DE102006044894A1

DE102006044894A1 - Elektrisch verstellbares Getriebe mit zwei Betriebsarten und gleichem Leistungsvermögen bei Vorwärts- und Rückwärtsbetriebsarten mit Eingangsverzweigung

Info

Publication number: DE102006044894A1
Application number: DE102006044894A
Authority: DE
Inventors: Donald Carmel Klemen; Michael R. Carmel Schmidt; Brendan M. Rochester Hills Conlon
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-23
Also published as: DE102006044894B4

Abstract

Ein elektrisch verstellbares Getriebe umfasst eine Leistungsquelle, drei Differenzialzahnradsätze, einen ersten und zweiten Motor/Generator, die jeweils mit mindestens einem der Zahnradsätze verbunden sind, und Drehmomentübertragungsmechanismen. Ein Antriebselement überträgt Leistung von der Leistungsquelle durch die Differenzialzahnradsätze auf ein Abtriebselement. Die Drehmomentübertragungsmechanismen können selektiv eingerückt werden, um eine erste elektrisch verstellbare Betriebsart mit Eingangsverzweigung und gleichen Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahlverhältnissen für gegebene Antriebsdrehzahlen und eine zweite elektrisch verstellbare Betriebsart mit Verbund-Leistungsverzweigung bereitzustellen. Drehmoment, das von der Leistungsquelle bereitgestellt wird, wird Drehmoment, das von dem zweiten Motor/Generator bereitgestellt wird, in beiden elektrisch verstellbaren Vorwärts- und Rückwärtsbetriebsarten hinzugefügt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrisch verstellbare Getriebe mit einem selektiven Betrieb sowohl in Bereichen mit variablem Drehzahlverhältnis und Leistungsverzweigung als auch in festen Drehzahlverhältnissen, die drei Planetenradsätze, zwei Motoren/Generatoren und mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen aufweisen, um gleiche Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahlbereiche zu erreichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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.
Die breite Schwankung der Anforderungen, die Fahrzeuge typischerweise an Brennkraftmaschinen stellen, erhöht den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen über den Idealfall für derartige Maschinen hinaus. Typischer weise wird ein Fahrzeug von einer derartigen Maschine angetrieben, die aus einem kalten Zustand durch einen kleinen Elektromotor und relativ kleine elektrische Speicherbatterien gestartet 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 und typischerweise mit einem Durchschnitt von etwa einem Fünftel ihrer maximalen Ausgangsleistung betrieben.
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 Antriebsübersetzungsverhältnissen, einer Neutralauswahl, die zulässt, dass die Maschine bei stehendem Fahrzeug Nebenaggregate 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 einem Rückwärtsübersetzungsverhältnis abgegeben wird.
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 Fahrzeugantriebssys tems 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.
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 auf verbesserte Emissionen und einen verbesserten Wirkungsgrad gesteuert werden kann. Dieses System lässt zu, dass der Elektromotor, der der Maschine hinzugefügt ist, als Motor zum Anlassen der Maschine wirken kann. Dieses System lässt auch zu, dass der Elektromotor, der 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 in elektrisch in dem Generator und von elektrisch in mechanisch in dem Antriebsmotor umzuwandeln, und an dem Nutzenergieverlust bei diesen Umwandlungen.
Ein Getriebe mit Leistungsverzweigung (power-split) 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 Bruchteil seiner übertragenen Leistung durch ein Paar Elektromotoren/Generatoren zu schicken. Der Rest seiner Leistung fließt durch einen anderen parallelen Weg, der vollständig mechanisch und direkt mit einem festen Übersetzungsverhältnis oder alternativ wählbar ist.
Ein Planetenradsatz kann, wie Fachleuten bekannt ist, eine Form eines Differentialzahnradsatzes bilden. Eine Planetenradanordnung ist gewöhnlich die bevorzugte Ausführungsform, die bei Erfindungen mit Differentialzahnradsatz angewandt wird, mit den Vorteilen einer Kompaktheit 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 eines Zahnradsatzes immer ein gewichteter Mittelwert von Drehzahlen der beiden anderen Elemente ist.
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. Ein elektrischer Energiespeicher lässt zu, dass die mechanische Ausgangsleistung von dem Getriebesystem zu dem Fahrzeug von der mechanischen Eingangsleistung von der Maschine zu dem Getriebesystem abweichen kann. Die Batterie oder andere Einrichtung erlaubt zudem ein Starten der Brennkraftmaschine mit dem Getriebesystem, sowie ein regeneratives Fahrzeugbremsen.
Ein elektrisch verstellbares Getriebe in einem Fahrzeug kann einfach mechanische Leistung von einem Brennkraftmaschineneingang zu einem Achsantriebsausgang 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 beide 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.
Ein erfolgreicher Ersatz für das Reihenhybridgetriebe ist das elektrisch verstellbare Getriebe mit zwei Bereichen, Eingangsverzweigung und Verbundverzweigung (two-range, input-split and compound-split electrically variable transmission), das nun für Linienbusse hergestellt wird, wie es in U.S. Patent Nummer 5,931,757 , erteilt am 3. August 1999 für Michael R. Schmidt, offenbart ist, das gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde und dessen Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist. Ein derartiges Getriebe benutzt ein Antriebsmittel, um Leistung von der Fahrzeugmaschine aufzunehmen, und ein Leistungsausgabemittel, um Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs abzugeben. Ein erster und zweiter Motor/Generator sind mit einer Energiespeichereinrichtung, wie einer Batterie, 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 der Energiespeichereinrichtung und dem Motor/Generator sowie zwischen dem ersten und zweiten Motor/Generator.
Ein Betrieb in der ersten oder zweiten Betriebsart mit variablem Drehzahlverhältnis kann selektiv unter Verwendung von Kupplungen in der Natur einer ersten und zweiten Drehmomentübertragungseinrichtung erzielt werden. In der ersten Betriebsart wird ein Drehzahlverhältnisbereich mit Eingangsleistungsverzweigung durch Einrücken der ersten Kupplung gebildet, und die Abtriebsdrehzahl des Getriebes ist proportional zur Drehzahl von einem Motor/Generator. In der zweiten Betriebsart wird ein Drehzahlverhältnisbereich mit Verbundleistungsverzweigung durch das Einrücken der zweiten Kupplung gebildet, und die Abtriebsdrehzahl des Getriebes ist nicht proportional zu den Drehzahlen von einem der Motoren/Generatoren sondern ist eine algebraische lineare Kombination der Drehzahlen der beiden Motoren/Generatoren. Ein Betrieb mit einem festen Getriebedrehzahlverhältnis kann selektiv durch Einrücken beider Kupplungen erreicht werden. Ein Betrieb des Getriebes in einer neutralen Betriebsart kann selektiv durch Lösen beider Kupplungen und Entkoppeln der Maschine und beider Elektromotoren/Generatoren von dem Getriebeabtrieb erreicht werden. Das Getriebe umfasst mindestens einen mechanischen Punkt in seiner ersten Betriebsart und mindestens zwei mechanische Punkte in seiner zweiten Betriebsart.
U.S, Patent Nr. 6,527,658 , das am 4. März 2003 für Holmes et al. erteilt wurde, gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde und dessen Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist, offenbart ein elektrisch verstellbares Getriebe, das zwei Planetenradsätze, zwei Motoren/Generatoren und zwei Kupplungen benutzt, um Eingangsverzweigungs-(input-split), Verbundverzweigungs-(compund-split), Neutral- und Rückwärtsbetriebsarten bereitzustellen. Beide Planetenradsätze können einfach sein oder einer kann einzeln zusammengesetzt sein. Ein elektrisches Steuerelement reguliert den Leistungsfluss zwischen einer Energiespeichereinrichtung und den beiden Mo toren/Generatoren. Dieses Getriebe bietet zwei Bereiche oder Betriebsarten eines elektrisch verstellbaren Getriebebetriebes (EVT), indem es selektiv einen Drehzahlverhältnisbereich mit Eingangsleistungsverzweigung und einen Drehzahlverhältnisbereich mit Verbundleistungsverzweigung bereitstellt. Es kann auch selektiv ein festes Drehzahlverhältnis erreicht werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein elektrisch verstellbares Getriebe bereit, das mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen automatischen Getrieben zur Verwendung in Hybridfahrzeugen bietet, die ein verbessertes Fahrzeugbeschleunigungsleistungsvermögen, eine verbesserte Anfahrfähigkeit und eine erweiterte Rückwärtsleistungsfähigkeit umfassen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den bestmöglichen Energiewirkungsgrad und die bestmöglichen Emissionen für eine gegebene Maschine bereitzustellen. Zusätzlich werden eine optimale Leistungsfähigkeit, eine optimale Kapazität, eine optimale Packungsgröße und eine optimale Übersetzungsverhältnisabdeckung für das Getriebe angestrebt.
Das elektrisch verstellbare Getriebe der vorliegenden Erfindung stellt einen ersten, zweiten und dritten Differenzialzahnradsatz, zwei Elektromotoren, die austauschbar als Motoren oder Generatoren dienen, und mehrere wählbare Drehmomentübertragungsmechanismen bereit. Die Differenzialzahnradsätze sind vorzugsweise Planetenradsätze, es können aber andere Zahnradanordnungen eingesetzt werden, wie etwa Kegelräder oder Differenzialrädersätze an einer versetzten Achse. Die Drehmomentübertragungsmechanismen können selektiv eingerückt werden, um eine erste elektrisch verstellbare Betriebsart mit Eingangsverzweigung bereitzustellen, die einen Vorwärts- und Rückwärtsbereich von Drehzahlverhältnissen aufweist. Die Vorwärts- und Rückwärtsbereiche weisen gleiche Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahlverhältnisse (d.h. bei einer gegebenen Maschinendrehzahl, einer gegebenen ersten Motor/Generator-Betriebsart und einer gegebenen zweiten Motor/Generator-Betriebsart, wobei das Vorwärtsdrehzahlverhältnis gleich dem Rückwärtsdrehzahlverhältnis (obwohl in entgegengesetzter Richtung) ist) auf. Es sind auch im Wesentlichen gleiche feste Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahlverhältnisse erreichbar. Der erste Zahnradsatz ist zwischen das Antriebselement und den zweiten Motor/Generator auf eine Weise geschaltet, die es ermöglicht, das ein Verbindungselement zwischen dem zweiten Motor/Generator und einem der anderen Zahnradsätze in der gleichen Richtung wie das Antriebselement rotieren kann. Dies stellt sicher, dass Drehmoment von der Leistungsquelle dem Drehmoment, das von dem zweiten Motor/Generator geliefert wird, an dem Abtriebselement hinzugefügt wird.
In dieser Beschreibung können der erste, zweite und dritte Planetenradsatz von links nach rechts oder von rechts nach links gezählt sein.
Jeder der Planetenradsätze weist drei Elemente auf. Das erste, zweite oder dritte Element jedes Planetenradsatzes kann irgendeines von einem Sonnenrad, einem Hohlrad oder einem Träger einer Planetenträgeranordnung sein.
Jeder Träger kann abhängig von dem gewünschten Übersetzungsverhältnis jedes Zahnradsatzes entweder ein Einzelplanetenradträger (einfach) oder ein Doppelplanetenradträger (zusammengesetzt) sein.
