DE102006050598A1

DE102006050598A1 - Elektrisch variables Getriebe mit Antriebsverzweigungsbetriebsart und Verbundverzweigungsbetriebsarten

Info

Publication number: DE102006050598A1
Application number: DE102006050598A
Authority: DE
Inventors: Alan G. Clarkston Holmes
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2007-06-06
Also published as: US7427252B2; CN1959149A; US20070099738A1; CN100538115C

Abstract

Ein Fahrzeuggetriebe umfasst einen differentiellen Zahnradsatz mit fünf koaxialen Zahnradelementen und einem Abtriebselement. Zwei der Zahnradelemente sind über Drehmomentübertragungsmechanismen, wie z.B. Elektromotoren, steuerbar, um mehrere Drehzahlverhältnisse zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle einzurichten. Zwei der anderen Zahnradelemente sind selektiv über eine Zahnradanordnung mit einer Abtriebswelle wirksam verbindbar, die mehrere Drehzahlverhältnisse zwischen den Zahnradelementen und der Abtriebswelle ermöglicht. Zusätzliche Drehmomentübertragungsmechanismen, wie z.B. Kupplungen, können selektiv in Eingriff gebracht werden, um kontinuierlich variable Drehzahlbereiche zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle, feste Übersetzungen und eine elektrische Antriebsbetriebsart zur Verfügung zu stellen. Die verschiedenen Drehzahlverhältnisse ermöglichen eine Vielzahl von Verbundverzweigungs-Betriebsarten und eine Eingangsverzweigungs-Betriebsart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Fahrzeuggetriebe, die einen differentiellen Zahnradsatz und selektiv in Eingriff bringbare Drehmomentübertragungsmechanismen aufweisen, welche zwei elektrische Motor-Generatoren zum Bereitstellen kontinuierlich veränderbarer Drehzahlbereiche, feste Übersetzungen und eine elektrische Antriebsbetriebsart umfassen.
Ein Fahrzeuggetriebe kann mechanische Energie von einem Verbrennungsmotor an den Rest eines Antriebssystems, typischerweise eine feste Übersetzung, Achsen und Räder, liefern. Ein Getriebe ermöglicht einige Freiheit beim Betrieb des Verbrennungsmotors, üblicherweise durch eine abwechselnde Auswahl von fünf oder sechs verschiedenen Gängen, einer Neutralstellung, die es dem Verbrennungsmotor erlaubt, bei stehendem Fahrzeug Zubehör zu betreiben, und einem Rückwärtsgang. Eine Getriebegangwahl ermöglicht typischerweise, dass Energie mit einem Verhältnis von Drehmomentvervielfachung und Geschwindigkeitsverminderung und mit einem Verhältnis von Drehmomentverminderung und Geschwindigkeitsvervielfachung, die als Overdrive bekannt ist, von dem Verbrennungsmotor an den Rest des Antriebssystems geliefert wird.
Ein elektrischer Generator kann mechanische Energie von dem Verbrennungsmotor in elektrische Energie umwandeln, und ein Elektromotor kann diese elektrische Energie bei verschiedenen Drehmomenten und Drehzahlen für den Rest des Fahrzeugantriebssystems in mechanische Energie zurück verwandeln. Diese Anordnung ermöglicht innerhalb der Grenzen der elektrischen Maschinerie eine kontinuierliche Veränderung des Verhältnisses von Drehmoment und Drehzahl zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Rest des Antriebssystems. Eine elektrische Speicherbatterie, die als eine Energiequelle für den Vortrieb verwendet wird, kann zu dieser Anordnung hinzugefügt werden, so dass diese ein serielles elektrisches Hybridantriebssystem bildet.
Das serielle Hybridsystem ermöglicht es dem Verbrennungsmotor, relativ unabhängig von dem Drehmoment, der Drehzahl und der Energie zum Antreiben eines Fahrzeugs zu arbeiten, so dass er gesteuert werden kann, um verbesserte Emissionen und Effizienz zu erreichen. Dieses System ermöglicht es der dem Verbrennungsmotor angefügten elektrischen Maschine, auch als ein Motor zum Starten des Verbrennungsmotors zu arbeiten, und ermöglicht es der dem Rest des Antriebsstrangs angefügten elektrischen Maschine als ein Generator zu wirken, um durch regeneratives Bremsen Energie in die Batterie zurückzugewinnen. Ein serieller elektrischer Antrieb erfordert jedoch, dass die elektrische Maschinerie ausreichend dimensioniert ist, um die gesamte Motorenergie aus einer mechanischen in eine elektrische Form und von einer elektrischen in eine mechanische Form umzuwandeln, und bei dieser zweifachen Umwandlung geht nützliche Energie verloren.
Ein Energieaufteilungsgetriebe kann, was allgemein unter einem "differentielles Getriebe" verstanden wird, verwenden, um ein kontinuierlich variables Drehmoment- und Drehzahlverhältnis zwischen Antrieb und Abtrieb zu erreichen, ohne die gesamte Energie durch die variablen Elemente zu schicken. Eine Form eines differentiellen Getriebes kann ein Planetenradsatz darstellen. Tatsächlich ist ein Planetenradsatz üblicherweise die bevorzugte Ausführungsform, die bei Erfindungen zu differentiellen Getrieben angewendet wird, mit dem Vorteil der Kompaktheit und verschiedener Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen allen Elementen des Planetenradsatzes. Es ist jedoch möglich, diese Erfindung ohne Umlaufgetriebe zu bauen, z.B. unter Verwendung von differentiellen Kegelzahnrädern oder anderen differentiellen Zahnrädern.
