DE102006060402B4

DE102006060402B4 - Elektromechanisches Hybridgetriebe mit einem einzigen Motor/Generator und Verfahren zur Steuerung

Info

Publication number: DE102006060402B4
Application number: DE102006060402.4A
Authority: DE
Inventors: Alan G. Holmes; Michael R. Schmidt; Donald Klemen
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: CN100540944C; US7256510B2; DE102006060402A1; CN101000084A; US20070145749A1

Abstract

Elektromechanisches Getriebe (14), umfassend: ein Antriebselement (17) zur Aufnahme von Leistung von einer Maschine (12); ein Abtriebselement (19) zur Abgabe von Leistung von dem Getriebe (14); einen einzigen Motor/Generator (18), wobei sich das Getriebe (14) durch ein Fehlen eines weiteren Motors/Generators, der einen Leistungsfluss zwischen dem Antriebselement (17) und dem Abtriebselement (19) beeinflusst, auszeichnet; einen einzigen einfachen Planetenradsatz (20), der ein erstes Element, ein zweites Element und ein drittes Element umfasst; eine erste Kupplung (C1), die selektiv einrückbar ist, um eine erste stufenlos verstellbare Betriebsart herzustellen, die sich durch einen ersten Bereich von Drehzahlverhältnissen auszeichnet; und eine zweite Kupplung (C2), die selektiv einrückbar ist, um eine zweite stufenlos verstellbare Betriebsart herzustellen, die sich durch einen zweiten Bereich von Drehzahlverhältnissen auszeichnet; wobei die Einrückung von einer von der ersten und zweiten Kupplung (C1, C2) und die Ausrückung der anderen von der ersten und zweiten Kupplung (C1, C2), um zwischen den jeweiligen stufenlos verstellbaren Betriebsarten umzuschalten, mit einer Relativdrehzahl von im Wesentlichen Null über die beiden Kupplungen (C1, C2) hinweg bewerkstelligt werden kann, während sowohl das Antriebselement (17) als auch das Abtriebselement (19) rotieren; wobei die erste Kupplung (C1) selektiv einrückbar ist, um das Antriebselement (17) mit dem ersten Element zu verbinden, wobei die zweite Kupplung (C2) selektiv einrückbar ist, um das Antriebselement (17) mit dem zweiten Element zu verbinden, und wobei der Motor/Generator (18) wirksam mit dem dritten Element verbunden ist; und ferner umfassend: eine dritte Kupplung (C3), die selektiv einrückbar ist, um das Abtriebselement (19) wirksam mit dem zweiten Element zu verbinden; eine vierte Kupplung (C4), die selektiv einrückbar ist, um das Abtriebselement (19) wirksam mit dem ersten Element zu verbinden; und ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromechanisches Getriebe mit einem einzigen Elektromotor/Generator.
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 mechanische Nutzleistung umgewandelt wird. Ein neuartiges Getriebesystem, das mit Brennkraftmaschinen verwendet werden kann und das den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen vermindern kann, kann für die Allgemeinheit von großem Nutzen sein.
Die breite Vielfalt in den Anforderungen, die Fahrzeuge typischerweise an Brennkraftmaschinen stellen, erhöht den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen über den Idealfall für derartige Maschinen hinaus. Typischerweise wird ein Fahrzeug von solch einer Maschine angetrieben, die durch einen kleinen Elektromotor und relativ kleine elektrische Speicherbatterien aus einem kalten Zustand gestartet wird und anschließend schnell durch Antriebs- und Zusatzausrüstung unter Lasten gesetzt wird. Eine derartige Maschine wird auch durch einen breiten Bereich von Drehzahlen und einen breiten Bereich von Lasten und typischerweise mit einem Durchschnitt von etwa einem Fünftel seiner maximalen Ausgangsleistung betrieben.
Ein Fahrzeuggetriebe liefert typischerweise mechanische Leistung von einer Maschine an den Rest eines Antriebssystems, wie ein festes Achsantriebsgetriebe, Achsen und Räder. Ein typisches mechanisches Getriebe erlaubt eine gewisse Freiheit im Maschinenbetrieb, und zwar gewöhnlich durch alternative Auswahl von fünf oder sechs unterschiedlichen Antriebsübersetzungsverhältnissen, eine Neutralauswahl, die zulässt, dass die Maschine Nebenaggregate bei stehendem Fahrzeug betreiben kann, und Kupplungen oder einen Drehmomentwandler für glatte Übergänge zwischen Antriebsübersetzungsverhältnissen und um das Fahrzeug aus der Ruhe 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 werden kann.
Ein elektrischer Generator kann mechanische Leistung von der Maschine in elektrische Leistung umwandeln, und ein Elektromotor kann diese elektrische Leistung zurück in mechanische Leistung mit unterschiedlichen Drehmomenten und Drehzahlen für den Rest des Fahrzeugantriebssystems umwandeln. Diese Anordnung erlaubt eine kontinuierliche Veränderung im 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 ein 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 an der Brennkraftmaschine angebracht ist, als Motor zum Anlassen der Brennkraftmaschine 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 kann eine sogenannte ”Differenzialzahnradanordnung” verwenden, um ein stufenlos verstellbares Drehmoment- und Drehzahlverhältnis zwischen Antrieb und Abtrieb zu erreichen. Ein elektrisch verstellbares Getriebe kann eine Differenzialzahnradanordnung verwenden, um einen Teil seiner übertragenen Leistung durch ein Paar Elektromotoren/Generatoren zu übertragen. Der Rest seiner Leistung fließt durch einen anderen parallelen Weg, der vollständig mechanisch und direkt mit einem festen Übersetzungsverhältnis oder alternativ wählbar ist.
Ein Planetenradsatz kann, wie Fachleuten bekannt ist, eine Form einer Differenzialzahnradanordnung bilden. Eine Planetenradanordnung ist gewöhnlich die bevorzugte Ausführungsform, die in mit differenziellen Zahnradanordnungen ausgestatteten Erfindungen 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 des Zahnradsatzes immer ein gewichteter Mittelwert von Drehzahlen der beiden anderen Elemente ist.
Ein Getriebesystem für ein Hybridelektrofahrzeug umfasst auch eine oder mehrere elektrische Energiespeichereinrichtungen. Die typische Einrichtung ist eine chemisch-elektrische Speicherbatterie, es können aber auch kapazitive oder mechanische Einrichtungen, wie etwa ein elektrisch angetriebenes Schwungrad, enthalten sein. Ein Speicher für elektrische Energie 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 auch das Starten der Maschine mit dem Getriebesystem und ein regeneratives Bremsen des Fahrzeugs.
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.