Ein Antriebselement ist ständig mit einem Element von einem der Zahnradsätze, vorzugsweise mit einem ersten Element des ersten Planetenradsatzes, verbunden. Das Abtriebselement ist ständig mit einem anderen Element von einem der Zahnradsätze, vorzugsweise mit einem Element des zweiten oder dritten Planetenradsatzes, verbunden.
Ein Verbindungselement verbindet vorzugsweise ein Element des zweiten Planetenradsatzes ständig mit einem Element des dritten Planetenradsatzes.
Der erste Motor/Generator ist an dem Getriebegehäuse (oder Masse) montiert und ständig mit einem Element des ersten Planetenradsatzes, vorzugsweise dem zweiten Element, verbunden.
Der zweite Motor/Generator ist an dem Getriebegehäuse montiert und ständig mit einem Element des dritten Planetenradsatzes, vorzugsweise dem dritten Element, verbunden.
Die wählbaren Drehmomentübertragungseinrichtungen werden einzeln oder in Kombinationen von zweien oder dreien eingerückt, um ein EVT mit einem stufenlos verstellbaren Bereich von Drehzahlen (einschließlich rückwärts) und bis zu sechs mechanisch festen Vorwärtsdrehzahlverhältnissen zu ergeben. Ein "festes Drehzahlverhältnis" ist eine Betriebsbedingung, in der die mechanische Antriebsleistung in das Getriebe mechanisch auf den Abtrieb übertragen wird und in den Motoren/Generatoren kein Leistungsfluss notwendig ist (d.h. beinahe null beträgt). Ein elektrisch verstellbares Getriebe, das selektiv mehrere feste Drehzahlverhältnisse für einen Betrieb in der Nähe voller Maschinenleistung erzielen kann, kann für eine gegebene maximale Kapazität kleiner und leichter sein. Ein Betrieb mit festem Übersetzungsverhältnis kann auch zu einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch führen, wenn unter Bedingungen gearbeitet wird, unter denen die Maschinendrehzahl sich ihrem Optimum nähern kann, ohne die Motoren/Generatoren zu verwenden. Eine Vielfalt von fes ten Drehzahlverhältnissen und variablen Verhältnisübersetzungsspreizungen kann durch geeignetes Wählen der Zähneverhältnisse der Planetenradsätze realisiert werden.
Jede Ausführungsform des hierin offenbarten elektrisch verstellbaren Getriebes weist eine Architektur auf, in der weder der Getriebeantrieb noch der Getriebeabtrieb direkt mit einem Motor/Generator verbunden ist. Dies erlaubt eine Verringerung der Größe und Kosten der Elektromotoren/Generatoren, die erforderlich sind, um das gewünschte Fahrzeugleistungsvermögen zu erzielen.
Ein erster, zweiter, dritter (und optional ein vierter, fünfter und sechster) der Drehmomentübertragungsmechanismen und der erste und zweite Motor/Generator sind betreibbar, um in dem elektrisch verstellbaren Getriebe verschiedene Betriebszustände bereitzustellen, die Energiespeicher-Vorwärts-und-Rückwärtsantriebszustände (d.h. eine "Batterie-Betriebsart"), eine EVT-Betriebsart Rückwärts mit Eingangsverzweigung, ein festes Übersetzungsverhältnis Rückwärts und eine erste EVT-Betriebsart Vorwärts mit Eingangsverzweigung (Betriebsart I) und eine zweite Betriebsart Verbundverzweigung (Betriebsart II), wobei sowohl die Betriebsart I als auch Betriebsart II stufenlos verstellbare Bereiche, einen Vorwärtszustand mit festem Übersetzungsverhältnis mit einem Drehzahlverhältnis von Antrieb zu Abtrieb nahezu gleich dem festen Rückwärtszustand und mehrere andere Vorwärtszustände mit festem Übersetzungsverhältnis umfassen. Die Drehzahl- oder Drehmomentverhältnisse des Abtriebselements/Antriebselements oder des anwendbaren Motor/Generators für das Abtriebselement für gegebene Antriebsdrehzahlen in EVT Rückwärts, Batterie Rückwärts, Fest Rückwärts, Fest Vorwärts Anfahren und EVT Vorwärts Anfahren sind im Wesentlichen äquivalent. Die Betriebsarten EVT Vorwärts und Rückwärts Anfahren sind Betriebsarten mit Eingangs verzweigung. Es ist auch eine zweite elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsart mit Verbundverzweigung vorgesehen.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung in Verbindung genommen mit den begleitenden Zeichnungen leicht deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs, der eine erste Ausführungsform eines elektrisch verstellbaren Getriebes der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 ist ein Schaubild von Komponentendrehzahlen über Abtriebsdrehzahl von verschiedenen Komponenten des Antriebsstrangs von 1;
3 ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs, der eine zweite Ausführungsform eines elektrisch verstellbaren Getriebes der vorliegenden Erfindung umfasst; und
4 ist ein Schaubild von Komponentendrehzahlen über Abtriebsdrehzahl von verschiedenen Komponenten des Getriebes von 3;
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf ähnliche Komponenten beziehen, zeigt 1 den Antriebsstrang 10, der eine Ma schine 12 umfasst, die mit einer Ausführungsform eines elektrisch verstellbaren Getriebes (EVT) verbunden ist, das allgemein mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet ist. Das Getriebe 14 ist konstruiert, um mindestens einen Teil seiner Antriebsleistung von der Maschine 12 zu empfangen. Die Maschine 12 weist eine Abtriebswelle auf, die als das Antriebselement 17 des Getriebes 14 dient. Ein Dämpfer für transientes Drehmoment (nicht gezeigt) kann ebenfalls zwischen der Maschine 12 und dem Antriebselement 17 des Getriebes 14 eingesetzt werden.
In der gezeigten Ausführungsform kann die Maschine 12 eine Maschine für fossilen Brennstoff sein, wie etwa ein Dieselmotor, der leicht angepasst werden kann, um seine verfügbare Ausgangsleistung typischerweise mit einer konstanten Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) abzugeben.
Ungeachtet des Mittels, durch das die Maschine 12 mit dem Getriebeantriebselement 17 verbunden ist, ist das Getriebeantriebselement 17 mit einem ersten Knoten 20 verbunden. Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist ein „Knoten" eine Verbindungsstelle von drei oder mehr Leistungswegen, durch die Leistung zwischen oder unter den Leistungswegen verteilt werden kann. Beispielsweise kann ein Knoten Leistung von einem Leistungsweg empfangen und die Leistung zwischen oder unter zwei separaten Leistungswegen verteilen. Ähnlich kann ein Knoten Leistung von zwei Leistungswegen empfangen und die Leistung auf einen dritten Leistungsweg übertragen. In 1 wirkt Planetenradsatz 20 als dieser Leistungsverteilungsknoten. Beispiele von Einrichtungen, die als Knoten fungieren können, umfassen einen Planetenradsatz mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad und einer Planetenträgeranordnung, eine Doppelwegkupplung, ein Differenzial, einen Ravigneaux-Zahnradsatz usw. Leistungswege können Antriebswellen, Abtriebswellen, Elektromotoren/Ge neratoren, drehbare Verbindungselemente usw. umfassen. Das vorliegende Getriebe 14 umfasst auch einen zweiten Knoten 30 sowie einen dritten Knoten 40. Innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung sind die Knoten 20, 30, 40 vorzugsweise Planetenradsätze. Entsprechend kann sich der Rest der Beschreibung auf die Knoten in der Form von Planetenradsätzen beziehen.
Der Planetenradsatz 20 wendet ein äußeres Zahnradelement 24 an, das typischerweise als Hohlrad bezeichnet wird. Das Hohlrad 24 umgibt ein inneres Zahnradelement 22, das typischerweise als Sonnenrad bezeichnet wird. Eine Planetenträgeranordnung 26 umfasst einen Träger 29, der mehrere Planetenräder 27 drehbar lagert, so dass jedes Planetenrad 27 kämmend mit sowohl dem Hohlrad 24 als auch dem Sonnenrad 22 des ersten Planetenradsatzes 20 in Eingriff steht. Das Antriebselement 17 ist an dem Träger 29 des Planetenradsatzes 20 befestigt.
Der Planetenradsatz 30 weist auch ein äußeres Zahnradelement 34 auf, das auch häufig als Hohlrad bezeichnet wird, welches ein inneres Zahnradelement 32 umgibt, das auch häufig als Sonnenrad bezeichnet wird. Mehrere Planetenräder 37 sind auch drehbar an einem Träger 39 einer Planetenträgeranordnung 36 montiert, so dass jedes Planetenrad 37 gleichzeitig und kämmend mit sowohl dem Hohlrad 34 als auch dem Sonnenrad 32 des Planetenradsatzes 30 in Eingriff steht.
Der Planetenradsatz 40 weist auch ein äußeres Zahnradelement 44 auf, das auch häufig als Hohlrad bezeichnet wird, welches ein inneres Zahnradelement 42 umgibt, das auch häufig als Sonnenrad bezeichnet wird. Mehrere Planetenräder 47 sind auch drehbar an einem Träger 49 einer Planetenträgeranordnung 46 montiert, so dass jedes Planetenrad 47 gleichzeitig und kämmend mit sowohl dem Hohlrad 44 als auch dem Sonnenrad 42 des Planetenradsatzes 40 in Eingriff steht.
Ein Verbindungselement 70 verbindet das Sonnenrad 32 ständig mit dem Sonnenrad 42. Zusätzlich verbindet Verbindungselement 72 das Hohlrad 34 ständig mit dem Planetenträger 49.
Das Getriebe 14 umfasst auch einen ersten und einen zweiten Motor/Generator 80 bzw. 82. Die Motoren/Generatoren 80, 82 werden auch als Einheit A und Einheit B bezeichnet. Die Statoren 80a, 82a der jeweiligen Motoren/Generatoren 80, 82 sind an dem Getriebegehäuse 60 befestigt. Der Rotor 80b von Einheit A ist an dem Sonnenrad 22 befestigt. Der Rotor 82b von Einheit B 82 ist an dem Hohlrad 44 über Verbindungselement 71 befestigt. Der Planetenradsatz 20 ist derart konstruiert (über Zahnradzähnezahlen und eine Verbindung der Maschine 12 mit der Planetenträgeranordnung 26) und die Einheit B 82 ist derart gesteuert, dass das Verbindungselement 71 in der gleichen Richtung wie die Maschine 12 rotiert. Das Abtriebselement 19 ist an dem Träger 39 befestigt.