Ein einfaches elektrisch variables Getriebe kann differentielle Zahnräder zur Energieaufteilung von dem Verbrennungsmotor in zwei Energiepfade zu den Rädern des Fahrzeugs verwenden; einen elektromechanischen Pfad durch ein Paar von elektrischen Maschinen oder Motor-Generatoren und einen parallelen rein mechanischen Pfad, der eine feste Übersetzung oder alternativ eine wählbare Übersetzung aufweist. Elektrisch variable Getriebe können Antriebsverzweigungs- (Input-Power-Split), Verbundverzweigungs- (Compound-Power-Split) oder Abtriebsverzweigungs- (Output-Power-Split) Konfigurationen bilden.
Ein elektrisch variables Getriebe in einem Fahrzeug kann schlicht mechanische Energie übertragen. Um dies zu erreichen, gleicht die durch einen Motor-Generator erzeugte elektrische Energie die elektrischen Verluste und die durch den anderen Motor-Generator verbrauchte Energie aus. Ein hybrides elektrisch variables Getriebesystem in einem Fahrzeug umfasst eine elektrische Speicherbatterie, so dass die durch einen Motor-Generator erzeugte elektrische Energie größer oder kleiner sein kann als die durch den anderen verbrauchte elektrische Energie. Elektrische Energie aus der Batterie kann es manchmal beiden Motor-Generatoren ermöglichen, als Motoren zu wirken, insbesondere um den Verbrennungsmotor bei der Fahrzeugbeschleunigung zu unterstützen. Beide Motoren können manchmal als Generatoren wirken, um die Batterie wiederaufzuladen, insbesondere beim regenerativen Abbremsen des Fahrzeugs. Elektrische Energie aus der Batterie ermöglicht es auch, den Verbrennungsmotor mit dem Getriebesystem zu starten.
Eine der erfolgreichsten Alternativen für das serielle Hybridgetriebe ist das variable, parallelhybride elektrische Getriebe mit zwei Betriebsarten und Antriebsverzweigung. Ein solches Getriebe verwendet ein Antriebsmittel, um Energie von dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu erhalten, und ein Energieabtriebselement, um Energie zum Antreiben des Fahrzeugs zu liefern. Erste und zweite Motor-Generatoren sind mit einer Energiespeichereinrichtung verbunden, beispielsweise einer Batterie, so dass die Energiespeichereinrichtung von dem ersten und zweiten Motor-Generator Energie empfangen kann und diese mit Energie versorgen kann. Ein Steuerungsmittel regelt den Energiefluss zwischen den Energiespeichereinrichtungen und den Motor-Generatoren sowie zwischen dem ersten und zweiten Motor-Generator.
Durch das Verwenden von Kupplungen kann selektiv ein Betrieb in einer ersten oder zweiten Betriebsart erreicht werden. In einer Betriebsart ist die Abtriebsdrehzahl des Getriebes direkt proportional zu der Drehzahl eines Motor-Generators, und in der zweiten Betriebsart steigt die Abtriebsdrehzahl des Getriebes gemeinsam mit der Drehzahl des anderen Motor-Generators an.
Bei einigen Ausführungsformen des variablen, parallelhybriden elektrischen Getriebes mit zwei Betriebsarten und Antriebsverzweigung wird ein Planetenradsatz selektiv zur Drehmomentvervielfachung verwendet. Zusätzlich können einige Ausführungsformen drei Drehmomentübertragungsmechanismen verwenden – zwei zum Auswählen der für das Getriebe gewünschten Arbeitsbetriebsart und den dritten zum selektiven Trennen des Getriebes von dem Verbrennungsmotor.
Fachleute werden verstehen, dass ein Getriebesystem, das eine Energieaufteilungsanordnung verwendet, Energie aus zwei Quellen empfangen kann. Der Stand der Technik umfasst jedoch keine praktischen Getriebeentwürfe mit einer Antriebsverzweigungs-Betriebsart und mehr als zwei Verbundverzweigungs-Betriebsarten.
Die vorliegende Erfindung kombiniert die Verwendung einer Antriebsverzweigungs-Betriebsart mit einer beliebigen Anzahl von Verbundverzweigungs-Betriebsarten, soweit sie durch die Getriebezahnräder vorgesehen sind. Sie sieht auch einen Betrieb mit festen Übersetzungsverhältnissen vor, um es dem Getriebe zu ermöglichen, ohne Verwendung der elektrischen Motor-Generatoren zu arbeiten, um Energie vom Antrieb zum Abtrieb zu übertragen. Dieser Betrieb mit fester Übersetzung ermöglicht es dem Getriebe selbst dann zu arbeiten, wenn einer oder beide Motor-Generatoren verhindert sind; er ermöglicht einen Getriebeentwurf, der mehr Energie übertragen kann, ohne die Kapazität der Motor-Generatoren zu vergrößern; er ermöglicht es, dass die Motor-Generatoren nur dazu verwendet werden, mit ihrer vollen, kombinierten Kapazität Batterieenergie in Abtriebsenergie umzuwandeln oder Energie aus dem Abtrieb in Batterieenergie umzuwandeln.