Elektromechanische Getriebe für Hybridantriebssysteme sind in den Druckschriften US 6 592 484 B1 , DE 10 2005 022 011 A1 , DE 101 40 424 A1 , DE 196 32 855 A1 , US 5 730 675 A , DE 103 12 391 A1 , US 2002/0061802 A1 und DE 199 06 601 A1 offenbart.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein effektives und kostengünstig herstellbares elektromechanisches Getriebe mit zwei stufenlos verstellbaren Betriebsarten zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein kompaktes, paralleles, elektromechanisches Hybridgetriebe mit reduzierten Kosten, das nur einen einzigen Motor/Generator aufweist, vorgesehen. Vorteile eines elektromechanischen Getriebes, wie etwa Emissionsverminderungen und eine Kraftstoffwirtschaftlichkeitsverbesserung, können realisiert werden, während eine Kostenverringerung aufgrund der Beseitigung eines zweiten Motors/Generators möglich ist. Zusätzlich bewerkstelligt das elektromechanische Hybridgetriebe hierin ein synchrones Schalten zwischen stufenlos verstellbaren Betriebsarten (so wie sie hierin verwendet wird, ist eine ”Betriebsart” ein besonderer Betriebszustand, ob er nun einen stufenlosen Bereich von Drehzahlverhältnissen oder nur ein festes Drehzahlverhältnis umfasst, welcher durch Einrückung eines besonderen Drehmomentübertragungsmechanismus oder von besonderen Drehmomentübertragungsmechanismen erreicht wird). Mit anderen Worten bietet das Getriebe ein synchrones Schalten zwischen verstellbaren Bereichen, wodurch das Schaltgefühl und der Komfort für den Fahrgast optimiert werden. Synchrones Schalten bedeutet, dass Drehmomentübertragungsmechanismen, die in einem weggehenden Drehzahlverhältnis verwendet werden, gelöst werden, wenn Drehmomentübertragungsmechanismen, die in einem herankommenden Drehzahlverhältnis verwendet werden, eingerückt werden, wobei die Relativdrehzahlen der zwei arbeitenden Teile von jedem der Drehmomentübertragungsmechanismen sehr niedrig sind (im Wesentlichen Null). Da nur ein einziger Motor/Generator angewandt wird, ist dessen Fähigkeit, Leistung zu liefern (wenn er als Motor wirkt) und Leistung zu empfangen (wenn er als Generator wirkt) durch die Energiespeicherfähigkeit der Batterie begrenzt, von der der einzige Motor/Generator Leistung zur Beaufschlagung des Getriebes empfängt, oder die dem Motor/Generator Leistung liefert, die von dem Getriebe aufgenommen wird. Dementsprechend lässt ein nachstehend beschriebenes Verfahren eine Steuerung des Getriebes mit einem optimalen Energiewirkungsgrad im Lichte der Begrenzungen der Batterie zu.
Genauer umfasst ein elektromechanisches Getriebe innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung ein Antriebselement zur Aufnahme von Leistung von einer Maschine und ein Abtriebselement zur Abgabe von Leistung von dem Getriebe. Das Getriebe umfasst auch einen einzigen Motor/Generator. Ein ”einziger Motor/Generator” bedeutet, dass sich das Getriebe durch das Fehlen von irgendwelchen anderen Motoren/Generatoren, die den Leistungsfluss zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement beeinflussen, auszeichnet. Das Getriebe umfasst auch einen einzigen einfachen Planetenradsatz, der ein erstes, ein zweites und ein drittes Element umfasst. Das Antriebselement und der Motor/Generator sind jeweils wirksam mit unterschiedlichen Elementen des Planetenradsatzes entweder ständig oder selektiv über Kupplungen verbindbar.
Durch das Getriebe werden mindestens zwei stufenlos verstellbare Betriebsarten erreicht. Eine erste Kupplung ist selektiv einrückbar, um eine erste stufenlos verstellbare Betriebsart herzustellen, die einen ersten bevorzugten Bereich von Drehzahlverhältnissen aufweist. Eine zweite Kupplung ist selektiv einrückbar, um eine stufenlos verstellbare Betriebsart herzustellen, die sich durch einen zweiten bevorzugten Bereich von Drehzahlverhältnissen auszeichnet. Die erste Kupplung verbindet vorzugsweise den einzigen Motor/Generator mit einem der Elemente des Planetenradsatzes, und eine Einrückung der zweiten Kupplung verbindet den einzigen Motor/Generator mit einem anderen Element des Planetenradsatzes. Die Drehzahl des Abtriebselements ist eine Kombination aus der Drehzahl des Antriebselements und der Drehzahl des Motors/Generators. Wie es Fachleute verstehen werden, wird in einer stufenlos verstellbaren Betriebsart Leistung von der Maschine geliefert und fließt auch von oder zu dem Motor/Generator. Mehr als eine stufenlos verstellbare Betriebsart zu besitzen, vermindert das Ausmaß an Motor/Generator-Leistung, die notwendig ist, um das Drehzahlverhältnis durch das Getriebe von dem Antriebselement zu dem Abtriebselement zu steuern.
Es ist ein synchrones Schalten zwischen den stufenlos verstellbaren Betriebsarten vorgesehen, d. h. eine Einrückung von einem von der ersten und zweiten Kupplung und ein Ausrücken von der anderen von der ersten und zweiten Kupplung, um zwischen jeweiligen stufenlos verstellbaren Betriebsarten umzuschalten, tritt im Wesentlichen gleichzeitig und wenn die Relativdrehzahlen der zwei Komponenten von jeder der ersten und zweiten Kupplungen im Wesentlichen Null beträgt auf. Dieser synchrone Schaltbetrieb steht mit den meisten Getrieben aus dem Stand der Technik im Kontrast, bei denen das gesamte Schaltereignis beträchtliche Relativdrehzahlen über zumindest eine Kupplung umfasst. Es ist auch vorzugsweise eine Anzahl von festen Drehzahlverhältnissen erreichbar, indem andere Kupplungen eingerückt werden, wie es nachstehend weiter beschrieben wird. Einige von diesen festen Drehzahlverhältnissen kehren die Richtung zwischen dem Abtriebselement relativ zu dem Antriebselement um, und die stufenlos verstellbaren Betriebsarten können verwendet werden, um die Richtung des Abtriebselements umzukehren.
Der Planetenradsatz und die Verbindungen des Antriebselements, des Abtriebselements, des einzigen Motors/Generators und der verschiedenen Drehmomentübertragungsmechanismen werden am besten durch eine Hebelanalogie beschrieben. Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung ist der Planetenradsatz spezifisch durch einen ersten Hebel eines Hebeldiagramms mit mindestens drei Knoten, d. h. einem ersten, einem zweiten und einem dritten Knoten, dargestellt. In diesem Fall ist die erste Kupplung selektiv einrückbar, um das Antriebselement mit dem ersten Knoten zu verbinden. Die zweite Kupplung ist selektiv einrückbar, um das Antriebselement mit dem zweiten Knoten zu verbinden. Der Motor/Generator ist wirksam mit dem dritten Knoten verbunden. Eine dritte Kupplung ist selektiv einrückbar, um das Abtriebselement wirksam mit dem zweiten Knoten zu verbinden. Eine vierte Kupplung ist selektiv einrückbar, um das Abtriebselement wirksam mit dem ersten Knoten zu verbinden. Eine erste Bremse ist selektiv einrückbar, um den dritten Knoten an einem feststehenden Element, wie etwa dem Getriebegehäuse, festzulegen. Die Einrückung der ersten und dritten Kupplung stellt die erste stufenlos verstellbare Betriebsart her, wohingegen die Einrückung der zweiten und vierten Kupplung die zweite stufenlos verstellbare Betriebsart herstellt. Darüber hinaus lassen die zusätzlichen Kupplungen und die Bremse feste Betriebsarten zu. Beispielsweise stellt das Einrücken der ersten und dritten Kupplung sowie der Bremse ein erstes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis her. Die Einrückung von entweder der ersten oder der zweiten Kupplung sowie sowohl der dritten als auch der vierten Kupplung stellt ein zweites festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis her. Alternativ kann das zweite feste Vorwärtsdrehzahlverhältnis durch Einrückung sowohl der ersten als auch der zweiten Kupplung und nur einer der dritten und vierten Kupplung hergestellt werden. Die Einrückung von der zweiten und vierten Kupplung sowie der Bremse stellt ein drittes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis her.