Das Aufbringen (d.h. die Einrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus (Bremse) 50, die schematisch als MI F gezeigt ist, verbindet ein Element des Planetenradsatzes 40 (Sonnenrad 42) mit einem feststehenden Getriebegehäuse 60, das, wie es nachstehend besprochen wird, ein Vorwärtsübersetzungsverhältnis ermöglicht, indem bewirkt wird, dass ein Abtriebselement 19 in einer Richtung dreht, die den Achsantrieb 16 und ein Fahrzeug in einer Vorwärtsfahrrichtung antreibt. Ähnlich bringt das Einrücken des Drehmomentübertragungsmechanismus (Bremse 52), die schematisch als MI R gezeigt ist, ein Element des dritten Planetenradsatzes 40 (Planetenträgeranordnung 46) mit dem Getriebegehäuse 60 in Eingriff, um dadurch zu bewirken, dass das Abtriebselement 19 in einer entgegengesetzten Richtung rotiert, die zu einer Rückwärtsrichtung des Abtriebselements 19 und Achsantriebs 16 führt, was eine Rückwärtsrichtung des Fahrzeuges hervorruft. Insbesondere wenn sowohl Bremse 50 als auch Bremse 52 gleichzeitig eingerückt sind, werden beide Planetenradsätze 30 und 40 von dem Getriebegehäuse 60 feststehend gehalten. Wenn somit ein Fahrzeug an einer Steigung angehalten hat, wird das Einrücken beider Bremsen 50 und 52 zulassen, dass das Getriebegehäuse 60 ein Reaktionsdrehmoment bereitstellt, um eine Rollbewegung zu verhindern, wenn Drehmoment (aufgrund von Schwerkraft) auf das Abtriebselement aufgebracht wird. Da keiner der Motoren/Generatoren verwendet wird, um diese Bremsfunktion durchzuführen, ist die elektrische Belastung vermindert.
Es ist auch anzumerken, dass man sich auf eine "Betriebsart" bezieht, wenn das Verhältnis von Antrieb und Abtrieb durch die Drehzahlen der Einheiten A und B gesteuert wird, wohingegen "Verhältnis" ein festes Drehzahlverhältnis zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb impliziert.
Da der zweite Motor/Generator 82 des Getriebes 14 von 1 gesteuert wird, um immer in die gleiche Richtung wie die Maschine 12 in Betriebsart I Vorwärts oder Betriebsart I Rückwärts zu drehen, kann das Starten in entweder dem Vorwärts- oder dem Rückwärtsbereich der Betriebsart I erfolgen. Das Verhältnis Betriebsart I Vorwärts wird erzielt, indem Betriebsart I Vorwärts (MI F) Bremse 50 zusammen mit Kupplung 56 eingerückt wird. Ähnlich wird das Verhältnis Betriebsart I Rückwärts erzielt, indem Betriebsart I Rückwärts (MI R) Bremse 52 zusammen mit Kupplung 56 eingerückt wird. Da der erste Planetenradsatz 20 in sowohl Betriebsart I Vorwärts als auch Betriebsart I Rückwärts auf die gleiche Weise benutzt wird, wird jede Differenz im Drehmomentleistungsvermögen zwischen diesen zwei Betriebsarten durch die Zahnradzähnezahlen der Zahnradsätze 30 und 40 festgelegt. Diese Zähnezahlen können gewählt werden, um zu einem gleichen Vorwärts- und Rückwärtsdrehmomentleistungsvermögen für gegebene Antriebsdrehzahlen zu führen, wie es Fachleute verstehen werden. Die Bremsen 50, 52 können synchron geschaltet werden, wenn das Abtriebselement 19 eine Drehzahl von null hat (d.h. bei Leerlauf). Dies ist möglich, da bei einer Abtriebsdrehzahl von null die Einheit B 82 bei null U/min arbeitet, wie es am besten anhand des Schaubildes von 2 unten gezeigt und beschrieben ist. Wenn Einheit B 82 null U/min macht, haben alle Elementdrehzahlen der Zahnradelemente der Planetenradsätze 30, 40 eine Drehzahl von null. Das Schalten mit synchronem Übergang reduziert Reibungsdurchrutschverluste bei Leerlaufdrehzahl, da zwei der drei Planetenradsätze 30, 40 im Leerlauf bei einer Drehgeschwindigkeit von null gehalten werden.
Einheit A/Einheit B/Maschine-Sperrkupplung
Um ferner eine überlegene Beschleunigung und einen überlegenen Wirkungsgrad bereitzustellen, kann dem Getriebe 14 optional die Einheit A/Einheit B/Maschine-Sperrkupplung 54 hinzugefügt werden, wie es in 1 gezeigt ist. Die Sperrkupplung 54 kann eingerückt werden, um Einheit A 80 mit der Maschine 12 und mit dem Träger 29 zu verbinden und somit beide Einheiten A bzw. B 80, 82 und die Maschine 12 für eine gemeinsame Drehung miteinander zu verriegeln, was zulässt, dass alle drei als Antriebsquellen fungieren, um dem Verbindungselement 71 ein kombiniertes Drehmoment zu liefern. (Da Einheit A 80 mit sowohl dem Sonnenrad 22 als auch dem Träger 29 verbunden ist, wenn die Kupplung 54 eingerückt ist, verriegelt der Planetenradsatz 20 für eine gemeinsame Drehung, wobei Einheit A 80, Einheit 82 und die Maschine 12 miteinander verriegelt werden, was eine kombinierte Anfahrleistung zulässt). Dies lässt zu, dass ein Anfahren in entweder Betriebsart I EVT Vorwärts oder Betriebsart I EVT Rückwärts auftritt. Das Anfahren in der EVT-Betriebsart und das synchrone Schalten in die erste feste Betriebsart stellt einen glatten Übergang für den Kunden in und nach der Freigabe dieser Hochleistungsbetriebsart sicher. Das Getriebe kann diese EVT-zu-erste-feste-Betriebsart in entweder Vorwärts oder Rückwärts durchführen. Es ist anzumerken, dass die Kupplung 54 (bei eingerückter Kupplung 56) den mechanisch verriegelten ersten Betriebsbereich Vorwärts und Rückwärts bereitstellt, wo die Maschine, Einheit A und Einheit B verriegeln, und das Vorwärts- und Rückwärtsübersetzungsverhältnis werden jeweils durch MI F bzw. MI R Einrückbremsen 50, 52 ausgewählt. Andere feste Bereiche sind ebenfalls verfügbar.
Elektrische Betriebsart/Maschine-Aus-Trennung und Maschinenstartbremse
Das Getriebe 14 kann auch wahlweise zusätzliche Funktionen bereitstellen, die einen Maschinenstart und einen Fahrzeugantrieb unter Verwendung lediglich von Energie, die von einer Energiespeichereinrichtung oder elektrischen Leistungsquelle 86 geliefert wird (statt Energie, die über die Maschine 12 geliefert wird), wie etwa einer Batterie, zulassen, um einen der Motoren/Generatoren 80, 82 anzutreiben. Energie wird zwischen der Batterie 86 und den Motoren/Generatoren 80, 82 über einen Controller 88 übertragen, wie es Fachleute verstehen werden. Die elektrische Leistungsquelle 86 kann eine oder mehrere Batterien sein. Andere elektrische Leistungsquellen, wie eine Brennstoffzelle oder Ultrakondensatoren, die die Fähigkeit haben, elektrische Leistung bereitzustellen oder zu speichern und abzugeben, können anstelle von Batterien verwendet werden, ohne die Konzepte der vorliegenden Erfindung zu verändern. Die ECU 88 ist programmiert, um sicherzustellen, dass die Einheit B 82 in einer Richtung rotiert, so dass Drehmoment von der Einheit B 82 dem Drehmoment von der Maschine 12 an dem Verbindungselement 71 hinzugefügt wird.
Im Besonderen können ein elektrischer Start und ein elektrischer Antrieb unabhängig voneinander vorgesehen werden, um ungewollte Vibrationswechselwirkungen zu verhindern. Genauer kann ein Trennmechanismus 56, der vorzugsweise ein Drehmomentübertragungsmechanismus, wie eine Kupplung, ist, ausgerückt werden, um das Hohlrad 24, und somit die Maschine 12, von Einheit B 82 und dem Verbindungselement 71 zu trennen. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 56 ausgerückt ist, ist Einheit B 82 verfügbar, um dem Verbindungselement 71 und durch die jeweiligen Vorwärts- oder Rückwärtszahnradsätze 30 bzw. 40 dem Abtriebselement 19 Drehmoment zu liefern. Fachleute werden erkennen, dass wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 56 eingerückt ist, Einheit B mit dem Hohlrad 24 des Planetenradsatzes 20 verbunden ist. Da der Träger 29 mit der Maschine 12 verbunden ist und das Sonnenrad 22 mit der Einheit A 80 verbunden ist, sind alle drei Zahnradelemente des Planetenradsatzes 20 eingerückt, welche somit aktiv sind, um Maschinendrehmoment durch die Planetenradsätze 30 bzw. 40 (abhängig von der Auswahl von Vorwärts Betriebsart I Bremse 50 oder Rückwärts Betriebsart I Bremse 52) bereitzustellen, um an dem Achsantrieb 16 durch das Abtriebselement 19 Drehmoment bereitzustellen. Wenn jedoch der Trenn-Drehmomentübertragungsmechanismus 56 nicht eingerückt ist, ist der Planetenradsatz 20 nicht aktiv und Maschinendrehmoment wird von dem Abtriebselement 19 getrennt. In diesem Fall ist Einheit B 82 verfügbar, um an dem Abtriebselement 19 ein Antriebsdrehmoment bereitzustellen.
Das Getriebe 14 kann mit einer Bremse 58 versehen sein, die eingerückt werden kann, um eine Verbindung mit einem mechanischen festen Übersetzungsverhältnis zwischen Einheit A 80 und der Maschine 12 bereitzu stellen und ein Reaktionsdrehmoment an dem Getriebegehäuse 60 vorzusehen und somit zuzulassen, dass Einheit A 80 als Starter für die Maschine 12 wirken kann. Die Fähigkeit, einen elektrischen Start über Einheit A 80 bei eingerückter Bremse 58 vorzusehen, stellt sicher, dass das maximale Drehmoment geliefert wird, um ein Starten einzuleiten, und dass minimale Leistung erforderlich ist, indem sekundäre Knotenleistungsflüsse beseitigt werden. Diese Anordnung in 1 liefert auch das drei- bis vierfache Drehmoment der Einheit A an die Antriebswelle der Maschine 12, um einen sehr schnellen Start vorzusehen. Die Bremse 58 wird eingerückt, um die Maschine 12 über Einheit A 80 auf diese Weise zu starten, wenn der Trenn-Drehmomentübertragungsmechanismus 56 ausgerückt ist. Dementsprechend stellt der Trenn-Drehmomentübertragungsmechanismus 56 sicher, dass der elektrische Antrieb über Einheit B unabhängig von dem elektrischen Start der Maschine 12 über die Einheit A 80 erfolgt. Dies führt zu einem glatten Start mit der niedrigsten erforderlichen Startenergie, da die Trägheitsenergie der Planetenradsätze 30 und 40 nicht auf dem mechanischen Weg zwischen Einheit A 80 und der Maschine 12 während des elektrischen Starts der Maschine 12 über Einheit A 80 liegt.
Das Getriebe 14 kann für eine regenerative Rückgewinnung von Schaltenergie aus Trägheit der Maschine benutzt werden. Dies wird bewerkstelligt, indem der Controller 88 derart programmiert ist, dass die Einheit A 80 als Generator wirkt, um Rotationsenergie der Maschine aufzufangen, die temporär nicht benutzt wird, wenn die Kupplungseinrückung während Schaltvorgängen verändert wird.
1 zeigt einen Drehmomentübertragungsmechanismus 59, wie etwa eine Kupplung, die eingerückt werden kann, um ein Element von Knoten 20 mit einem Element der zweiten und dritten Knoten 40 zu verbinden.