Der Mechanismus besteht aus einem Verbundplanetenradsatz, der verbunden ist mit: dem Antrieb, zwei elektrischen Motor-Generatoren und zwei wählbaren mechanischen Energiepfaden zu dem Abtrieb. Der Verbundplanetenradsatz ist so verbunden, dass er zwei unabhängige Drehzahlvariablen zur Verfügung stellt, z.B. die Antriebsdrehzahl und ein Drehzahlverhältnis durch den Zahnradsatz. Die Antriebs-, Motor-Generatoren- und Abtriebselemente sind an dem Verbundplanetenradsatz so angebracht, dass sich ihre Drehzahlen untereinander alle unterscheiden können. Insgesamt kann die Drehzahl eines beliebigen Elements durch eine lineare algebraische Kombination der Drehzahlen von zwei beliebigen anderen Elementen definiert werden.
Daher führt der Betrieb eines einzelnen mechanischen Energiepfads von dem Verbundplanetenradsatz zu dem Abtrieb zu einem kontinuierlich veränderbaren Drehzahlverhältnisbereich für das Getriebe, der durch die Wirkung der Motor-Generatoren gesteuert werden kann.
Der gleichzeitige Betrieb von zwei mechanischen Energiepfaden von dem Verbundplanetenradsatz zu dem Abtrieb führt zu einem mechanischen Drehzahlverhältnis. Es gibt ferner mindestens eine wählbare Verbindung zwischen mindestens einem der elektrischen Motor-Generatoren und dem Abtrieb. Diese wählbaren Verbindungen können verwendet werden, um einen niedrigen Anfahrbereich und einen Rückwärtsanfahrbereich unter Verwendung einer Antriebsenergieaufteilung zur Verfügung zu stellen. Eine Überbrückungskupplung kann vorgesehen sein, um den Verbundplanetenradsatz selektiv im Direktantrieb zu betreiben, so dass zusätzliche feste Übersetzungen gewählt werden können.
Ein Fahrzeuggetriebe ist vorgesehen. Das Getriebe umfasst einen differentiellen Zahnradsatz, der ein erstes, zweites, drittes, viertes und fünftes Zahnradelement aufweist, die untereinander wirksam verbunden sind. Eine Antriebswelle ist mit dem ersten Zahnradelement wirksam verbunden. Ein erster selektiv in Eingriff bringbarer Drehmomentübertragungsmechanismus ist an einem stationären Element montiert und wirksam mit dem zweiten Zahnradelement verbunden. Ein zweiter selektiv in Eingriff bringbarer Drehmomentübertragungsmechanismus ist an dem stationären Element montiert und wirksam mit dem dritten Zahnradelement verbunden. Ein erstes Abtriebsmittel ist wirksam mit dem vierten Zahnradelement verbunden, und ein zweites Abtriebsmittel ist wirksam mit dem fünften Zahnradelement verbunden. Darüber hinaus kann das zweite und/oder dritte Zahnradelement wirksam mit einem Abtriebselement verbunden sein, und das-vierte und/oder-fünfte Zahnradelement kann durch mehr als einen selektiv in Eingriff bringbaren Drehmomentübertragungsmechanismus mit dem Abtrieb wirksam verbunden sein.
Das erfindungsgemäße Getriebe kann mit festen Übersetzungen arbeiten, oder es kann mit Motor-Generatoren als erste und zweite Drehmomentübertragungsmechanismen verwendet werden, um als ein kontinuierlich variables Getriebe eine große Anzahl von Übersetzungsbereichen zur Verfügung zu stellen. Andere Drehmomentübertragungsmechanismen oder Kupplungen sind selektiv in Eingriff bringbar, um verschiedene Komponenten des Getriebes wirksam zu verbinden, um kontinuierlich variable Drehzahlbereiche, feste Übersetzungen und einen Elektroantrieb bereit zu stellen. Der Zahnradsatz ist so ausgebildet, dass die Drehzahlen von zwei Zahnradelementen unabhängig eingestellt werden können und die Drehzahlen der anderen drei Zahnradelemente bestimmen.
Die von den Motor-Generatoren im kontinuierlich variablen Betrieb benötigte Energie wird bei einem kleinen Bruchteil der Energie durch das Getriebe gehalten, während der Übersetzungsbereich weit sein kann. Die Gesamtkapazität oder "Grenzleistung (corner power)" der Motor-Generatoren kann ebenfalls so niedrig gehalten werden, wie es differentielle Getriebe in der Praxis erlauben. Da Elektromotoren im Vergleich mit Getrieben relativ teuer und ineffizient sind, trägt das Begrenzen ihrer Größe dazu bei, das Getriebe vergleichsweise kostengünstig und effizient zu machen. Die Antriebsverzweigungs-Betriebsart verhindert den Energierückfluss oder eine Energieschleife, die beim Anfahren in einem Verbundverzweigungs-Betriebsbereich gebildet würde, wodurch die Anforderungen an die Elektromotoren verringert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuggetriebes mit einem erfindungsgemäßen differentiellen Zahnradsatz ist; und
2 eine Tabelle ist, die einige der Betriebscharakteristiken des Fahrzeuggetriebes von 1 darstellt.
Die hier beschriebene Erfindung ist mit der US-Anmeldung Nr. 10/819,399 vom 7. April 2004 mit dem Titel "Compound Differential Dual Power Path Transmission" verwandt, deren Inhaber General Motors ist und die durch Bezugnahme hierin vollständig umfasst ist.