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 einer Ausführungsform eines elektromechanischen Hybridgetriebes innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, das in Hebeldiagrammform durch einen Drei-Knoten-Hebel dargestellt ist;
2 ist eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Hybridgetriebes gemäß einer zur Erfindung alternativen Ausgestaltung, das in Hebeldiagrammform durch einen Vier-Knoten-Hebel dargestellt ist;
3 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform eines elektromechanischen Hybridgetriebes mit drei Knoten innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, das eine Bremse umfasst, um ein festes Rückwärtsdrehzahlverhältnis zu erreichen;
4 ist eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Hybridgetriebes gemäß einer weiteren zur Erfindung alternativen Ausgestaltung, das durch ein Vier-Knoten-Hebeldiagramm darstellbar ist, das eine Bremse umfasst, um ein festes Rückwärtsdrehzahlverhältnis zu erreichen;
5 ist eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Hybridgetriebes gemäß einer weiteren zur Erfindung alternativen Ausgestaltung; das in Hebeldiagrammform durch einen Fünf-Knoten-Hebel dargestellt ist;
6 ist eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Hybridgetriebes gemäß einer weiteren zur Erfindung alternativen Ausgestaltung, das durch ein Fünf-Knoten-Hebeldiagramm dargestellt ist, welches zwei zusätzliche Kupplungen umfasst, um ein festes Rückwärtsdrehzahlverhältnis zu erreichen;
7A ist eine schematische Darstellung in Stickdiagrammform des Getriebes, das durch den Vier-Knoten-Hebel in 2 dargestellt ist und eine Anordnung mit Abtriebsvorgelegewelle aufweist;
7B ist eine Wahrheitstabelle, die eingerückte Drehmomentübertragungsmechanismen darstellt, um verschiedene Betriebsarten in dem Getriebe von 7A zu erreichen;
8A ist eine schematische Darstellung in Stickdiagrammform eines anderen elektromechanischen Vier-Knoten-Hybridgetriebes, wie es durch das Hebeldiagramm in 2 dargestellt ist, welches eine koaxiale Auslegung aufweist;
8B ist eine Wahrheitstabelle, die eingerückte Drehmomentübertragungsmechanismen darstellt, um verschiedene Betriebsarten in dem Getriebe von 8A zu erreichen;
9A ist eine schematische Darstellung in Stickdiagrammform eines elektromechanischen Hybridgetriebes, wie es durch das Fünf-Knoten-Hebeldiagramm von 5 dargestellt ist, welches eine koaxiale Auslegung aufweist; und
9B ist eine Wahrheitstabelle, die eingerückte Drehmomentübertragungsmechanismen darstellt, um verschiedene Betriebsarten in dem Getriebe von 9A zu erreichen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile beziehen, zeigt 1 einen Antriebsstrang 10 mit einer Maschine 12, die mit einer Ausführungsform eines elektromechanischen Getriebes 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 aufzunehmen. Die Maschine 12 weist eine Abtriebswelle auf, die mit einem Antriebselement 17 des Getriebes 14 verbindbar ist. Das Antriebselement 17 ist selektiv mit einem Zahnradsatzelement des Getriebes 14, das durch einen ersten Knoten A eines Hebels 20 dargestellt ist, über eine erste Kupplung C1 verbindbar. Die Maschine 12 ist wirksam mit Knoten A des Hebels 20 verbunden, wenn C1 eingerückt ist. Der Hebel 20 stellt einen einfachen Planetenradsatz dar und kann als solcher bezeichnet werden. Der Hebel 20 umfasst einen ersten Knoten A sowie einen zweiten und einen dritten Knoten B bzw. C. Die Knoten A, B und C stellen ein erstes, zweites und drittes Element des Planetenradsatzes 20 dar, vorzugsweise ein Hohlrad, einen Träger und ein Sonnenrad. Alternativ ist das Antriebselement 17 selektiv mit dem Knoten B über einen zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus oder eine zweite Kupplung C2 verbindbar, um die Maschine 12 wirksam mit dem Knoten B zu verbinden. Ein dritter Drehmomentübertragungsmechanismus oder eine dritte Kupplung C3 verbindet selektiv ein Abtriebselement 19 mit dem zweiten Knoten B. Das Abtriebselement 19 ist wirksam mit einem Achsantriebsmechanismus verbunden, um Räder des Fahrzeugs (nicht gezeigt) mit Energie zu beaufschlagen, wie es Fachleute allgemein verstehen werden. Alternativ kann das Abtriebselement 19 selektiv mit dem Knoten A durch einen vierten Drehmomentübertragungsmechanismus oder eine vierte Kupplung C4 verbunden sein. Ein einziger Motor/Generator 18 ist wirksam mit dem dritten Knoten C verbunden, um dem Hebel Leistung zu liefern oder von diesem Leistung zu empfangen. Eine Bremse B1 ist selektiv einrückbar, um den Knoten C mit dem Getriebegehäuse 60 zu verbinden.
Von dem Getriebe 14 können zwei stufenlos verstellbare Betriebsarten und drei Betriebsarten mit festem Verhältnis erreicht werden. Genauer wird eine erste stufenlos verstellbare Betriebsart erreicht, indem die Kupplungen C1 und C3 eingerückt werden. Eine zweite stufenlos verstellbare Betriebsart wird erreicht, indem die Kupplungen C2 und C4 eingerückt werden. Ein Schalten zwischen der ersten stufenlos verstellbaren Betriebsart und der zweiten stufenlos verstellbaren Betriebsart kann bewerkstelligt werden, indem C1 und C3 gelöst werden, während C2 und C4 eingerückt werden. Dieses Schalten ist durch die Pfeile in 1 dargestellt. Das Schalten kann synchron sein, d. h. es kann bewerkstelligt werden, wenn die Drehzahlen der Elemente, die durch die Knoten A und B dargestellt sind, gleich sind, und daher, wenn unmittelbar vor, während und unmittelbar nach dem Schalten die Relativdrehzahlen über alle Kupplungen C1, C2, C3 und C4 im Wesentlichen Null betragen.