Die Verbindung von Knoten 20 mit Knoten 40 über die Kupplung 59 stellt eine zweite elektrisch verstellbare Betriebsart, Betriebsart II, her. Die Kupplung 59 kann als Betriebsart II Kupplung bezeichnet werden und befindet sich in Reihe mit dem Antrieb der Maschine 12. Wenn die Betriebsart 11 Kupplung 59 eingerückt wird, wird die MI F Bremse 50 synchron ausgerückt, was zu einer elektrisch verstellbaren Betriebart II Vorwärts mit Verbund- und Leistungsverzweigung führt. Durch Verbinden des Eingangsdifferenzials (d.h. Knoten oder Zahnradsatz 20) mit dem Rückwärtsübersetzungsverhältnismodul (d.h. Knoten 40) am Ende von Betriebsart I durch Einrückung der Kupplung Betriebsart II 59 wird somit die zweite elektrisch verstellbare Betriebsart hergestellt und als ein hocheffizientes Mittel verwendet, um höhere Fahrzeugantriebsgeschwindigkeiten zu erreichen und niedrige elektrische Leistungsverluste sicherzustellen.
Der erste Drehmomentübertragungsmechanismus, Betriebsart I Vorwärts (MI F) Bremse 50, verbindet das Sonnenrad 42 selektiv mit dem Getriebegehäuse 60. Der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus, Betriebsart I Rückwärts (MI R) Bremse 52, verbindet den Träger 49 selektiv mit dem Getriebegehäuse 60. Der dritte Drehmomentübertragungsmechanismus, Kupplung 54, verbindet Einheit A 80 selektiv mit der Maschine 12 und mit dem Träger 29. Der vierte Drehmomentübertragungsmechanismus, Trennkupplung 56, verbindet den zweiten Motor/Generator 82 selektiv mit dem Hohlrad 24. Der fünfte Drehmomentübertragungsmechanismus, Bremse 58, verbindet das Hohlrad 24 selektiv mit dem Getriebegehäuse 60. Schließlich verbindet der sechste Drehmomentübertragungsmechanismus, Betriebsart II Kupplung 59, das Antriebselement 17 selektiv mit den Träger 49 über das Verbindungselement 72. Die Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 52, 56, 58 und 59 werden angewandt, um bei der Auswahl der Betriebszustände des Hybridgetriebes 14 zu unterstützen, wie es nachstehend ausführlicher erläutert wird. Der Betrieb des Getriebes, wobei zwei weitere Kupplungen eingerückt sind, während Kupplung 56 ausgerückt ist, führt zu festen Drehzahlverhältnissen von Antrieb zu Abtrieb des Getriebes und kann bei eingeschalteter Maschine ausgewählt werden.
Allgemeine Betriebserwägungen
Eine der primären Steuereinrichtungen für ein Automatikgetriebe ist eine allgemein bekannte Fahrbereichswähleinrichtung (nicht gezeigt), die eine elektronische Steuereinheit (den Controller oder die ECU 88) anweist, das Getriebe für Parken, Rückwärts, Neutral oder den Vorwärtsfahrbereich zu konfigurieren. Zweite und dritte primäre Steuereinrichtungen bilden ein Gaspedal (das nicht gezeigt ist) und ein Bremspedal (das ebenfalls nicht gezeigt ist). Die Informationen, die von der ECU 88 von diesen drei primären Steuerquellen erhalten werden, werden als der "Bedienerbefehl" bezeichnet. Die ECU 88 erhält auch Informationen von mehreren Sensoren (Antrieb sowie Abtrieb) hinsichtlich das Zustands von: den Drehmomentübertragungsmechanismen (entweder eingerückt oder ausgerückt); dem Maschinenabtriebsdrehmoment; dem vereinheitlichen Kapazitätsniveau der Batterie oder Batterien; und den Temperaturen von ausgewählten Fahrzeugkomponenten. Die ECU 88 stellt fest, was erforderlich ist, und betätigt dann die selektiv betriebenen Komponenten des Getriebes, oder die diesem zugeordneten Komponenten geeignet, um auf die Bedieneranforderung zu antworten.
Das Getriebe kann einfache oder zusammengesetzte Planetenradsätze verwenden. In einem einfachen Planetenradsatz ist ein einzelner Satz von Planetenrädern normal zur Drehung an einem Träger gelagert, der selbst drehbar ist.
Wenn in einem einfachen Planetenradsatz das Sonnenrad feststehend gehalten ist und Leistung auf das Hohlrad des einfachen Planetenradsatzes aufgebracht wird, rotieren die Planetenräder in Ansprechen auf die auf das Hohlrad aufgebrachte 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 eines einfachen Planetenradsatzes in der gleichen Richtung und mit der gleichen Drehzahl rotieren, wird das dritte Element gezwungen, sich mit der gleichen Drehzahl und in der gleichen Richtung zu drehen. Wenn beispielsweise das Sonnenrad und das Hohlrad in der gleichen Richtung und mit der gleichen Drehzahl rotieren, rotieren die Planetenräder nicht um ihre eigenen Achsen sondern wirken vielmehr als Keile, um die gesamte Einheit zu sperren und somit einen sogenannten direkten Antrieb zu bewirken. Das heißt der Träger rotiert mit den Sonnen- und Hohlrädern.
Wenn jedoch die beiden Hohlräder in der gleichen Richtung aber mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren, kann die Richtung, in der das dritte Zahnrad rotiert, häufig einfach durch Sichtanalyse bestimmt werden, aber in vielen Situationen wird die Richtung nicht offensichtlich sein und kann nur genau bestimmt werden durch die Kenntnis der Anzahl von Zähnen, die an allen Zahnradelementen des Planetenradsatzes vorhanden ist.
Jedes Mal dann, wenn der Träger daran gehindert wird, frei umzulaufen, und Leistung auf entweder das Sonnenrad oder das Hohlrad aufgebracht wird, wirken die Planetenräder als Zwischenräder. Auf diese Weise wird das angetriebene Element in der dem treibenden Element entgegengesetzten Richtung rotiert. In vielen Getriebeanordnungen wird somit, wenn der Rückwärtsfahrbereich ausgewählt ist, eine Drehmomentübertragungseinrichtung, die als Bremse dient, über Reibung betätigt, um mit dem Träger in Eingriff zu gelangen und diesen dadurch an einer Drehung zu hindern, so dass Leistung, die auf das Sonnenrad aufgebracht wird, das Hohlrad in der entgegengesetzten Richtung drehen wird. Wenn somit das Hohlrad mit den Antriebsrädern eines Fahrzeuges verbunden ist, ist eine solche Anordnung in der Lage, die Drehrichtung der Antriebsräder und dadurch die Richtung des Fahrzeugs selbst umzukehren.
In einem einfachen Satz von Planetenrädern kann, wenn irgendwelche zwei Drehgeschwindigkeiten des Sonnenrades, des Trägers und des Hohlrades bekannt sind, dann die Drehzahl des dritten Elementes unter Verwendung einer einfachen Regel festgestellt werden. Die Drehgeschwindigkeit des Trägers ist immer proportional zu den Drehzahlen des Sonnenrads und des Hohlrads, gewichtet mit deren jeweiligen Zähnezahlen. Beispielsweise kann ein Hohlrad doppelt so viel Zähne wie das Sonnenrad in dem gleichen Satz aufweisen. Die Drehzahl des Trägers ist dann die Summe von zwei Dritteln der Drehzahl des Hohlrades und einem Drittel der Drehzahl des Sonnenrades. Wenn eines dieser drei Elemente in einer entgegengesetzten Richtung rotiert, ist das arithmetische Vorzeichen für die Drehzahl, die dieses Element besitzt, bei den mathematischen Berechnungen negativ.
Das Drehmoment an dem Sonnenrad, dem Träger und dem Hohlrad kann auch einfach miteinander in Beziehung gebracht werden, wenn dies ohne Berücksichtigung der Massen der Zahnräder, der Beschleunigung der Zahnräder oder der Reibung innerhalb des Zahnradsatzes vorgenommen wird, die alle einen relativ geringfügigen Einfluss in einem gut konstruierten Getriebe haben. Das Drehmoment, das auf das Sonnenrad eines einfachen Planetenradsatzes aufgebracht wird, muss das Drehmoment, das auf das Hohlrad aufgebracht wird, proportional zu der Zähnezahl an diesen Zahnrädern ausgleichen. Beispielsweise muss das Drehmoment, das auf ein Hohlrad mit doppelt so viel Zähnen wie das Sonnenrad in diesem Satz aufgebracht wird, das Doppelte von dem auf das Sonnenrad aufgebrachten betragen, und muss in der gleichen Richtung aufgebracht werden. Das auf den Träger aufgebrachte Drehmoment muss die gleiche Größe und die entgegengesetzte Richtung zu der Summe aus dem Drehmoment an dem Sonnenrad und dem Drehmoment an dem Hohlrad betragen.
In einem zusammengesetzten Planetenradsatz bewirkt die Benutzung von inneren und äußeren Sätzen von Planetenrädern einen Tausch der Rollen von Hohlrad und Träger im Vergleich mit einem einfachen Planetenradsatz. Wenn beispielsweise das Sonnenrad feststehend gehalten wird, wird der Träger in der gleichen Richtung wie das Hohlrad rotieren, aber der Träger wird sich mit inneren und äußeren Sätzen von Planetenrädern schneller als das Hohlrad statt langsamer bewegen.
In einem zusammengesetzten Planetenradsatz, der kämmende innere und äußere Sätze von Planetenrädern aufweist, ist die Drehzahl des Hohlrades proportional zu den Drehzahlen des Sonnenrades und des Trägers, gewichtet mit der Zähnezahl an dem Sonnenrad bzw. der Zähnezahl, die durch die Planetenräder gefüllt wird. Beispielsweise könnte die Differenz zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenrad, die durch die Planetenräder gefüllt wird, genauso viel Zähne sein, wie sich an dem Sonnenrad in dem gleichen Satz befinden. In dieser Situation wäre die Drehzahl des Hohlrades die Summe aus zwei Dritteln der Drehzahl des Trägers und einem Drittel der Drehzahl der Sonnenrad. Wenn das Sonnenrad oder der Träger in einer entgegengesetzten Richtung rotiert, ist das arithmetische Vorzeichen für diese Drehzahl bei den mathematischen Berechnungen negativ.
Wenn das Sonnenrad feststehend gehalten wird, dann wird ein Träger mit inneren und äußeren Sätzen von Planetenrädern in der gleichen Richtung wie das rotierende Hohlrad dieses Satzes drehen. Wenn andererseits das Sonnenrad feststehend gehalten wird und der Träger angetrieben wird, rollen oder "laufen" dann Planetenräder in dem inneren Satz, die mit dem Sonnenrad in Eingriff stehen, entlang des Sonnenrades um, wobei sie in der gleichen Richtung drehen, in der der Träger rotiert. Planetenräder in dem äußeren Satz, die mit Planetenrädern in dem inneren Satz kämmen, werden in der entgegengesetzten Richtung drehen, wodurch ein kämmendes Hohlrad in die entgegengesetzte Richtung gezwungen wird, aber nur in Bezug auf die Planetenräder, mit denen das Hohlrad kämmend in Eingriff steht. Die Planetenräder in dem äußeren Satz werden in der Richtung des Trägers entlang transportiert. Die Wirkung der Drehung der Planetenräder in dem äußeren Satz auf ihren eigenen Achsen und die größere Wirkung der Orbitalbewegung der Planetenräder in dem äußeren Satz aufgrund der Bewegung des Trägers sind kombiniert, so dass das Hohlrad in der gleichen Richtung wie der Träger aber nicht so schnell wie der Träger rotiert.