Mit Bezug auf 1 ist ein Fahrzeuggetriebe 10 schematisch dargestellt. Das Getriebe 10 umfasst einen zusammengesetzten differentiellen Ravigneaux-Zahnradsatz 14. Der Zahnradsatz 14 umfasst ein erstes Hohlradelement 18, ein zweites Hohlradelement 22, ein Planetenträgerbaugruppenelement 26, welches einen ersten Satz von Planetenrädern 30 und einen zweiten Satz von Planetenrädern 34 umfasst, die drehbar daran befestigt sind, ein erstes Sonnenradelement 38 und ein zweites Sonnenradelement 42. Das erste Sonnenradelement 38 steht in kämmendem Eingriff mit dem ersten Satz von Planetenrädern 30. Das zweite Sonnenradelement 42 steht in kämmendem Eingriff mit dem zweiten Satz von Planetenrädern 34. Das erste Hohlradelement 18 steht in kämmendem Eingriff mit dem ersten Satz von Planetenrädern 30, und das zweite Hohlradelement 22 steht in kämmendem Eingriff mit dem zweiten Satz von Planetenrädern 34. Der erste Satz von Planetenrädern 30 steht in kämmendem Eingriff mit dem zweiten Satz von Planetenrädern 34.
Der differentielle Zahnradsatz 14 weist fünf Elemente 18, 22, 26, 38, 42 auf einer gemeinsamen Achse A auf und ist so eingerichtet, dass die Drehzahlen zweier beliebiger Zahnradelemente unabhängig voneinander festgelegt werden können, und die Drehzahlen der anderen drei Zahnradelemente von den Drehzahlen abhängen, die für die zwei Zahnradelemente festgelegt sind. So können z.B. die Drehzahlen des Planetenträgers 26 und des ersten Sonnenrads 38 unabhängig festgelegt werden, und die Drehzahlen des zweiten Sonnenrads 42, des ersten Hohlrads 18 und des zweiten Hohlrads 22 werden durch die Drehzahlen des Planetenträgers 26 und des ersten Sonnenrads 38 bestimmt. Auf ähnliche Weise können die Drehzahlen des Planetenträgers 26 und des zweiten Sonnenrads 42 unabhängig festgelegt werden, und die Drehzahlen des ersten Sonnenrads 38, des ersten Hohlrads 18 und des zweiten Hohlrads 22 werden durch die Drehzahlen des Planetenträgers 26 und des zweiten Sonnenrads 42 bestimmt. Das Getriebe 10 umfasst ferner eine Antriebswelle 46.
Ein erster Drehmomentübertragungsmechanismus 50 verbindet das zweite Sonnenradelement 42 wirksam mit einem stationären Element, wie z.B. dem Getriebegehäuse 54. Ein zweiter Drehmomentübertragungsmechanismus 58 verbindet das erste Sonnenradelement 38 wirksam mit dem Getriebegehäuse 54. Die ersten und zweiten Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 58 können innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung Reibungsbremsen, elektrische Motor-Generatoren, Kombinationen daraus, etc. sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 58 Elektromotoren, die jeweils einen Stator 62, der starr an dem Gehäuse 54 montiert ist, und einen Rotor 66 aufweisen, der starr an einem der Sonnenräder 38, 42 befestigt ist, um sich mit diesen zu drehen. Der Rotor 66 des ersten Drehmomentübertragungsmechanismus 50 ist mittels einer Hülse 70 um die Antriebswelle 46 an dem Sonnenrad 42 befestigt.
Abtriebselemente
Das Getriebe 10 umfasst zwei Abtriebselemente, nämlich eine erste Vorgelegewelle 78 und eine zweite Vorgelegewelle 80, die wirksam mit dem Zahnradsatz 14 verbunden sind und die zusammen drei auswählbare Energiepfade schaffen, durch die Energie an eine Abtriebswelle 76 fließen kann. Vier Zahnradelemente 82, 84, 86 und 88 sind mit der ersten Vorgelegewelle 78 verbunden, um sich mit dieser zu drehen. Vier Zahnradelemente 90, 92, 94 und 96 sind mit der zweiten Vorgelegewelle 80 verbunden, um sich mit dieser zu drehen. Zahnradelemente 102, 106 und 110 sind durch eine Zentralwelle 77 drehbar gelagert. Ein Zahnradelement 114 ist durch die Abtriebswelle 76 drehbar gelagert. Die Zahnradelemente 102, 106, 110 und 114 stehen in kämmendem Eingriff mit den Zahnradelementen 82, 84, 86 bzw. 88. Die Zahnradelemente 102, 106, 110 und 114 stehen in kämmendem Eingriff mit den Zahnradelementen 90, 92, 94 bzw. 96.
Kupplungen
Wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform dargestellt, sind mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen, wie z.B. Kupplungen, so konfiguriert, dass sie selektiv eine Antriebsverbindung zwischen verschiedenen Komponenten des Getriebes 10 herstellen. Eine erste Kupplung 72 ist selektiv in Eingriff bringbar, um eine Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26 zu verbinden.
Eine zweite Kupplung 74 ist selektiv in Eingriff bringbar, um das erste Hohlradelement 18 durch eine Zentralwelle 77 mit dem zweiten Hohlradelement 22 wirksam zu verbinden. Eine Hülse 75 umgibt die Zentralwelle 77.
Eine dritte Kupplung 100 ist selektiv in Eingriff bringbar, um das erste Sonnenradelement 38 (und den Rotor 66 des zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus 58) mit einem Zahnradelement 102 wirksam zu verbinden. Das Zahnradelement 102 ist durch die Zentralwelle 77 drehbar gelagert. Das Zahnradelement 102 ist durch kämmende Eingriffe mit den Zahnradelementen 82 bzw. 90 mit den Vorgelegewellen 78 und 80 verbunden.
