorwärtsbetriebsart
kurz nach dem Schalten in diese Betriebsart am niedrigsten. Dieses "Durchhängen" der Leistung der
Brennkraftmaschine kann aufgefangen werden, indem der Motor/Generator 80 als
Motor betrieben wird, um Drehmoment und dadurch Leistung während der
Periode des Abfalls der Leistung der Brennkraftmaschine hinzuzufügen.
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Somit
liefert das Getriebe 10 Kraftstoffwirtschaftlichkeits-
und Emissionsvorteile, indem es eine elektrisch (über eine
Batterie) mit Energie beaufschlagte Rückwärts- und erste Vorwärtsbetriebsart benutzt,
während
dennoch fünf
feste Vorwärtsübersetzungsverhältnisse
und eine siebte Overdrive-Betriebsart bereitgestellt werden, in
denen der Motor/Generator 80 das Getriebe 10 mit
zusätzlicher Leistung
beaufschlagen kann, oder als Generator wirken kann, um die Energiespeichereinrichtung 84 wieder
aufzuladen, während
er bei sehr niedriger Drehzahl arbeitet.
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Obgleich
die besten Arten zum Ausführen der
Erfindung ausführlich
beschrieben worden sind, werden diejenigen, die mit der Technik,
die diese Erfindung betrifft, vertraut sind, verschiedene alternative
Konstruktionen und Ausführungsformen
zur praktischen Ausführung
der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.