Um das erste feste Vorwärtsdrehzahlverhältnis herzustellen, wird die Bremse B1 während der ersten stufenlos verstellbaren Betriebsart (d. h. während C1 und C3 eingerückt sind), eingerückt. Um das zweite feste Vorwärtsdrehzahlverhältnis herzustellen, werden entweder C1 oder C2 und sowohl C3 als auch C4 eingerückt, oder sowohl C1 als auch C2 und nur eine von C3 und C4 eingerückt. Die Einrückung aller Kupplungen C1, C2, C3 und C4 führt zu einem Betrieb mit dem zweiten festen Vorwärtsdrehzahlverhältnis. Um das dritte feste Vorwärtsdrehzahlverhältnis herzustellen, wird die Bremse B1 während der zweiten stufenlos verstellbaren Betriebsart (d. h. während die Kupplungen C2 und C4 eingerückt sind) eingerückt.
Nach 2 weist ein Antriebsstrang 100 ein zur Erfindung alternatives Getriebe 114 mit einem zusammengesetzten Planetenradsatz auf, das durch den Hebel 120 dargestellt ist, der ein zusammengesetzter Planetenradsatz mit vier Knoten ist: ein erster Knoten A, ein zweiter Knoten B, ein dritter Knoten C und ein vierter Knoten D. Die Maschine 12 ist ständig mit dem zweiten Knoten B über das Antriebselement 17 verbunden, und das Abtriebselement 19 ist ständig mit dem dritten Knoten C verbunden. Ein einziger Motor/Generator 118 ist selektiv mit dem dritten Knoten C über den ersten Drehmomentübertragungsmechanismus C1 oder alternativ mit dem vierten Knoten D über die Kupplung C2 verbindbar. Eine Bremse B1 verbindet den dritten Knoten C selektiv mit dem Getriebegehäuse 160, und eine Bremse B2 verbindet den vierten Knoten D selektiv mit dem Getriebegehäuse 160. Wie der Hebel 20 mit drei Knoten in dem Getriebe 14 von 1 erreicht das Getriebe 114 mit dem Hebel 120 mit vier Knoten zwei stufenlos verstellbare Betriebsarten und drei Betriebsarten mit festem Verhältnis. Das Getriebe 114 erfordert nur zwei Kupplungen und zwei Bremsen, um diese fünf Betriebsarten zu erreichen. Die erste stufenlos verstellbare Betriebsart wird mit der Einrückung der Kupplung C1 erreicht, um den Motor/Generator 118 mit dem Knoten C zu verbinden. Die zweite stufenlos verstellbare Betriebsart wird mit der Einrückung der Kupplung C2 erreicht, um den Motor/Generator 118 mit dem Knoten D zu verbinden. Ein Schalten zwischen der ersten stufenlos verstellbaren Betriebsart und der zweiten stufenlos verstellbaren Betriebsart kann synchron bewerkstelligt werden, indem die Kupplung C1 gelöst wird, während die Kupplung C2 eingerückt wird, wenn die Drehzahlen der Knoten C und D gleich sind. Ein erstes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung der Bremse B1 erreicht. Ein zweites festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung sowohl der Kupplung C1 als auch der Kupplung C2 erreicht. Ein drittes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung der Bremse B2 erreicht. Der Motor/Generator 118 kann in irgendeiner der Betriebsarten verwendet werden, indem er wirksam mit dem Hebel 120 mittels Einrückung der Kupplung C1 oder C2 verbunden wird, um die Maschine beim Antreiben des Fahrzeugs zu unterstützen oder Elektrizität für die Batterie und Nebenaggregatleistung zu erzeugen. Darüber hinaus kann der Elektromotor alleine für solch nützliche Zwecke rotieren, wie das Antreiben mechanischer Fahrzeugnebenaggregate, während das Fahrzeug und die Maschine gestoppt sind, indem beide Kupplungen C1 und C2 ausgerückt werden.
3 veranschaulicht, dass ein Rückwärtsgang an einem Getriebe 14' des Antriebsstrangs 10' erreicht werden kann. Das Getriebe 14' weist einen einfachen Planetenradsatz, der durch einen Hebel 20' (mit Knoten A', B' und C') dargestellt ist, und einen einzigen Motor/Generator 18' auf. Die Maschine 12 ist ständig mit dem Knoten B' über das Antriebselement 17 verbunden. Das Abtriebselement 19 ist ständig mit dem Knoten A' verbunden. Eine stufenlos verstellbare Betriebsart wird erreicht, indem der Motor/Generator 18' derart angeordnet wird, dass er mit dem Knoten C' durch eine Kupplung C5 verbindbar ist. Zusätzlich wird ein festes Rückwärtsdrehzahlverhältnis erreicht, indem eine Bremse B5 eingerückt wird, die den Knoten C' an einem Getriebegehäuse 60' festlegt.
4 veranschaulicht, dass ein Rückwärtsgang durch ein zur Erfindung alternatives Getriebe 114', das durch einen Hebel 120' mit vier Knoten (d. h. einen zusammengesetzten Planetenradsatz) dargestellt ist, eines Antriebsstrangs 100' erreicht wird. Die Maschine 12 ist mit dem ersten Knoten A' über das Antriebselement 17 verbunden, und das Abtriebselement 19 ist mit einem zweiten Knoten B' verbunden. Eine Bremse B1 verbindet den dritten Knoten C' selektiv mit einem Getriebegehäuse 160'. Der Motor/Generator 118' ist selektiv mit dem vierten Knoten D' über Kupplung C5 verbindbar, um eine stufenlos verstellbare Betriebsart zu erreichen. Um ein festes Rückwärtsdrehzahlverhältnis zu erreichen, verbindet eine Bremse B5 den Knoten D' selektiv mit dem Getriebegehäuse 160'. Durch Bremsen des Hebels 120' zwischen der Maschine 12 und dem Abtrieb 19 wird ein festes Rückwärtsdrehzahlverhältnis erreicht.
In 5 ist ein Antriebsstrang 200 gezeigt, der ein zur Erfindung alternatives Getriebe 214 mit einem Hebel 220 mit fünf Knoten aufweist, der zwei oder mehr miteinander verbundene Planetenradsätze darstellt. Der Hebel 220 umfasst einen ersten Knoten A, einen zweiten Knoten B, einen dritten Knoten C, einen vierten Knoten D und einen fünften Knoten E. Eine Maschine 12 ist ständig mit dem ersten Knoten A über Antriebselement 17 verbunden. Ein Abtriebselement 19 ist ständig mit dem zweiten Knoten B verbunden. Ein Motor/Generator 218 ist selektiv mit dem dritten Knoten C über einen ersten Drehmomentübertragungsmechanismus C1 verbindbar. Alternativ kann der Motor/Generator 218 selektiv mit dem vierten Knoten D über einen zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus C2 verbindbar sein. In einer alternativen Ausführungsform verbindet der erste Drehmomentübertragungsmechanismus C1 den Motor/Generator 218 mit dem fünften Knoten E statt mit dem dritten Knoten C. Diese alternative Anordnung würde erfordern, dass der Motor/Generator 218 in der Lage wäre, mehr Drehmoment als mit den selektiven Verbindungen, die in 5 gezeigt sind, zu erzeugen. Eine erste Bremse B1 verbindet den fünften Knoten E selektiv mit dem Getriebegehäuse 260. Eine zweite Bremse B2 verbindet den dritten Knoten C selektiv mit dem Getriebegehäuse 260, und eine dritte Bremse B3 verbindet den fünften Knoten D selektiv mit dem Getriebegehäuse 260.