Eine vierte Kupplung 104 ist selektiv in Eingriff bringbar, um das erste Hohlradelement 18 mit einem Zahnradelement 106 wirksam zu verbinden. Das Zahnradelement 106 ist durch die Zentralwelle 77 drehbar gelagert. Das Zahnradelement 106 ist durch kämmende Eingriffe mit den Zahnradelementen 84 bzw. 92 mit den Vorgelegewellen 78 und 80 verbunden.
Eine fünfte Kupplung 108 ist selektiv in Eingriff bringbar, um das erste Hohlradelement 18 mit einem Zahnradelement 110 zu verbinden. Das Zahnradelement 110 ist durch die Zentralwelle 77 drehbar gelagert. Das Zahnradelement 110 ist durch kämmende Eingriffe mit den Zahnradelementen 86 bzw. 94 mit den Vorgelegewellen 78 und 80 verbunden.
Eine sechste Kupplung 112 ist selektiv in Eingriff bringbar, um das zweite Hohlrad 22 durch die Zentralwelle 77 mit einem Zahnradelement 114 wirksam zu verbinden, welches mit der Abtriebswelle 76 verbunden ist.
Betriebsarten
Wie in 2 dargestellt und unten beschrieben, sind die in 1 gezeigten Drehmomentübertragungsmechanismen und Kupplungen selektiv in Eingriff bringbar, um mehrere kontinuierlich variable Drehzahlbereiche (V1-V4), feste Übersetzungen (F1-F7) und eine elektrische Antriebsbetriebsart (E1) zu schaffen.
Feste Drehzahlverhältnisse
Ein erstes Vorwärtsdrehzahlverhältnis F1 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72, der zweiten Kupplung 74 und der dritten Kupplung 100 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Eingangswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26. Die zweite Kupplung 74 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit dem zweiten Hohlradelement 22. Die dritte Kupplung 100 verbindet das erste Sonnenradelement 38 wirksam mit zwei Abtriebselementen, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80.
Ein zweites Vorwärtsdrehzahlverhältnis F2 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72, der dritten Kupplung 100 und der vierten Kupplung 104 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26. Die dritte Kupplung 100 verbindet das erste Sonnenradelement 38 wirksam mit zwei Abtriebselementen, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80. Die vierte Kupplung 104 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit einem der zwei Abtriebselemente, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80.
Ein drittes Vorwärtsdrehzahlverhältnis F3 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72, der zweiten Kupplung 74 und der vierten Kupplung 104 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26. Die zweite Kupplung 74 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit dem zweiten Hohlradelement 22. Die vierte Kupplung 104 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit zwei Abtriebselementen, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80.
Ein viertes Vorwärtsdrehzahlverhältnis F4 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72, der vierten Kupplung 104 und der sechsten Kupplung 112 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26. Die vierte Kupplung 104 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit zwei Abtriebselementen, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80. Die sechste Kupplung 112 verbindet das zweite Hohlrad 22 wirksam mit der Abtriebswelle 76.
Ein fünftes Vorwärtsdrehzahlverhältnis F5 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72, der zweiten Kupplung 74 und der sechsten Kupplung 112 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26. Die zweite Kupplung 74 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit dem zweiten Hohlradelement 22. Die sechste Kupplung 112 verbindet das zweite Hohlrad wirksam mit der Abtriebswelle 76.
Ein sechstes Vorwärtsdrehzahlverhältnis F6 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72, der fünften Kupplung 108 und der sechsten Kupplung 112 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26.
Die fünfte-Kupplung 108 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit zwei Abtriebselementen, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80. Die sechste Kupplung 112 verbindet das zweite Hohlrad 22 wirksam mit der Abtriebswelle 76.
Ein siebtes Vorwärtsdrehzahlverhältnis F7 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72, der zweiten Kupplung 74 und der fünften Kupplung 108 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26. Die zweite Kupplung 74 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit dem zweiten Hohlradelement 22. Die fünfte Kupplung 108 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit zwei Abtriebselementen, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80.
Elektrische Antriebsbetriebsart
Eine elektrische Antriebsbetriebsart E1 wird durch das in Eingriff bringen der dritten Kupplung 100 begründet. Die dritte Kupplung 100 verbindet das erste Sonnenradelement 38 wirksam mit zwei Abtriebselementen, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80. Die Antriebswelle 46 ist nicht mit dem Rest des Getriebes 10 verbunden, d.h. der Verbrennungsmotor ist von dem Getriebe 10 abgetrennt. Energie wird durch die Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 58 zur Verfügung gestellt, die als Elektromotoren arbeiten.
Betriebsarten mit kontinuierlich variablem Bereich
Wenn die Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 58 Elektromotoren sind oder Elektromotoren umfassen, kann das Getriebe 10 als ein CVT (CVT von continuously variable transmission) betrieben werden, indem es Energie mit einem Elektromotor aufnimmt und sie in dem anderen Elektromotor verwendet. Das Getriebe 10 von 1 ist zu mehreren kontinuierlich variablen Bereichen oder Betriebsarten in der Lage.
Ein erster variabler Drehzahlbereich V1 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72 und der dritten Kupplung 100 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26. Die dritte Kupplung 100 verbindet das erste Sonnenradelement 38 wirksam mit zwei Abtriebselementen, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80.
Ein zweiter variabler Drehzahlbereich V2 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72 und der vierten Kupplung 104 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26. Die vierte Kupplung 104 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit zwei Abtriebselementen, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80.