Wenn der Träger in einem derartigen zusammengesetzten Planetenradsatz feststehend gehalten wird und das Sonnenrad gedreht wird, dann wird das Hohlrad mit weniger Drehzahl und in der gleichen Richtung wie das Sonnenrad rotieren. Wenn das Hohlrad eines einfachen Planetenradsatzes feststehend gehalten wird und das Sonnenrad gedreht wird, dann wird der Träger, der einen einzigen Satz von Planetenrädern trägt, mit weniger Drehzahl und in der gleichen Richtung wie das Sonnenrad rotieren. Somit kann man leicht den Tausch der Rollen zwischen dem Träger und dem Hohlrad beobachten, der durch die Verwendung von inneren und äußeren Sätzen von Planetenrädern, die miteinander kämmen, im Vergleich mit der Verwendung eines einzigen Satzes von Planetenrädern in einem einfachen Planetenradsatz hervorgerufen wird.
Die normale Wirkung eines elektrisch verstellbaren Getriebes ist, mechanische Leistung von dem Antrieb auf den Abtrieb zu übertragen. Als Teil dieser Übertragungswirkung wirkt einer von seinen beiden Motoren/Generatoren als Generator für elektrische Leistung. Der andere Motor/Generator wirkt als Motor und verwendet diese elektrische Leistung. Da die Drehzahl des Abtriebs von null bis auf eine hohe Drehzahl zunimmt, tauschen die beiden Motoren/Generatoren 80, 82 allmählich die Rollen von Generator und Motor, und können dies mehr als einmal vornehmen. Diese Tausche finden um mechanische Punkte herum statt, an denen im Wesentlichen die gesamte Leistung von dem Antrieb auf den Abtrieb mechanisch übertragen wird und keine wesentliche Leistung elektrisch übertragen wird.
In einem hybriden elektrisch verstellbaren Getriebesystem kann die Batterie 86 dem Getriebe auch Leistung zuführen, oder das Getriebe kann der Batterie Leistung zuführen. Wenn die Batterie dem Getriebe wesentlich elektrische Leistung zuführt, wie etwa zur Fahrzeugbeschleunigung, dann wirken beide Motoren/Generatoren als Motoren. Wenn das Getriebe der Batterie elektrische Leistung zuführt, wie etwa für ein regeneratives Bremsen, können beide Motoren/Generatoren als Generatoren wirken. Sehr nahe bei den mechanischen Betriebspunkten können beide Motoren/Generatoren als Generatoren mit kleinen elektrischen Ausgangsleistungen wegen der elektrischen Verluste in dem System wirken.
Im Gegensatz zu der normalen Wirkung des Getriebes kann das Getriebe tatsächlich verwendet werden, um mechanische Leistung von dem Abtrieb auf den Antrieb zu übertragen. Dies kann in einem Fahrzeug vorgenom men werden, um die Fahrzeugbremsen zu unterstützen oder das regenerative Bremsen des Fahrzeugs zu verbessern oder zu ergänzen, insbesondere auf langen Gefällen. Wenn der Leistungsfluss durch das Getriebe auf diese Weise umgekehrt wird, dann werden die Rollen der Motoren/Generatoren von jenen bei normaler Wirkung umgekehrt.
Spezifische Betriebserwägungen
Jede der hierin beschriebenen Ausführungsformen (1 und 3) hat viele Betriebszustände. Diese Betriebszustände werden nachstehend beschrieben.
Ein erster Betriebszustand ist die "Antriebsbetriebsart mit durch Energiespeicher versorgtem Rückwärtsbetrieb". In dieser Betriebsart ist die Maschine aus und das Getriebeelement, das mit der Maschine verbunden ist, wird nicht von dem Maschinendrehmoment gesteuert, obwohl es ein gewisses Restdrehmoment aufgrund von Rotationsträgheit der Maschine geben kann. Das EVT wird von einem der Motoren/Generatoren unter Verwendung von Energie von der Energiespeichereinrichtung angetrieben, was bewirkt, dass sich das Fahrzeug rückwärts bewegt. Abhängig von der kinematischen Konfiguration kann der andere Motor/Generator in dieser Betriebsart rotieren oder nicht rotieren und kann Drehmoment übertragen oder nicht übertragen. Wenn er rotiert, wird er dazu verwendet, Energie zu erzeugen, die in der Batterie gespeichert wird. In der Ausführungsform von 1 ist im Zustand Batterie Rückwärts die Bremse 52 eingerückt, der Motor/Generator 80 weist ein Drehmoment von null auf, und der Motor/Generator 82 liefert ein Rückwärtsdrehmomentverhältnis durch aktive Zahnradsätze 30 und 40.
Ein zweiter Betriebszustand e ist "Betriebsart EVT Rückwärts". In dieser Betriebsart EVT Rückwärtsfahrt wird dem Getriebe durch die Maschine und durch einen der Motoren/Generatoren Leistung zugeführt. Der andere Motor/Generator arbeitet in der Generatorbetriebsart und überträgt die erzeugte Energie zurück zu dem Steuermodul 88, das seine Leistung auf die Batterie oder den treibenden Motor übertragen kann. Der Nettoeffekt ist, dass das Fahrzeug rückwärts angetrieben wird. Nach 1 sind in der Betriebsart EVT Rückwärts die Bremse 52 und die Kupplung 56 eingerückt. Bei eingerückter Kupplung 56 ist der Zahnradsatz 20 aktiv, Einheit A 80 wirkt als Generator und Einheit B 82 beaufschlagt den Achsantrieb 16 in einer entgegengesetzten (Rückwärts-)Richtung wie das Antriebselement 17 mit Leistung. Dieses Zahnradschema ist darin einzigartig, dass beide Drehmomente der Einheit B und der Maschine positiv sind, wobei sie einen zusätzlichen Drehmomenteingang in Zahnradsätze 30 und 40 liefern, welche dann eine mechanische Kraftverstärkung in Rückwärtsrichtung für das Abtriebselement 19 bereitstellen.
Ein dritter Betriebszustand umfasst einen Rückwärts- und Vorwärtsbetrieb mit festem niedrigem Übersetzungsverhältnis. In diesem Zustand wird das Getriebe von der Maschine und/oder beiden Motoren/Generatoren angetrieben. Nach 1 sind in den Rückwärts- und Vorwärtsbetriebsarten die Kupplungen 54, 56 und entweder 50 oder 52 (abhängig ob ein Vorwärts- oder Rückwärtsanfahren erwünscht ist) eingerückt. In dieser Betriebsart kann jeder Motor/Generator wie gewünscht unabhängig als Motor oder als Generator arbeiten.
Ein vierter Betriebszustand ist eine "Betriebsart mit stufenlos verstellbarem Getriebebereich", die die in Bezug auf die 2 und 4 gezeigten und beschriebenen EVT-Bereiche umfasst. In dieser Betriebsart wird das EVT von der Maschine sowie von einem der Motoren/Generatoren, der als Mo tor arbeitet, angetrieben. Der andere Motor/Generator arbeitet typischerweise als Generator und überträgt die erzeugte Energie zurück zu dem Steuermodul 88. Der tatsächliche Betrieb als Motor oder Generator der zweiten Einheit hängt von der Batterieleistung, internen Drehzahlen, der Maschinenleistung und vielen anderen Faktoren ab. Die Arbeitspunkte, die durch die Betriebsarten EVT Vorwärts dargestellt werden, sind für gegebene Antriebsdrehzahlen diskrete Punkte in dem Kontinuum von Vorwärtsdrehzahlverhältnissen, die von dem EVT bereitgestellt werden.
Ein fünfter Betriebszustand umfasst die Betriebsarten mit "festem Übersetzungsverhältnis". In dieser Betriebsart arbeitet das Getriebe wie ein herkömmliches Automatikgetriebe, wobei drei Drehmomentübertragungseinrichtungen eingerückt sind, um ein diskretes Getriebeübersetzungsverhältnis zu schaffen. Bei eingerückter Kupplung 56 und unter Hinzufügung einer Bremse an Einheit B werden bis zu sechs feste mechanische Vorwärts- und Rückwärtsübersetzungsverhältnisse zwischen dem Antriebselement 17 und dem Abtriebselement 19 bereitgestellt.
Das Getriebe 14 ist in der Lage, in sogenannten Einzel- oder Doppelbetriebsarten zu arbeiten. In einer Einzelbetriebsart bleibt ein eingerückter Drehmomentübertragungsmechanismus für das gesamte Kontinuum von Vorwärtsdrehzahlverhältnissen gleich. In der Doppelbetriebsart wird der eingerückte Drehmomentübertragungsmechanismus bei irgendeinem Zwischendrehzahlverhältnis (z.B. Linie 120 von 2) umgeschaltet. Abhängig von der mechanischen Konfiguration hat diese Änderung in der Einrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus Vorteile bei der Verringerung von Elementdrehzahlen in dem Getriebe und der Verbesserung des Leistungsflusses und des Wirkungsgrades.
Bei diesem Getriebe ist es möglich, die Schlupfdrehzahlen der Kupplungselemente derart zu synchronisieren, dass Schaltvorgänge mit minimaler Drehmomentstörung erreichbar sind (sogenannte "kalte" Schaltvorgänge). Beispielsweise hat das Getriebe von 1 einen kalten Schaltvorgang zwischen den Bereichen 134 und 138 (das heißt bei einer Abtriebsdrehzahl bei Linie 120). Die Drehzahl des Trägers 39 ist gleich der Drehzahl der Maschine 12 bei Linie 120. Unter dieser Bedingung kann ein Kuppelmechanismus synchron eingerückt werden. Dieser Mechanismus, MII Kupplung 59 hat keinen Energieverlust und somit keinen Temperaturanstieg, was zu dem Ausdruck "kalter" Schaltvorgang führt.
Wieder mit Bezug auf 1 können die Zahnradzähneverhältnisse der Planetenradsätze 20, 30 und 40 des Getriebes 14 wie gewünscht verändert werden, um die angestrebten Drehzahlverhältnisse zu erhalten. Das Getriebe 14 kann mindestens sechs Vorwärtsdrehzahlverhältnisse (wenn eine Bremse (nicht gezeigt) der Einheit B hinzugefügt wird oder die Einheit B als elektromagnetische Bremse betrieben wird) sowie ein festes Rückwärts- ein elektrisch verstellbares Rückwärts- und ein Batterie-Rückwärtsdrehzahlverhältnis erhalten. Unter Annahme beispielhafter Zähneverhältnisse des Planetenradsatzes 20 (d.h. N_R1/S_R1) von 1,954 (Zähnezahlen von 86 und 44 für Hohlrad 24 bzw. Sonnenrad 22), eines N_R2/S_R2-Wertes des Planetenradsatzes 30 von 2,774 (Zähnezahlen von 86 und 31 für Hohlrad 34 bzw. Sonnenrad 32) und eines N_R3/S_R3-Wertes des Planetenradsatzes 40 von 1,954 (Zähnezahlen von 86 und 44 für Hohlrad 44 bzw. Sonnenrad 42) kann dann ein Rückwärtsdrehzahlverhältnis von Einheit B relativ zu dem Abtriebselement 19 von –1.931 durch Einrücken der Kupplungen 52 und 56 erhalten werden. Durch Einrücken der Kupplungen 50 und 56 kann ähnlich ein im Wesentlichen identisches Vorwärtsdrehzahlverhältnis von Einheit B relativ zu dem Abtriebselement 19 von 2,057 erhalten werden. Das erste elektrisch verstellbare Vorwärts drehzahlverhältnis wird in Betriebsart I erhalten und ist eine erste variable Anfahrbetriebsart mit Eingangsverzweigung.