Eine erste stufenlos verstellbare Betriebsart wird mit der Einrückung von C1 hergestellt, und eine zweite stufenlos verstellbare Betriebsart wird mit der Einrückung von C2 hergestellt. Ein Schalten zwischen den Betriebsarten kann vorgenommen werden, indem C2 eingerückt wird, während C1 ausgerückt wird, oder umgekehrt. Zusätzlich zu den zwei stufenlos verstellbaren Betriebsarten kann das Getriebe 214 vier feste Vorwärtsdrehzahlverhältnisse erreichen. Das erste feste Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung der Bremse B1 hergestellt, und es kann entweder die Kupplung C1 oder die Kupplung C2 verwendet werden, um den Motor/Generator derart zu verbinden, dass er mit dem Antrieb oder dem Abtrieb rotiert. Ein zweites festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung der Bremse B2 hergestellt, und die Kupplung C2 kann verwendet werden, um den Motor/Generator zu verbinden. Ein drittes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung sowohl der Kupplung C1 als auch der Kupplung C2 hergestellt. Ein viertes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung der Bremse B3 hergestellt, und die Kupplung C1 kann verwendet werden, um den Motor/Generator zu verbinden.
Nach 6 ist der Antriebsstrang 200 von 5 geringfügig abgewandelt, um einen Antriebsstrang 200' mit einem Getriebe 214' zu erreichen, das einen Hebel 220' mit fünf Knoten umfasst, indem eine dritte Kupplung C3 und eine vierte Kupplung C4 hinzugefügt sind, die ein rückwärtiges festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis zulassen, wie es nachstehend beschrieben ist. Die Kupplung C1 verbindet den Motor/Generator 218' selektiv mit dem Knoten C. Die Kupplung C2 verbindet den Motor/Generator 218' selektiv mit dem Knoten D. Die Bremse B1 verbindet den Knoten E selektiv mit dem Getriebegehäuse 260'. Die Bremse B2 verbindet den Motor/Generator 218' selektiv mit dem Knoten C. Die Bremse B3 verbindet den Knoten D selektiv mit dem Getriebegehäuse 260'. Wenn C3 eingerückt ist, ist die Maschine 12 wirksam mit dem Knoten A über Antriebselement 17 verbunden, und die erste und die zweite stufenlos verstellbare Betriebsart sowie die drei festen Vorwärtsdrehzahlverhältnisse, die oben in Bezug auf 5 beschrieben wurden, können erreicht werden, indem die anderen Drehmomentübertragungsmechanismen eingerückt werden, die erforderlich sind, um derartige jeweilige Drehzahlverhältnisse herzustellen, wie es oben beschrieben wurde. Wenn jedoch C3 ausgerückt wird und C4 zusammen mit B1 eingerückt wird, wird ein festes Rückwärtsdrehzahlverhältnis erreicht. Eine stufenlos verstellbare Betriebsart ist erreichbar, indem C2 und C4 eingerückt werden.
In 7A ist ein Antriebsstrang 310 gezeigt, der ein zur Erfindung alternatives elektromechanisches Getriebe 314 aufweist, das einen ersten Planetenradsatz 320 umfasst, der mit einem zweiten Planetenradsatz 330 verbunden ist, um einen Vier-Knoten-Hebel zu bilden (wie es nachstehend besprochen wird). Eine Maschine 12 ist mit einem Antriebselement 17 verbunden. Ein Elektromotor/Generator 318 umfasst einen Rotorabschnitt 381, der zur Rotation mit einer Welle 350 verbunden ist, sowie einen Statorabschnitt 382, der an einem Getriebegehäuse 360 festgelegt ist. Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 380 ist wirksam mit sowohl einem Umrichter 384 als auch einer elektrischen Speichereinrichtung oder Batterie 386 verbunden. Die elektronische Steuereinheit 380 und der Umrichter 384 kommunizieren über Übertragungsleiter 388A. Die elektronische Steuereinheit 380 und die Batterie 386 kommunizieren über Übertragungsleiter 388B. Die Batterie 386 ist wirksam mit dem Motor/Generator 318 über den Umrichter 384 verbunden, der mit dem Motor/Generator 318 und der Batterie 386 über Übertragungsleiter 388C bzw. 388D verbunden ist. Die ECU 380 kann auch mit dem Motor/Generator 318 oder anderen elektrischen Fahrzeugkomponenten (nicht gezeigt), wie etwa elektrischen Hilfskraftlenk- und elektrischen Motorbremssystemen etc., kommunizieren.
Die ECU 380 spricht auf eine Vielfalt von Eingangssignalen an, die eine Fahrzeuggeschwindigkeit, einen Bedienerbefehl, das Niveau, zu dem die Batterie 386 aufgeladen ist, die Leistung, die durch die Maschine 12 aufgebracht wird, und die Drehzahl des Fahrzeugs umfassen, um den Leistungsfluss zwischen dem Motor/Generator 318 und der Batterie 386 zu regeln. Die ECU 380 kann den Motor/Generator 318 mittels des Umrichters 384 beeinflussen, so dass dieser entweder als Motor oder als Generator wirkt. Die ECU 380 regelt auch den Leistungsfluss in und aus der Batterie 386 zu dem Motor 318 über den Umrichter 384.
Der erste Planetenradsatz 320 umfasst ein Sonnenrad 322, ein Hohlrad 324 und einen Träger 329, der mehrere Planetenräder 327 umfasst, die kämmend mit sowohl dem Sonnenrad 322 als auch dem Hohlrad 324 in Eingriff stehen.
Der zweite Planetenradsatz 330 umfasst ein Sonnenrad 332, ein Hohlrad 334 und einen Träger 339. Der Träger 339 umfasst mehrere Planetenräder 337, die kämmend mit sowohl dem Sonnenrad 332 als auch dem Hohlrad 334 in Eingriff stehen. Der Träger 339 ist ständig mit dem Hohlrad 324 über ein Verbindungselement 370 verbunden, und das Hohlrad 334 ist ständig mit dem Träger 329 über ein Verbindungselement 372 verbunden.
Die Zahnräder 352 und 356 rotieren um die Welle 350. Ein erster Drehmomentübertragungsmechanismus, Kupplung C1, ist selektiv einrückbar, um das Zahnrad 352 wirksam mit der Welle 350 zu verbinden. Das Zahnrad 352 kämmt mit Zahnrad 354, das mit dem Sonnenrad 332 verbunden ist und mit diesem rotiert. Ein zweiter Drehmomentübertragungsmechanismus C2 ist selektiv einrückbar, um das Zahnrad 356 wirksam mit der Welle 350 zu verbinden. Das Zahnrad 356 kämmt mit dem Zahnrad 358, das zur Rotation mit der Zwischenwelle 361 verbunden ist.