Ein dritter variabler Drehzahlbereich V3 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72 und der sechsten Kupplung 112 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26. Die sechste Kupplung 112 verbindet das zweite Hohlrad 22 wirksam mit der Abtriebswelle 76.
Ein vierter variabler Drehzahlbereich V4 wird durch das in Eingriff bringen der ersten Kupplung 72 und der fünften Kupplung 108 begründet. Die erste Kupplung 72 verbindet die Antriebswelle 46 wirksam mit dem Planetenträgerbaugruppenelement 26. Die fünfte Kupplung 108 verbindet das erste Hohlradelement 18 wirksam mit zwei Abtriebselementen, der ersten Vorgelegewelle 78 und der zweiten Vorgelegewelle 80.
Die kontinuierlich variablen Bereiche sind Antriebsverzweigung, wenn die dritte Kupplung 100 in Eingriff steht, d.h. der variable Bereich V1 ist Antriebsverzweigung. Die Betriebsarten V2, V3 und V4 sind Verbundverzweigung: Die Antriebsverzweigungs-Konfiguration weist einen besonderen Vorteil beim Anfahren des Fahrzeugs auf, weil einer der elektrischen Motor-Generatoren bei Drehzahl Null ist und der Abtrieb bei Drehzahl Null ist; beim Anfahren liegt keine Energieschleife vor. Eine Verbundverzweigungs-Konfiguration weist einen besonderen Vorteil beim Betrieb mit begrenzten Drehzahlverhältnissen auf, weil sie einen definierten und relativ breiten Bereich aufweisen, in welchem Getriebeenergie nach vorwärts gespeist wird und keine Energieschleife in diesem Bereich vorliegt.
Jeder CVT-Bereich oder jede CVT-Betriebsart ist abgedeckt, wenn die Drehzahl eines Drehmomentübertragungsmechanismus abnimmt und die Drehzahl des anderen zunimmt. Daher entspricht jede CVT-Betriebsart einem wie oben beschriebenen Schalten zwischen den festen Drehzahlverhältnissen des Getriebes. Übergänge zwischen aufeinander folgenden Betriebsarten oder Bereichen treten auf, wenn die Vorgelegewellenzahnräder selektiv in Eingriff und außer Eingriff gebracht werden und entsprechen den festen Drehzahlverhältnissen des oben beschriebenen Getriebes.
Auf diese Weise können dieselben Getriebezahnräder, Verbundplanetenräder und die Zahnräder der zwei Vorgelegewellen sowohl bei abgestuften Übersetzungs- als auch kontinuierlich variablen Getrieben nützlich sein, und es kann tatsächlich ein Getriebe konstruiert werden, das auf beide Arten effektiv arbeitet. Das Getriebe 10 kann praktisch als ein abgestuftes Übersetzungsgetriebe, ein CVT oder eine Kombination der beiden betrieben werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die erste Vorgelegewelle 78 und die zweite Vorgelegewelle 80 gleichzeitig mit der Abtriebswelle 76 wirksam verbunden sein können, so dass beide Vorgelegewellen Energie an die Abtriebswelle übertragen.
Die Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 58 steuern selektiv die Drehzahl der Sonnenränder 42, 38. Wie oben beschrieben, werden verschiedene Drehzahlverhältnissen zwischen der Antriebswelle 46 und den zwei Vorgelegewellen 78 und 80 durch selektives in Eingriff bringen der Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 58 und der Kupplungen 72, 74, 100, 104, 112, 108 und eine entsprechende Steuerung der Sonnenraddrehzahl begründet.
Obwohl bei einer bevorzugten Ausführungsform die Vorgelegewellen 78, 80 zusammen als ein einzelnes wirksames Abtriebsmittel und die Abtriebswelle direkt als ein anderes Abtriebsmittel verwendet werden, werden Fachleute eine Vielzahl verschiedener Abtriebselementkonfigurationen erkennen, die im Rahmen der Erfindung angewendet werden können, um doppelte Energiepfade von dem Zahnradsatz 14 zu einer Abtriebswelle 76 zu bilden. So können z.B. Elemente eines zweiten Planetenradsatzes wirksam mit den ersten und zweiten Hohlrädern 18 und 22 verbunden sein und selektiv über Kupplungen mit einer Abtriebswelle in Eingriff gebracht werden. Darüber hinaus werden Fachleute erkennen, dass es wünschenswert sein kann, zusätzliche Zahnräder zu den Vorgelegewellen und der Abtriebswelle hinzuzufügen, um die Anzahl von Drehzahlverhältnissen zu erhöhen, die zwischen den Vorgelegewellen und der Abtriebswelle verfügbar sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Getriebe 10 auch eine Energiespeichereinrichtung, wie z.B. eine Batterie 136, die über leitfähige Drähte 134 mit den Elektromotoren der Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 58 verbunden ist, um Energie von diesen zu empfangen und diese mit Energie zu versorgen. Ein Controller 132 ist mit der Batterie und den Elektromotoren wirksam verbunden, um den Energiefluss zwischen ihnen zu regeln. Auf diese Weise wird ein Hybridgetriebe gebildet. Wenn die Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 58 elektrische Generatoren sind, können sie unbegrenzt Drehmoment anwenden, auch wenn sich ihre Wellen drehen. Auf diese Weise können die oben beschriebenen Gänge in Verbundverzweigungs-Arbeitsbereiche umgewandelt werden. Das bedeutet, dass das Bremsdrehmoment und die Drehzahl, die von einem der Drehmomentübertragungsmechanismen aufgewendet wird, um das Zahnradelement, das einer der Vorgelegewellen entspricht, langsamer als den Antrieb zu drehen, in Energie umgewandelt werden kann, die durch den anderen Drehmomentübertragungsmechanismus verwendet wird, um das Element, das der anderen Vorgelegewelle entspricht, schneller als den Antrieb zu drehen.