Die Kupplung 59 kann gleichzeitig eingerückt werden, wie Kupplung 50 ausgerückt wird, um eine Betriebsart II mit Verbundverzweigung mit höheren Drehzahlen und höheren Wirkungsgraden zu erhalten. Wenn zusätzlich die Kupplungen 59, 58 und 56 eingerückt sind, wird eine mechanische feste Betriebsart mit hohem Wirkungsgrad erreicht.
Ein Starten der Maschine in den Vorwärts- oder Rückwärtszuständen mit Energiespeicherantrieb wird durch Leistung bewerkstelligt, die der Einheit A von dem Controller 88 zugeführt wird. Diese elektrischen Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahlverhältnisse, die durch Einheit B mit Energie beaufschlagt werden, sind verfügbar, wenn die Kupplung von Einheit B ausgerückt ist. Ausführlichere Beispiele der Vielfalt von Drehzahlverhältnissen, die mit Ausführungsformen der Erfindung verfügbar sind, sind in den Schaubildern der 2 und 4 angegeben, die die jeweiligen Getriebe der 1 bzw. 3 betreffen.
2 ist eine graphische Darstellung der Drehzahlen von verschiedenen Getriebekomponenten in Bezug auf die Drehzahl der Abtriebswelle bei einem beispielhaften Betrieb des Getriebes 14. In den 1 und 2 ist die Drehzahl der Maschine 12 (und der Antriebswelle 17) durch Linie 110 dargestellt, die Drehzahl des Motors/Generators 80 ist durch Linie 112 dargestellt und die Drehzahl des Motors/Generators 82 ist durch Linie 114 dargestellt. In einem ersten Vorwärtsbereich oder einer ersten Vorwärtsbetriebsart 130 des EVT-Betriebes, d.h. vor der Abtriebswellendrehzahl 114, sind die Kupplungen 50 und 56 eingerückt. Der Planetenradsatz 20 arbeitet in einer Differenzialbetriebsart und die Planetenradsätze 30 und 40 arbeiten in einer Drehmomentvervielfachungsbetriebsart. Die An triebswellendrehzahl 110, und entsprechend die Drehzahl der Maschine, ist im gesamten Betrieb des Getriebes im Wesentlichen konstant, um die Beschreibung zu vereinfachen. Der Controller 88 bewirkt, dass die Drehzahl des ersten Motors/Generators 80 bei etwa 8800 U/min startet und mit zunehmender Abtriebswellendrehzahl abnimmt. Gleichzeitig startet die Drehzahl des zweiten Motors/Generators 82 bei null und nimmt mit zunehmender Abtriebswellendrehzahl zu. Die Drehzahl der Träger 39 und 49 (die in 2 nicht gezeigt sind) startet bei null U/min und steigt proportional mit der Abtriebswellendrehzahl an. Wie es aus dem Schaubild von 2 deutlich wird, sind die Motor/Generator-Drehzahlen für eine gegebene Antriebs- oder Komponentendrehzahl in der Betriebsart 130 und in einer elektrisch verstellbaren Rückwärtsbetriebsart 146 gleich (obwohl in der Richtung entgegengesetzt), wie dies durch Einrücken von entweder der Kupplung 50 (für Vorwärts) oder Kupplung 52 (für Rückwärts), während Kupplung 56 eingerückt bleibt, ausgewählt wird.
Bei der Abtriebswellendrehzahl 114 überholt die Drehzahl des Motors/Generators 82 (Einheit B) die der Maschine 12, während die Drehzahl des Motors/Generators 80 (Einheit A) unter die der Maschine 12 fällt. Die Drehzahlbereiche, die durch 130 und 134 angegeben sind, bilden gemeinsam einen Betriebsbereich Betriebsart I Vorwärts. Bei einer Abtriebsdrehzahl 120 in der Nähe von 2200 U/min beträgt die Differenzialdrehzahl der Betriebsart II Kupplung 59 null und das Getriebe 14 wird von dem ersten EVT-Bereich oder Betriebsart I (einschließlich der Drehzahlbereiche 130, 134) in einen zweiten EVT-Bereich oder Betriebsart II (einschließlich der Drehzahlbereiche 138, 142) umgeschaltet. Für dieses Beispiel sei angenommen, dass die Drehzahl von Einheit A auch null beträgt, obwohl dies von den Zahlenwerten in den Zahnradsätzen abhängen kann. Bei Abtriebsdrehzahl 120 sind die Drehzahlen der Maschine 12 und des Trägers 49 aufgrund der Einrückung der Kupplungen 50 und 56 im Wesentlichen gleich, so dass die Kupplung 59 im Wesentlichen ohne resultierende Drehmomentstörung eingerückt wird (und Kupplung 50 ausgerückt wird), um von der ersten elektrisch verstellbaren Betriebsart (Betriebsart I) in die zweite elektrisch verstellbare Betriebsart (Betriebsart II) zu schalten. In Betriebsart II fährt die Drehzahl des Motors/Generators 80 fort, mit zunehmender Abtriebswellendrehzahl zuzunehmen, und die Drehzahl des Motors/Generators 82 nimmt mit zunehmender Abtriebswellendrehzahl ab.
Das Getriebe 14 zeichnet sich auch durch eine Rückwärtsbetriebsart 146 aus. Bei einer Abtriebsdrehzahl von null können die Kupplungen 52 und 56 eingerückt werden. Die Übersetzungsverhältnisse der aktiven Planetenradsätze 20, 30 und 40 sind derart, dass durch die aktiven Zahnradsätze 20, 30 ein negatives Übersetzungsverhältnis erreicht wird, das im Wesentlichen gleich dem Wert des Übersetzungsverhältnisses in der Betriebsart EVT Vorwärts ist. Somit kann der EVT-Weg genau so betrieben werden, wie in der ersten Vorwärtsbetriebsart, wodurch ein gleiches Rückwärtsleistungsvermögen bereitgestellt wird. Ein mechanisches (festes) Rückwärtsübersetzungsverhältnis, das gleich den Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnissen der Planetenradsätze 30 und 40 ist, wird durch Einrücken der Kupplungen 52, 54 und 56 erreicht.
Das Getriebe 14 kann ein Rückwärtsdrehzahlverhältnis auf drei unterschiedliche Weisen erreichen: über ein festes Übersetzungsverhältnis, ein elektrisch verstellbares Übersetzungsverhältnis oder ein maschinengetrenntes Übersetzungsverhältnis "Batterie Rückwärts". Das feste Rückwärtsübersetzungsverhältnis wird durch die Einrückung der Kupplungen 54 und 56 sowie der Bremse 52 erreicht. Mit der Einrückung der Kupplung 54 wird der Zahnradsatz 20 inaktiv, da der Motor/Generator 80 mit sowohl dem Sonnenrad 22 als auch dem Träger 29 verbunden ist. Bei ei ner Abtriebsdrehzahl von null beträgt die Drehzahl der Einheit B 82 null (wie in dem repräsentativen Drehzahldiagramm von 2 angeführt ist). Somit fließt das Maschinendrehmoment durch den dritten Zahnradsatz 40, um ein festes Rückwärtsübersetzungsverhältnis zu erreichen.
Das elektrisch verstellbare Rückwärtsübersetzungsverhältnis (EVT Rückwärts) wird mit der Einrückung der MI R Bremse 52 und der Kupplung 56 erreicht. Dies lässt zu, dass Einheit B 82 das Hohlrad 44 mit Energie beaufschlagt, während die Maschine 12 dem Träger 49 Leistung liefert, und das Abtriebsverhältnis wird an dem Abtriebselement 19 von dem Träger 39 bereitgestellt.
Das Übersetzungsverhältnis Batterie Rückwärts wird erzielt, wenn die Kupplung 56 nicht eingerückt ist, so dass die Maschine 12 getrennt ist, während die Kupplung 52 eingerückt ist, was zulässt, dass die Einheit B 82 das Abtriebselement 19 im Rückwärtsbetrieb mit Energie beaufschlagt.
Ein elektrisch verstellbares erstes Drehzahlverhältnis im Vorwärtsbereich von Betriebsart I (für gegebene Antriebsdrehzahlen) wird durch Einrückung der Kupplungen 50 und 56 erreicht. Das elektrisch verstellbare erste Übersetzungsverhältnis im Vorwärtsbereich von Betriebsart I ist ein Verhältnis mit Eingangsverzweigung, da Drehmoment von der Antriebswelle 17 durch den aktiven Planetenradsatz 20 fließt. Durch synchrones Einrücken der Kupplung 54, um die Einheit A 80 mit dem Träger 29 zu verbinden und dadurch den Planetenradsatz 20 zu sperren, treiben die Einheiten A und B 80, 82 und die Maschine 12 das Getriebe mit einem festen niedrigen Übersetzungsverhältnis an, das an den kombinieren Planetenradsätzen 30 und 40 bereitgestellt wird.
Ein elektrisch verstellbares zweites Übersetzungsverhältnis im Vorwärtsbereich von Betriebsart I (für gegebene Antriebsdrehzahlen) wird durch Einrücken der Kupplungen 50, 56 erreicht, wenn die Drehzahl von Einheit A 80 null beträgt. Ein festes Schaltübersetzungsverhältnis Betriebsart I – Betriebsart II wird bei einem Schaltpunkt erhalten, wenn sowohl die Kupplung 50 als auch die Kupplung 59 eingerückt sind. Ein elektrisch verstellbares erstes Übersetzungsverhältnis im Vorwärtsbereich der Betriebsart II (für gegebene Antriebsdrehzahlen) wird durch die Einrückung der Kupplungen 59 und 56 erreicht, wenn die Drehzahl von Einheit A 80 gleich null ist.
Mit der Einrückung der Kupplung 54 zusätzlich zu den Kupplungen 59 und 56 wird ein festes direktes Übersetzungsverhältnis von 1,00 erreicht. Der Planetenradsatz 20 ist gesperrt, da die Drehzahl von Einheit A 80 an sowohl dem Sonnenrad 22 als auch dem Träger 29 vorgesehen werden. Keiner der Planetenradsätze 30 und 40 ist aktiv, da beide Kupplungen 50 und 52 ausgerückt sind. Die Maschinendrehzahl wird somit effektiv an dem Antriebselement 19 bereitgestellt, und dementsprechend beträgt das erreichte Übersetzungsverhältnis 1,00.
Mit der Einrückung von nur den Kupplungen 59 und 56, wenn die Drehzahl von Einheit B 82 gleich null U/min beträgt, wird ein elektrisch verstellbares zweites Drehzahlverhältnis im Vorwärtsbereich der Betriebsart II für gegebene Antriebsdrehzahlen erreicht. Indem dann eine Einrückung der Bremse 58 hinzugefügt wird, wird ein festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis bereitgestellt.