Ein Übertragungszahnrad 362 ist zur Rotation mit dem Hohlrad 324 und dem Träger 339 verbunden und kämmt mit einem Übertragungszahnrad 364, das zur Rotation mit der ersten Übertragungswelle 366 verbunden ist. Ein zweites Übertragungszahnrad 368 ist auch zur Rotation mit der ersten Übertragungswelle 366 verbunden und kämmt mit einem Differenzial- oder Achsantriebsmechanismus 390, der wirksam mit dem Abtriebselement 19 oder einer Antriebsachse verbunden ist, wie es Fachleute verstehen werden.
Eine erste Bremse B1 ist selektiv einrückbar, um das Zahnrad 354 mit dem Getriebegehäuse 360 zu verbinden, und eine zweite Bremse B2 ist selektiv einrückbar, um das Zahnrad 358 mit dem Getriebegehäuse 360 zu verbinden.
In Bezug auf das Hebeldiagramm von 2 fungieren die miteinander verbundenen Hohlrad 334 und Träger 329 als erster Knoten A. Die miteinander verbundenen Hohlrad 324 und Träger 339 fungieren als zweiter Knoten B. Das Sonnenrad 332 fungiert als dritter Knoten C. Das Sonnenrad 322 fungiert als vierter Knoten D.
Nach 7B gibt eine Wahrheitstabelle die fünf Betriebsarten an, die von dem Getriebe 314 von 7A erreichbar sind. Eingerückte Drehmomentübertragungsmechanismen sind mit ”EIN” beschriftet. Genauer lässt eine erste stufenlos verstellbare Betriebsart V1 einen ersten verstellbaren Bereich von Drehzahlverhältnissen zu und wird durch Einrückung der ersten Kupplung C1 erreicht. Mit der Einrückung der ersten Kupplung C1 ist der Motor durch die Welle 350 wirksam mit dem Sonnenrad 332 verbunden. Die Maschine 12 ist durch das Antriebselement 17 wirksam mit dem Träger 229 verbunden. Die Drehzahl des Abtriebselements 19 ist eine Kombination aus der Drehzahl des Antriebselements 17 und der Drehzahl der Welle 350 des Motors/Generators. Der Leistungsfluss von dem Motor/Generator trifft an den Träger 339 auf die Leistung, die von der Maschine 12 hinzugefügt wird, und wird an das Abtriebselement 19 durch die kämmenden Zahnräder 362, 364, 368 und an den Achsantriebsmechanismus 390 geliefert. Wenn der Motor/Generator 318 gesteuert wird, um in der ersten stufenlos verstellbaren Betriebsart V1 als Generator zu arbeiten, wird etwas von der Leistung, die von der Maschine 12 fließt, von dem Träger 339 durch das Sonnenrad 332 zu dem Motor/Generator 318 durch die eingerückte Kupplung C1 und die Welle 350 und dann zu der Batterie 386 der Steuerung der ECU 380 gelenkt.
Wieder nach 7B wird eine zweite stufenlos verstellbare Betriebsart V2 durch Einrückung der Kupplung C2 erreicht. Die Drehzahl des Abtriebselements 19 ist eine Kombination aus der Drehzahl des Antriebselements 17 und der Drehzahl der Welle 350 des Motors/Generators. Um von der ersten verstellbaren Betriebsart V1 in die zweite verstellbare Betriebsart V2 zu schalten, wird die Kupplung C1 ausgerückt, wenn die Kupplung C2 eingerückt wird. Um ähnlich von der Betriebsart V2 in Betriebsart V1 zu schalten, wird die Kupplung C2 ausgerückt, während die Kupplung C1 eingerückt wird. In der zweiten stufenlos verstellbaren Betriebsart V2 fließt Leistung von der Maschine 12 zu dem Träger 329. Leistung fließt von dem Motor/Generator 318 durch die Welle 350 zu den kämmenden Zahnrädern 356 und 358 über die eingerückte Kupplung C2. Dann fließt Leistung entlang der Zwischenwelle 361 zu dem Sonnenrad 322, wo sie an dem Träger 329 zu der Leistung, die von der Maschine 12 fließt, hinzugefügt wird. Die Leistung fließt anschließend von dem Hohlrad 324 zu dem Träger 339 über das Verbindungselement 370. Die Leistung wird durch Zahnräder 362, 364, 368 und den Achsantriebsmechanismus 390 auf das Abtriebselement 19 übertragen. Wenn der Motor/Generator 318 gesteuert wird, um in der Betriebsart V2 als Generator zu arbeiten, wird dann Leistung, die von der Maschine 12 hinzugefügt wird, von dem Träger 329 durch das Sonnenrad 322, die Zahnräder 358 und 356 und die Welle 350 zu dem Motor/Generator und unter der Steuerung der ECU 380 zu der Batterie 386 gelenkt.
Wie es in 7B angegeben ist, wird das erste feste Vorwärtsdrehzahlverhältnis F1 mit der Einrückung der Bremse B1 und der Kupplung C2 hergestellt. Die Maschine 12 liefert Leistung an das Antriebselement 17, das mit dem Träger 329 verbunden ist. Der Träger 329 rotiert mit der gleichen Drehzahl wie das Hohlrad 334. Der Motor/Generator 318 ist wirksam mit dem Sonnenrad 322 verbunden und rotiert mit einem festen Drehzahlverhältnis relativ zu dem Antriebselement 17 oder dem Abtriebselement 19. Sein Drehmoment und seine Leistung sind nicht notwendig, um das Drehzahlverhältnis durch das Getriebe 314 zu regeln, aber er kann als Motor, um die Maschine 12 unter Verwendung von Leistung von der Batterie 386 zu unterstützen, oder als Generator verwendet werden, um Leistung von dem Abtriebselement 19 aufzunehmen und diese in der Batterie 386 zu speichern. Das Sonnenrad 332 ist an dem feststehenden Gehäuse 360 über die Bremse B1 festgelegt. Der Träger 339 und das Hohlrad 324 sind durch die Zahnräder 362, 364, 368 und 370 mit dem Abtriebselement 19 verbunden. Die Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnisse beider Planetenradsätze 320 und 330 beeinflussen den Zahlenwert des festen Drehzahlverhältnisses.
Ein zweites festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis F2 wird mit der Einrückung der Kupplungen C1 und C2 hergestellt. Die Kupplungen C1 und C2 verbinden die Zahnräder 352 und 356 jeweils mit der Welle 350. Indem dies vorgenommen wird, sind die Sonnenräder 322 und 332 miteinander verbunden, um mit einem festen Drehzahlverhältnis miteinander zu rotieren, obwohl nicht notwendigerweise mit der gleichen Drehzahl, wenn das Verhältnis von Zahnrad 356 zu Zahnrad 358 sich von dem Verhältnis von Zahnrad 352 zu Zahnrad 354 unterscheidet. Da der Träger 327 mit dem Hohlrad 334 verbunden ist, ist der Träger 339 ständig mit dem Hohlrad 324 verbunden, und die Sonnenräder 322 und 332 sind wirksam verbunden, wobei ein festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis erreicht ist, wie es Fachleute verstehen werden.