Zusammengefasst weist ein Fahrzeuggetriebe einen differentiellen Zahnradsatz mit fünf koaxialen Zahnradelementen und einem Abtriebselement auf. Zwei der Zahnradelemente sind über Drehmomentübertragungsmechanismen, wie z.B. Elektromotoren, steuerbar, um mehrere Drehzahlverhältnissen zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle einzurichten. Zwei der anderen Zahnradelemente sind selektiv über eine Zahnradanordnung mit einer Abtriebswelle wirksam verbindbar, die mehrere Drehzahlverhältnissen zwischen den Zahnradelementen und der Abtriebswelle ermöglicht. Zusätzliche Drehmomentübertragungsmechanismen, wie z.B. Kupplungen, können selektiv in Eingriff gebracht werden, um kontinuier lich variable Drehzahlbereiche zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle, feste Übersetzungen und eine elektrische Antriebsbetriebsart zur Verfügung zu stellen. Die verschiedenen Drehzahlverhältnisse ermöglichen eine Vielzahl von Verbundverzweigungs-Betriebsarten und eine Eingangsverzweigungs-Betriebsart.

Claims

Fahrzeuggetriebe, das umfasst: ein stationäres Element; einen differentiellen Zahnradsatz, der erste, zweite, dritte, vierte und fünfte koaxiale Zahnradelemente aufweist, die untereinander wirksam verbunden sind; eine Antriebswelle; eine Abtriebswelle; erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Drehmomentübertragungsmechanismen, die selektiv in Eingriff bringbar sind, um eines der Zahnradelemente wirksam mit dem stationären Element oder mit der Abtriebswelle zu verbinden; wobei die ersten und zweiten Drehmomentübertragungsmechanismen in der Lage sind, Energie wirksam untereinander auszutauschen; wobei der Betrieb der Drehmomentübertragungsmechanismen zu einer Input-Split Betriebsart, einer ersten Compound-Split Betriebsart, einer zweiten Compound-Split Betriebsart und einer dritten Compound-Split Betriebsart des Getriebes führt; und wobei der Zahnradsatz so gestaltet ist, dass die Drehzahlen von zwei der Zahnradelemente unabhängig voneinander festgelegt werden können und die Drehzahlen der anderen drei Zahnradelemente bestimmen.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle mit dem ersten Zahnradelement wirksam verbunden ist; der erste Drehmomentübertragungsmechanismus an dem stationären Element angebracht ist und selektiv in Eingriff bringbar ist, um sich mit dem zweiten Zahnradelement wirksam zu verbinden; der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus an dem stationären Element angebracht ist und selektiv in Eingriff bringbar ist, um sich mit dem dritten Zahnradelement wirksam zu verbinden; der dritte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff bringbar ist, um eines der Zahnradelemente mit der Abtriebswelle wirksam zu verbinden, um eine Antriebsverzweigungs-Betriebsart zu bilden, wobei das eine Zahnradelement wirksam mit dem ersten oder zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus verbunden ist; der vierte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff bringbar ist, um das vierte Zahnradelement wirksam mit der Abtriebswelle zu verbinden, um eine erste Verbundverzweigungs-Betriebsart zu bilden; der fünfte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff bringbar ist, um das fünfte Zahnradelement wirksam mit der Abtriebswelle zu verbinden, um eine zweite Verbundverzweigungs-Betriebsart zu bilden; und der sechste Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff bringbar ist, um das vierte Zahnradelement mit der Abtriebswelle wirksam zu verbinden, um eine dritte Verbundverzweigungs-Betriebsart zu bilden.
Getriebe nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Abtriebselement, das wirksam mit der Abtriebswelle verbunden ist; wobei: der dritte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff bringbar ist, um das Zahnradelement, das mit dem ersten oder zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus wirksam verbunden ist, wirksam mit dem Abtriebselement zu verbinden, um die Eingangsverzweigungs-Betriebsart zu bilden; der vierte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff bringbar ist, um das vierte Zahnradelement mit dem Abtriebselement wirksam zu verbinden, um die erste Verbundverzweigungs-Betriebsart zu bilden; und der fünfte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff bringbar ist, um das fünfte Zahnradelement direkt mit der Abtriebswelle wirksam zu verbinden, um die zweite Verbundverzweigungs-Betriebsart zu bilden; und der sechste Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff bringbar ist, um das vierte Zahnradelement mit dem Abtriebselement wirksam zu verbinden, um die dritte Verbundverzweigungs-Betriebsart zu bilden.
Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement mindestens eine Vorgelegewelle umfasst.
Getriebe nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen siebten Drehmomentübertragungsmechanismus, der selektiv in Eingriff bringbar ist, um ein Zahnradelement mit einem anderen Zahnradelement auf eine Weise wirksam zu verbinden, die bewirkt, dass alle Zahnradelemente des Zahnradsatzes mit der im Wesentlichen gleichen Drehzahl rotieren.