Somit werden mit dem ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsübersetzungsverhältnisbereich der Betriebsart I, dem zweiten Vorwartsübersetzungsverhältnisbereich, dem Schaltverhältnis Betriebsart I – Betriebsart II, dem direkten Übersetzungsverhältnis und den elektrisch verstellbaren ersten und zweiten Vorwärtsübersetzungsverhältnisbereichen in Betriebsart II sechs Vorwärtsübersetzungsverhältnisse bereitgestellt. Das elektrisch verstellbare zweite Vorwärtsübersetzungsverhältnis der Betriebsart I, das elektrisch verstellbare erste Vorwärtsübersetzungsverhältnis der Betriebsart II, und das elektrisch verstellbare zweite Vorwärtsübersetzungsverhältnis der Betriebsart II, die oben angeführt sind, können feste Übersetzungsverhältnisse werden, wenn die Einheiten A und B gebremst werden. Somit werden durch Einrücken der Drehmomentübertragungsmechanismen 56 und 58, um Einheit B zu sperren, und durch Hinzufügen einer Bremse, um Einheit A abzubremsen, diese Übersetzungsverhältnisse feste Übersetzungsverhältnisse; somit können sechs feste Vorwärtsübersetzungsverhältnisse bereitgestellt werden, wenn dies für eine besondere Getriebeanwendung erwünscht ist. Dies kann auch von der Häufigkeit abhängen, mit der die Drehzahlen der Einheiten A 80 und B 82 und der Maschine 12 über den in 2 gezeigten Bereich von Abtriebsdrehzahlen null sind (d.h. die Anzahl von Schnittpunkten der Drehzahlen der Einheiten bei null (der x-Achse) von 2).
Zweite schematische Ausführungsform
In 3 ist eine zweite vollständige schematische bevorzugte Ausführungsform eines Antriebsstrangs 10', der ein Getriebe 14' aufweist, gezeigt. Das Getriebe 14' benutzt drei Differenzialzahnradsätze, vorzugsweise in der Natur von Planetenradsätzen 20', 30' und 40'. Der Planetenradsatz 20' wendet ein Hohlrad 24' an, das ein Sonnenrad 22' umgibt. Eine Planetenträgeranordnung 26' umfasst einen Träger 29', der die Vielzahl von Planetenrädern 27' drehbar lagert, so dass jedes Planetenrad 27' kämmend mit sowohl dem Hohlrad 24' als auch dem Sonnenrad 22' in Eingriff steht. Das Antriebselement 17 ist an dem Träger 29 befestigt.
Der Planetenradsatz 30' weist ein Hohlrad 34' auf, das ein Sonnenrad 32' umgibt. Die Vielzahl von Planetenrädern 37' ist drehbar an einem Träger 39' einer Planetenträgeranordnung 36' montiert, so dass jedes Planetenrad 37' gleichzeitig und kämmend mit sowohl dem Hohlrad 34' als auch dem Sonnenrad 32' in Eingriff steht.
Der Planetenradsatz 40' weist auch ein Hohlrad 44' auf, das ein Sonnenrad 42' umgibt. Eine Vielzahl von Planetenrädern 47' ist drehbar an einem Träger 49' einer Planetenträgeranordnung 46' montiert, so dass jedes gleichzeitig und kämmend mit sowohl dem Hohlrad 44' als auch dem Sonnenrad 22' in Eingriff steht.
Ein Verbindungselement 70' verbindet die Sonnenräder 32' und 42' ständig. Zusätzlich verbindet ein Verbindungselement 72' das Hohlrad 34' ständig mit dem Träger 49'.
Das Getriebe 14' umfasst auch einen ersten und einen zweiten Motor/Generator 80' bzw. 82', die jeweils Statoren 80a', 82a' aufweisen, die an dem Getriebegehäuse 60 befestigt sind. Der Rotor 80b' von Einheit A ist an dem Hohlrad 24' befestigt. Der Rotor 82a' der Einheit Unit B ist an dem Sonnerad 22' und auch an dem Hohlrad 44' befestigt. Der Planetenradsatz 20' ist (über Zahnradzähnezahlen und eine Verbindung der Maschine 12 mit dem Träger 29') derart konstruiert, dass das Verbindungselement 71' in der gleichen Richtung wie die Maschine 12 rotiert.
Der erste Drehmomentübertragungsmechanismus, wie Vorwärtsbetriebsart Bremse MI F 50' kann selektiv mit dem Sonnenrad 42' (und dadurch mit dem Sonnenrad 32' über Verbindungselement 70') in Eingriff gebracht werden, um das Sonnenrad 42' durch das Getriebegehäuse 60' festzule gen. Ein zweiter Drehmomentübertragungsmechanismus, wie die Rückwärtsbremse MI R 52', verbindet der Träger 49' selektiv mit dem Getriebegehäuse 60'. Ein dritter Drehmomentübertragungsmechanismus, wie eine Kupplung 59', verbindet schließlich die Maschine 12 selektiv mit dem Hohlrad 34' und dadurch mit dem Träger 49' über das Verbindungselement 72'. Die Kupplung 59' wird als Betriebsart II Kupplung bezeichnet. Das Getriebe 14' weist keine Drehmomentübertragungsmechanismen auf, die die Sperr-, Maschinenstartreaktions- und Einheit-B-Trennfunktionen durchführt, die jeweils von den Kupplungen 54, 58 und 56 des Getriebes 14 durchgeführt werden.
Es ist aus 3 ersichtlich, dass das Getriebe 14' selektiv Leistung von der Maschine 12 empfangt. Das Hybridgetriebe 14' empfangt auch Leistung von einer Batterie oder elektrischen Leistungsquelle 86', die mit einem Controller oder einer ECU 88' verbunden ist. Energie wird zwischen der Batterie 86' und den Motoren/Generatoren 80', 82' über den Controller 88' übertragen, wie es Fachleute verstehen werden. Die elektrische Leistungsquelle 86' kann eine oder mehrere Batterien sein. Andere elektrische Leistungsquellen, wie Brennstoffzellen, die die Fähigkeit haben, elektrische Leistung bereitzustellen oder zu speichern und abzugeben, können anstelle von Batterien verwendet werden, ohne die Konzepte der vorliegenden Erfindung zu verändern. Die ECU 88' ist programmiert, um sicherzustellen, dass die Einheit B 82' in einer Richtung rotiert, so dass Drehmoment von Einheit B 82' dem Drehmoment von Maschine 12 an dem Verbindungselement 71 hinzugefügt wird.
4 ist eine graphische Darstellung der Drehzahlen von verschiedenen Getriebekomponenten in Bezug auf die Drehzahl der Abtriebswelle bei einem beispielhaften Betrieb des Getriebes 14. In den 3 und 4 ist die Drehzahl der Maschine 12 (und der Antriebswelle 17) durch Linie 110' dargestellt, die Drehzahl des Motors/Generators 80' ist durch Linie 112' dargestellt und die Drehzahl des Motors/Generators 82' ist durch Linie 114' dargestellt. In einem ersten Vorwärtsbereich oder einer ersten Vorwärtsbetriebsart 130' des EVT-Betriebes, d.h. vor der Abtriebswellendrehzahl 120', sind die Drehmomentübertragungsmechanismen 50' und 56' eingerückt. Der Zahnradsatz 20' arbeitet in einer Differenzialbetriebsart, und der Zahnradsatz 30' arbeitet in einer Drehmomentvervielfachungsbetriebsart. Die Antriebswellendrehzahl 110', und entsprechend die Drehzahl der Maschine, ist im gesamten Betrieb des Getriebes im Wesentlichen konstant, um die Beschreibung zu vereinfachen. Der Controller 88' bewirkt, dass die Drehzahl des ersten Motors/Generators 80' bei etwa 4500 U/min startet und mit zunehmender Abtriebswellendrehzahl abnimmt. Gleichzeitig startet die Drehzahl des Elektromotors 82' bei null und nimmt mit zunehmender Abtriebswellendrehzahl zu. Die Drehzahl der Träger 39' und 49' (die in 4 nicht gezeigt sind) steigt proportional mit der Abtriebswellendrehzahl an. Wie es aus dem Schaubild von 4 deutlich wird, sind die Motor/Generator-Drehzahlen für eine gegebene Antriebs- oder Komponentendrehzahl in der Betriebsart 130' und in einer Rückwärtsbetriebsart 146' gleich (obwohl in der Richtung entgegengesetzt), wie dies durch Einrücken von entweder der Kupplung 50' (für Vorwärts) oder Kupplung 52' (für Rückwärts), während Kupplung 56' eingerückt bleibt, ausgewählt wird.
Bei der Abtriebswellendrehzahl 114' überholt die Drehzahl des Motors/Generators 82' (Einheit B) die der Maschine 12, während die Drehzahl des Motors/Generators 80' (Einheit A) unter die der Maschine 12 fällt. Die Drehzahlbereiche, die durch 130' und 134' angegeben sind, bilden gemeinsam einen Betriebsbereich Betriebsart I Vorwärts. Bei Abtriebswellendrehzahl 120' wird das Getriebe von der EVT-Betriebsart I (die Drehzahlbereiche 130', 134' umfasst) in die EVT-Betriebsart II, die Drehzahlbe reiche 138', 142' umfasst, geschaltet. Bei Abtriebswellendrehzahl 120' sind die Drehzahlen der Maschine 12 und des Trägers 49' aufgrund der Einrückung der Kupplungen 50' und 56' im Wesentlichen gleich, so dass die Kupplung 59' im Wesentlichen ohne resultierende Drehmomentstörung eingerückt wird (und Kupplung 50' ausgerückt wird), um von der ersten elektrisch verstellbaren Betriebsart (Betriebsart I) in die zweite elektrisch verstellbare Betriebsart (Betriebsart II) zu schalten. In Betriebsart II fährt die Drehzahl des Motors/Generators 80' fort, mit zunehmender Abtriebswellendrehzahl zuzunehmen, und die Drehzahl des Motors/Generators 82' nimmt mit zunehmender Abtriebswellendrehzahl ab.
Das Getriebe 14' zeichnet sich auch durch eine Betriebsart EVT Rückwärts 146' aus. Bei einer Abtriebsdrehzahl von null können die Kupplungen 52' und 56' eingerückt sein. Die Übersetzungsverhältnisse der aktiven Planetenradsätze 20' und 40' sind derart, dass für gegebene Antriebsdrehzahlen durch die aktiven Zahnradsätze 20', 30' ein negatives Übersetzungsverhältnis erreicht wird, das im Wesentlichen gleich dem Wert des Übersetzungsverhältnisses in der Betriebsart I EVT Vorwärts 130', 134' ist. Somit kann der EVT-Weg genau so betrieben werden, wie in der Betriebsart I EVT Vorwärts, wodurch ein gleiches Rückwärtsleistungsvermögen bereitgestellt wird.