Ein drittes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung der Kupplung C1 und der Bremse B2 hergestellt. Die Bremse B2 legt das Sonnenrad 322 an dem Getriebegehäuse 360 fest, indem das Zahnrad 358 festgelegt wird. Die Maschine 12 ist mit dem Träger 329 über das Antriebselement 17 verbunden. Der Motor/Generator 318 ist mit dem Sonnenrad 332 über die Welle 350 und die Zahnräder 352 und 354 aufgrund der Einrückung der Kupplung C1 verbunden. Der Motor/Generator 318 rotiert mit einem festen Drehzahlverhältnis relativ zu dem Antriebselement 17 oder dem Abtriebselement 19. Sein Drehmoment und seine Leistung sind nicht notwendig, um das Drehzahlverhältnis durch das Getriebe 314 zu regeln, aber er kann als Motor, um die Maschine 12 unter Verwendung von Leistung von der Batterie 386 zu unterstützen, oder als Generator verwendet werden, um Leistung von dem Abtriebselement 19 aufzunehmen und diese in der Batterie 386 zu speichern. Das Abtriebselement 19 ist wirksam mit dem Hohlrad 324 verbunden, wie es oben beschrieben ist. Das Hohlrad 324 rotiert mit der gleichen Drehzahl wie der Träger 329. Der Träger 339 rotiert mit der gleichen Drehzahl wie das Hohlrad 324. Diese Anordnung führt zu einem festen Drehzahlverhältnis zwischen dem Antriebselement 17 und dem Abtriebselement 19.
Die miteinander verbundenen Träger 329 und Hohlrad 334 fungieren als der erste Knoten A des Hebels 120 von 2. Die miteinander verbundenen Hohlrad 324 und Träger 339 fungieren als der zweite Knoten B von 2. Das Sonnenrad 332 fungiert als der dritte Knoten C von 2, und das Sonnenrad 322 fungiert als der vierte Knoten D von 2.
Nach 8A weist ein Antriebsstrang 410 ein zur Erfindung alternatives elektromechanisches Getriebe 414 auf, das einen ersten Planetenradsatz 420 umfasst, der mit einem zweiten Planetenradsatz 430 verbunden ist, um einen Vier-Knoten-Hebel zu bilden (wie es nachstehend besprochen wird). Eine Maschine 12 ist mit einem Antriebselement 17 verbunden. Ein Elektromotor/Generator 418 umfasst einen Rotorabschnitt 481, der zur Rotation mit einer Hohlwelle 450 verbunden ist, sowie einen Statorabschnitt 482, der an einem Getriebegehäuse 460 festgelegt ist. Eine ECU 480 ist wirksam mit sowohl einem Umrichter 484 als auch einer elektrischen Speichereinrichtung oder einer Batterie 486 verbunden. Die ECU 480 und der Umrichter 484 kommunizieren über Übertragungsleiter 488A. Die ECU 480 und die Batterie 486 kommunizieren über Übertragungsleiter 488B. Die Batterie 486 ist wirksam mit dem Motor/Generator 418 über einen Umrichter 484 verbunden, der mit dem Motor/Generator 418 und der Batterie 486 über Übertragungsleiter 488C bzw. 488D verbunden ist. Die ECU 480 kommuniziert auch mit dem Motor/Generator 418 oder anderen elektrischen Fahrzeugkomponenten (nicht gezeigt), wie elektrischen Hilfskraftlenk- und elektrischen Motorbremssystemen usw.
Die ECU 480 spricht auf eine Vielfalt von Eingangssignalen an, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, den Bedienerbefehl, das Niveau, zu dem die Batterie 486 aufgeladen ist, und die Leistung, die von der Maschine 12 aufgebracht wird, um den Leistungsfluss zwischen dem Motor/Generator 418 und der Batterie 486 zu regeln, umfassen. Die ECU 480 kann den Motor/Generator 418 mittels des Umrichters 484 verstellen, so dass er entweder als Motor oder als Generator wirkt. Die ECU 480 regelt auch den Leistungsfluss in und aus der Batterie 486 zu dem Motor 418 über den Umrichter 484.
Der erste Planetenradsatz 420 umfasst ein Sonnenrad 422, ein Hohlrad 424 und einen Träger 429, der mehrere Planetenräder 427 umfasst, die kämmend mit sowohl dem Sonnenrad 422 als auch dem Hohlrad 424 in Eingriff stehen.
Der Planetenradsatz 430 umfasst ein Sonnenrad 432, ein Hohlrad 434 und einen Träger 439. Der Träger 439 umfasst mehrere Planetenräder 437, die kämmend mit sowohl dem Sonnenrad 432 als auch dem Hohlrad 434 in Eingriff stehen. Der Träger 439 ist ständig mit dem Hohlrad 424 über ein Verbindungselement 470 verbunden, und das Hohlrad 434 ist ständig mit dem Träger 429 über ein Verbindungselement 472 verbunden.
Ein erster Drehmomentübertragungsmechanismus, Kupplung C1, ist selektiv einrückbar, um den Motor/Generator 418 wirksam mit dem Sonnenrad 432 zu verbinden, indem die Hohlwelle 450 mit dem Sonnenrad 432 verbunden wird.
Ein zweiter Drehmomentübertragungsmechanismus, Kupplung C2, ist selektiv einrückbar, um den Motor/Generator 418 wirksam mit der inneren Welle 461 und dadurch mit dem Sonnenrad 422 zu verbinden, das zur Rotation mit der inneren Welle 461 verbunden ist. Die innere Welle 461 ist koaxial mit der Hohlwelle 450 ausgerichtet. Im eingerückten Zustand verbindet die Kupplung C2 die Hohlwelle 450 mit der inneren Welle 461 zur gemeinsamen Rotation.
Eine erste Bremse B1 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 432 mit dem Getriebegehäuse 460 zu verbinden. Eine zweite Bremse B2 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 422 mit dem Getriebegehäuse 460 zu verbinden, indem die innere Welle 461 an dem Getriebegehäuse 460 festgelegt wird.
In Bezug auf das Vier-Knoten-Hebeldiagramm von 2 fungieren die miteinander verbundenen Hohlrad 434 und Träger 429 als der erste Knoten A. Die miteinander verbundenen Träger 439 und Hohlrad 424 fungieren als der zweiten Knoten B. Das Sonnenrad 432 fungiert als der dritte Knoten C. Das Sonnenrad 422 fungiert als ein vierter Knoten D.