Getriebe nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen achten Drehmomentübertragungsmechanismus, der selektiv außer Eingriff bringbar ist, um die Antriebswelle wirksam von dem ersten Zahnradelement zu trennen.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzahlverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle selektiv durch selektives in Eingriff bringen der ersten und zweiten Drehmomentübertragungsmechanismen variierbar ist, um die Drehzahl des zweiten bzw. dritten Zahnradelements zu steuern.
Getriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Drehzahlverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle begründet ist, wenn der dritte und siebte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff stehen; ein zweites Drehzahlverhältnis zwischen der Eingangswelle und der Abtriebswelle begründet ist, wenn der dritte und vierte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff stehen; ein drittes Drehzahlverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle begründet ist, wenn der vierte und siebte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff stehen; ein viertes Drehzahlverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle begründet ist, wenn der vierte und fünfte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff stehen; ein fünftes Drehzahlverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle begründet ist, wenn der fünfte und siebte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff stehen; ein sechstes Drehzahlverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle begründet ist, wenn der fünfte und sechste Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff stehen; und ein siebtes Drehzahlverhältnis zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle begründet ist, wenn der sechste und siebte Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv in Eingriff stehen.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der differentielle Zahnradsatz einen Planetenträger, ein erstes Sonnenrad, ein zweites Sonnenrad, ein erstes Hohlrad und ein zweites Hohlrad umfasst; der Planetenträger mit einem ersten Satz von Planetenrädern, die mit dem ersten Sonnenrad und dem ersten Hohlrad kämmen, und einem zweiten Satz von Planetenrädern ausgestattet ist, die mit dem zweiten Sonnenrad und dem zweiten Hohlrad kämmen; und der erste Satz von Planetenrädern mit dem zweiten Satz von Planetenrädern kämmt.
Getriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zahnradelement der Planetenträger, das zweite Zahnradelement das eine Sonnenrad, das dritte Zahnradelement das andere Sonnenrad, das vierte Zahnradelement das eine Hohlrad und das fünfte Zahnradelement das andere Hohlrad ist.
Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drehmomentübertragungsmechanismus und der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus elektrische Motor-Generatoren sind.
Getriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Energiespeichereinrichtung zum Empfangen von Energie von und zum Liefern von Energie an den ersten und zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus; und einen Controller zum Regeln des Energieflusses zwischen der Energiespeichereinrichtung und dem ersten und zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus.
Getriebe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrieb durch die Betätigung des ersten und/oder zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus allein durch Energie aus der Energiespeichereinrichtung angetrieben werden kann, ohne Energie von dem Antrieb.
Fahrzeuggetriebe, welches umfasst: ein stationäres Element; einen differentiellen Zahnradsatz, der einen Planetenträger, ein erstes Sonnenrad, ein zweites Sonnenrad, ein erstes Hohlrad und ein zweites Hohlrad aufweist; wobei der Planetenträger mit ei nem ersten Satz von Planetenrädern, die mit dem ersten Sonnenrad und dem ersten Hohlrad kämmen, und einem zweiten Satz von Planetenrädern ausgestattet ist, die mit dem zweiten Sonnenrad und dem zweiten Hohlrad kämmen; und wobei der erste Satz von Planetenrädern mit dem zweiten Satz von Planetenrädern kämmt; einen ersten elektrischen Motor-Generator, der an dem stationären Element angebracht ist und mit dem ersten Sonnenrad wirksam verbunden ist; einen zweiten elektrischen Motor-Generator, der an dem stationären Element angebracht ist und mit dem zweiten Sonnenrad wirksam verbunden ist; eine Abtriebswelle; ein Abtriebselement; eine erste Kupplung, die selektiv in Eingriff bringbar ist, um die Antriebswelle mit dem Planetenträger wirksam zu verbinden; eine zweite Kupplung, die selektiv in Eingriff bringbar ist, um das erste Hohlrad mit dem zweiten Hohlrad wirksam zu verbinden; eine dritte Kupplung, die selektiv in Eingriff bringbar ist, um das erste Sonnenrad wirksam mit dem Abtriebselement zu verbinden, um eine Eingangsverzweigungs-Betriebsart zu bilden; eine vierte Kupplung, die selektiv in Eingriff bringbar ist, um das erste Hohlrad mit dem Abtriebselement zu verbinden, um eine erste Verbundverzweigungs-Betriebsart zu bilden; eine fünfte Kupplung, die selektiv in Eingriff bringbar ist, um das zweite Hohlrad mit der Abtriebswelle wirksam zu verbinden, um eine zweite Verbundverzweigungs-Betriebsart zu bilden; und eine sechste Kupplung, die selektiv in Eingriff bringbar ist, um das erste Hohlrad mit dem Abtriebselement wirksam zu verbinden, um eine dritte Verbundverzweigungs-Betriebsart zu bilden.
Getriebe nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Energiespeichereinrichtung, um Energie zu empfangen von dem und Energie zu liefern an den ersten und zweiten elektrischen Motor-Generator; und einen Controller zum Regeln des Energieflusses zwischen der Energiespeichereinrichtung und dem ersten und zweiten Motor-Generator.
Getriebe nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch sechste, siebte und achte Zahnradelemente, die mit einer Zentralwelle wirksam verbunden sind, um sich mit dieser zu drehen; ein neuntes Zahnradelement, das mit der Abtriebswelle wirksam verbunden ist, um sich mit dieser zu drehen; und zehnte, elfte, zwölfte und dreizehnte Zahnradelemente, die mit dem Abtriebselement wirksam verbunden sind, um sich mit diesem zu drehen.