Obgleich die besten Arten zur Ausführung der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute, die diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Elektrisch verstellbares Getriebe, umfassend: einen ersten und zweiten Motor/Generator; einen ersten, zweiten und dritten Differenzialzahnradsatz, wobei jeder ein erstes, zweites und drittes Element aufweist, wobei der erste und zweite Motor/Generator ständig mit einem jeweiligen der Differenzialzahnradsätze verbunden und steuerbar sind, um diesen Leistung zu liefern; eine Vielzahl von Drehmomentübertragungsmechanismen; ein Antriebselement zum Empfang von Leistung von einer Leistungsquelle, das ständig mit einem Element von einem der Zahnradsätze verbunden ist; ein Abtriebselement, das ständig mit einem anderen Element von einem der Zahnradsätze verbunden ist; wobei die Vielzahl von Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv eingerückt werden kann, um Leistung, die durch das Antriebselement von der Leistungsquelle empfangen wird, durch die Differenzialzahnradsätze zu übertragen und somit eine elektrisch verstellbare erste Betriebsart mit Eingangsverzweigung bereitzustellen, die einen Vorwärts- und Rückwärtsbereich mit jeweils gleichen Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahlverhältnissen für gegebene Antriebsdrehzahlen aufweist; wobei der erste Differenzialzahnradsatz zwischen das Antriebselement und den zweiten Motor/Generator geschaltet ist, so dass ein Verbindungselement zwischen dem zweiten Motor/Ge nerator und einem der anderen Differenzialzahnradsätze in der gleichen Richtung wie das Antriebselement rotiert, so dass Drehmoment, das von der Leistungsquelle bereitgestellt wird, Drehmoment, das von dem zweiten Motor/Generator bereitgestellt wird, an dem Abtriebselement hinzugefügt wird.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei die Drehmomentübertragungsmechanismen ferner selektiv eingerückt werden können, um eine elektrisch verstellbare zweite Betriebsart mit Verbundverzweigung bereitzustellen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei die Drehmomentübertragungsmechanismen ferner selektiv eingerückt werden können, um im Wesentlichen gleiche feste Vorwärts- und feste Rückwärtsdrehzahlverhältnisse von dem Abtriebselement zu dem Antriebselement bereitzustellen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei die Drehmomentübertragungsmechanismen ferner selektiv eingerückt werden können, um im Wesentlichen gleiche feste Vorwärts- und feste Rückwärtsdrehzahlverhältnisse von dem Abtriebselement zu dem zweiten Motor/Generator für eine gegebene Drehzahl des zweiten Motors/Generators für ein gleiches Leistungsvermögen bei ausgeschalteter Maschine bereitzustellen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Energiespeichereinrichtung, die betreibbar ist, um dem ersten und zweiten Motor/Generator Leistung zuzuführen oder von diesen Leistung zu empfangen; einen Controller, der betreibbar ist, um eine Leistungsübertragung zwischen der Energiespeichereinrichtung und dem ersten und zweiten Motor/Generator zu steuern; wobei der Controller bewirkt, dass der erste Motor/Generator die Leistung, die durch das Antriebselement von der Leistungsquelle empfangen wird, während Schaltvorgängen in selektiver Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen auf die Energiespeichereinrichtung überträgt.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei einer der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv derart eingerückt werden kann, dass der erste Motor/Generator betreibbar ist, um die Leistungsquelle zu starten und dadurch Drehmoment an dem Antriebselement bereitzustellen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 6, wobei der eine der Drehmomentübertragungsmechanismen eine Bremse ist, die selektiv mit einem Getriebegehäuse in Eingriff gebracht werden kann, um dadurch eine Reaktionsdrehmoment an dem Getriebegehäuse bereitzustellen, wenn der erste Motor/Generator die Leistungsquelle startet.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv eingerückt werden kann, so das Leistung, die von dem ersten Motor/Generator geliefert wird, der Leistung, die von der Leistungsquelle geliefert wird, und der Leistung, die von dem zweiten Motor/Generator geliefert wird, hinzugefügt wird, wodurch ein gleiches und ausreichendes Anfahrleistungsvermögen in entweder dem Vor wärtsbereich oder Rückwärtsbereich der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart bereitgestellt wird.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei der dritte Differenzialzahnradsatz sich durch eine Drehmomentlast von im Wesentlichen null in dem Vorwärtsbereich der ersten elektrisch verstellbaren Betriebsart auszeichnet; und wobei einer der Vielzahl von Drehmomentübertragungsmechanismen synchron mit der Ausrückung eines anderen der Drehmomentübertragungsmechanismen eingerückt wird, um eine Drehmomentlast auf den dritten Differenzialzahnradsatz aufzubringen und von der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart in eine elektrisch verstellbare zweite Betriebsart mit Verbundverzweigung umzuschalten.
Elektrisch verstellbares Getriebe, umfassend: ein Antriebselement zum Empfang von Leistung von einer Leistungsquelle; ein Abtriebselement; einen ersten und zweiten Motor/Generator; einen ersten, zweiten und dritten Differenzialzahnradsatz, die jeweils ein erstes, zweites und drittes Element aufweisen; wobei das Antriebselement ständig mit dem ersten Element des ersten Zahnradsatzes verbunden ist und das Abtriebselement ständig mit einem Element des zweiten oder dritten Zahnradsatzes verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator ständig mit dem zweiten Element des ersten Zahnradsatzes verbunden ist; und ein drehbares Verbindungselement; wobei der zweite Motor/Generator ständig mit dem ersten Element des dritten Zahnradsatzes über das drehbare Verbindungselement verbunden ist; mindestens ein Verbindungselement, das eines der Elemente des zweiten Zahnradsatzes ständig mit einem der Elemente des dritten Zahnradsatzes verbindet; und eine Vielzahl von Drehmomentübertragungsmechanismen, die selektiv eingerückt werden können, um ein im Wesentlichen gleiches Drehmoment an dem Abtriebselement für gegebene Antriebsdrehzahlen in einem Vorwärtsbereich einer elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart und in einem Rückwärtsbereich einer elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart bereitzustellen; wobei der erste Zahnradsatz zwischen das Antriebselement und den zweiten Motor/Generator geschaltet ist, und der zweite Motor/Generator derart gesteuert ist, dass das Verbindungselement in der gleichen Richtung wie das Antriebselement rotiert, so dass Drehmoment, das von der Leistungsquelle bereitgestellt wird, Drehmoment, das von dem zweiten Motor/Generator bereitgestellt wird, an dem Abtriebselement hinzugefügt wird.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 10, wobei mindestens einer der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv eingerückt werden kann, so dass Drehmoment, das von dem ersten Motor/Generator bereitgestellt wird, dem Drehmoment von der Leistungsquelle und dem Drehmoment, das von dem zweiten Motor/Generator bereitgestellt wird, hinzugefügt wird, wodurch ein Anfahrdrehmoment entweder in dem Vorwärts- oder Rückwärtsbereich der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart bereitgestellt wird.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 10, wobei der erste Motor/Generator betreibbar ist, um die Leistungsquelle in entweder dem Vorwärtsbereich der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart oder dem Rückwärtsbereich der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart zu starten, so dass die Leistungsquelle Leistung an dem Antriebselement bereitstellt.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 10, wobei diejenigen der Vielzahl von Drehmomentübertragungsmechanismen, deren selektive Einrückung bestimmt, ob der Vorwärtsbereich der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart oder der Rückwärtsbereich der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart bereitgestellt wird, zwischen dem zweiten Motor/Generator und dem Abtriebselement angeordnet sind.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 10, wobei einer der Vielzahl von Drehmomentübertragungsmechanismen synchron mit der Ausrückung eines anderen der Drehmomentübertragungsmechanismen eingerückt wird, um eine Drehmomentlast auf den dritten Zahnradsatz aufzubringen und von dem Vorwärtsbereich der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart in eine elektrisch verstellbare zweite Betriebsart mit Verbundverzweigung umzuschalten.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 10, wobei einer der Drehmomentübertragungsmechanismen synchron mit der Ausrückung eines anderen der Drehmomentübertragungsmechanismen eingerückt wird, um zwischen dem Vorwärtsbereich und dem Rückwärtsbereich der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart umzuschalten, wenn sich das Abtriebselement durch eine Drehzahl von null auszeichnet.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 15, wobei sich der zweite Motor/Generator durch eine Drehzahl von null auszeichnet, wenn sich das Abtriebselement durch eine Drehzahl von null auszeichnet, wodurch bewirkt wird, dass der zweite und dritte Zahnradsatz sich jeweils durch eine Drehzahl von null auszeichnen, um Reibungsdurchrutschverluste während des Schaltens zwischen den Vorwärts- und Rückwärtsbereichen der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart zu vermindern.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 10, wobei die selektive Einrückung der Vielzahl von Drehmomentübertragungsmechanismen die Vorwärts- und Rückwärtsbereiche der elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart, eine elektrisch verstellbare zweite Betriebsart und sechs feste Vorwärtsdrehzahlbereiche bereitstellt.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Drehmomentübertragungsmechanismen eine erste Bremse und eine zweite Bremse umfasst, wobei die erste Bremse selektiv eingerückt werden kann, um das Element von einem der zweiten und dritten Zahnradsätze, das ständig mit dem Abtriebselement verbunden ist, mit einem Getriebegehäuse zu verbinden, wobei die zweite Bremse selektiv eingerückt werden kann, um ein anderes Element von dem einen der zweiten und dritten Zahnradsätze mit dem Getriebegehäuse zu verbinden, wobei die gleichzeitige Einrückung von sowohl der ersten als auch der zweiten Bremse das Abtriebselement derart verriegelt, dass es sich durch eine Drehzahl von null auszeichnet, wodurch das Getriebegehäuse ein Reaktions drehmoment bereitstellt, um die elektrische Belastung zu verringern, wenn Drehmoment auf das Abtriebselement bei einer Abtriebsdrehzahl von null aufgebracht wird.
Elektrisch verstellbares Getriebe, umfassend: ein Antriebselement zum Empfang von Leistung von einer Leistungsquelle; ein Abtriebselement; einen ersten und zweiten Motor/Generator; einen ersten, zweiten und dritten Differenzialzahnradsatz, die jeweils ein erstes, zweites und drittes Element aufweisen; wobei das Antriebselement ständig mit dem ersten Element des ersten Zahnradsatzes verbunden ist und das Abtriebselement ständig mit dem Element des zweiten Zahnradsatzes verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator ständig mit dem zweiten Element des ersten Zahnradsatzes verbunden ist; ein drehbares Verbindungselement; wobei der zweite Motor/Generator ständig mit dem ersten Element des dritten Zahnradsatzes über das drehbare Verbindungselement verbunden ist; ein erstes Verbindungselement, das das zweite Element des zweiten Zahnradsatzes ständig mit dem zweiten Element des dritten Zahnradsatzes verbindet; ein zweites Verbindungselement, das das dritte Element des zweiten Zahnradsatzes ständig mit dem dritten Element des dritten Zahnradsatzes verbindet; eine Vielzahl von Drehmomentübertragungsmechanismen, die selektiv eingerückt werden können, um ein im Wesentlichen gleiches Drehmoment an dem Abtriebselement für gegebene Antriebsdrehzahlen in einem Vorwärtsbereich einer elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart und in einem Rückwärtsbereich in einer elektrisch verstellbaren ersten Betriebsart bereitzustellen; und wobei der erste Zahnradsatz zwischen das Antriebselement und den zweiten Motor/Generator geschaltet ist, so dass das drehbare Verbindungselement in der gleichen Richtung wie das Antriebselement rotiert, so dass Drehmoment, das von der Leistungsquelle bereitgestellt wird, Drehmoment, das von dem zweiten Motor/Generator bereitgestellt wird, an dem Abtriebselement hinzugefügt wird.