Nach 8B gibt eine Wahrheitstabelle fünf Betriebsarten an, die von dem Getriebe 414 von 8A erreicht werden. In der Wahrheitstabelle 8B sind eingerückte Drehmomentübertragungsmechanismen mit ”EIN” beschriftet. Genauer lässt eine erste stufenlos verstellbare Betriebsart V1 einen ersten verstellbaren Bereich von Drehzahlverhältnissen zu und wird durch Einrückung der ersten Kupplung C1 erreicht. Eine zweite stufenlos verstellbare Betriebsart V2 wird durch Einrückung der Kupplung C2 erreicht. Um von der ersten verstellbaren Betriebsart V1 in die zweite verstellbare Betriebsart V2 zu schalten, wird die Kupplung C1 ausgerückt, wenn die Kupplung C2 eingerückt wird. Um ähnlich von Betriebsart V2 in Betriebsart V1 zu schalten, wird Kupplung C2 ausgerückt, wenn Kupplung C1 eingerückt wird. Ein erstes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis F1 wird mit der Einrückung der Bremse B1 und der Kupplung C2 hergestellt. Ein zweites festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis F2 wird mit der Einrückung sowohl der Kupplung C1 als auch der Kupplung C2 hergestellt. Ein drittes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung der Bremse B2 und der Kupplung C1 hergestellt. Wie bei dem ersten und dritten festen Drehzahlverhältnis, die in Bezug auf das Getriebe 314 von 7A beschrieben wurden, können die Kupplungen C1 bzw. C2 jeweils eingerückt werden, um zuzulassen, dass der Motor/Generator 418 Leistung hinzufügt oder wegnimmt, aber ohne das Drehzahlverhältnis zu beeinflussen. Fachleute werden den Leistungsfluss von der Maschine 12 und dem Motor/Generator 418, um jede der stufenlos verstellbaren Betriebsarten V1 und V2 herzustellen, und den Leistungsfluss von der Maschine 12, um die Betriebsarten mit festem Verhältnis F1, F2 und F3 herzustellen, im Lichte der Beschreibung des Leistungsflusses in den verschiedenen oben beschrieben Betriebsarten des Getriebes 314 von 7A verstehen. Beispielsweise wird in der ersten stufenlos verstellbaren Betriebsart V1 Leistung, die von der Maschine 12 durch den Träger 429 zu dem Hohlrad 434 durch das Verbindungselement 472 fließt, an dem Träger 439 zu Leistung hinzugefügt, die von dem Motor/Generator 418 zu dem Sonnenrad 432 über die eingerückte Kupplung C1 fließt. Die Leistung fließt dann von dem Träger 439 zu dem Abtriebselement 19 über das Verbindungselement 470, wie es aus der schematischen Darstellung in 8A deutlich wird. Leistung kann von dem Abtriebselement 19 über einen Riemen oder eine Kette zu versetzten Übertragungswellen übertragen werden, um Räder eines Fahrzeugs, das das Getriebe 414 aufweist (das Fahrzeug ist nicht gezeigt) mit Energie zu beaufschlagen. Wenn der Motor/Generator 418 gesteuert wird, um als Generator in der ersten verstellbaren Betriebsart V1 zu arbeiten, wird dann etwas von der Leistung, die von der Maschine 12 dem Träger 439 zugeführt wird, zu dem Motor/Generator 418 durch die miteinander kämmenden Planetenrad 437 und Sonnenrad 432 durch die Hohlwelle 450 weitergeleitet. Fachleute werden leicht verstehen, wie die zusätzlichen Betriebsarten V2, F1, F2 und F3 in dem Getriebe 414 von 8A erreicht werden.
Nach 9A weist ein Antriebsstrang 510 ein zur Erfindung alternatives elektromechanisches Getriebe 514 auf, das einen ersten Planetenradsatz 520 umfasst, der mit einem zweiten Planetenradsatz 530 verbunden ist, um einen Fünf-Knoten-Hebel zu bilden (wie es nachstehend besprochen wird). Eine Maschine 12 ist mit einem Antriebselement 17 verbunden. Ein Elektromotor/Generator 518 umfasst einen Rotorabschnitt 581, der zur Rotation mit einer Hohlwelle 540 verbunden ist, sowie den Statorabschnitt 582, der an einem Getriebegehäuse 560 montiert ist. Eine ECU 580 ist wirksam mit sowohl einem Umrichter 584 als auch einer elektrischen Speichereinrichtung oder Batterie 586 verbunden. Die ECU 580 und der Umrichter 584 kommunizieren über Übertragungsleiter 588A. Die ECU 580 und die Batterie 586 kommunizieren über Übertragungsleiter 588B. Die Batterie 586 ist wirksam mit einem Motor/Generator 518 durch einen Umrichter 584 verbunden, der mit dem Motor/Generator 518 und der Batterie 586 über Übertragungsleiter 588C bzw. 588D verbunden ist. Die ECU 580 kann auch mit dem Elektromotor/Generator 518 oder anderen elektrischen Fahrzeugkomponenten (nicht gezeigt), wie etwa elektrischen Hilfskraftlenk- und elektrischen Motorbremssystemen usw., kommunizieren. Die ECU 580 spricht auf eine Vielfalt von Eingangssignalen an, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, den Bedienerbefehl, das Niveau, zu dem die Batterie 586 aufgeladen ist, und die Leistung, die von der Maschine 12 aufgebracht wird, um den Leistungsfluss zwischen dem Motor/Generator 518 und der Batterie 586 zu regeln, umfassen. Die ECU 580 kann den Motor/Generator 518 mittels des Umrichters 584 verstellen, um entweder als Motor oder als Generator zu wirken. Die ECU 580 regelt auch den Leistungsfluss in und aus der Batterie 586 zu dem Motor/Generator 518 über den Umrichter 584.
Der erste Planetenradsatz 520 umfasst ein Sonnenrad 522, ein Hohlrad 524 und einen Träger 529, der sowohl einen ersten Satz Planetenräder 527 als auch einen zweiten Satz Planetenräder 528 (der durch eine gestrichelte Linie angegeben ist) drehbar lagert. Der erste Satz Planetenräder 527 steht kämmend mit dem Sonnenrad 522, dem Hohlrad 524 und einem zweiten Satz Planetenräder 528 in Eingriff. Ein zweiter Planetenradsatz 530 umfasst ein Sonnenrad 532 und ein Hohlrad 534. Der zweite Satz Planetenräder 528 steht kämmend mit dem Sonnenrad 532, dem Hohlrad 534 und dem ersten Satz Planetenräder 527 in Eingriff. Der gemeinsame Träger 529 ist ein Träger vom Doppelplanetenradtyp, der sowohl den ersten als auch den zweiten Satz Planetenräder 527 und 528 aufweist, und da der erste und zweite Satz kämmend miteinander und mit anderen Elementen des ersten Planetenradsatzes 520 und des zweiten Planetenradsatzes 530 in Eingriff stehen, sind die Zahnradsätze 520 und 530 zusammengesetzt. In Bezug auf das Fünf-Knoten-Hebeldiagramm von 5 fungiert das Hohlrad 524 als der erste Knoten A. Der Träger 529 fungiert als der zweite Knoten B. Das Sonnenrad 522 fungiert als der dritte Knoten C. Das Sonnenrad 532 fungiert als der vierte Knoten D. Das Hohlrad 534 fungiert als der fünfte Knoten E.
Ein erster Drehmomentübertragungsmechanismus, Kupplung C1, ist selektiv einrückbar, um den Motor/Generator 518 wirksam mit dem Sonnenrad 522 zu verbinden, indem eine Hohlwelle 550, mit der der Motor/Generator 518 verbunden ist, zur gemeinsamen Rotation mit einer inneren Welle 561 verbunden wird, die koaxial mit der Hohlwelle 550 und zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenrad 522 verbunden ist.
Ein zweiter Drehmomentübertragungsmechanismus, Kupplung C2, ist selektiv einrückbar, um den Motor/Generator 518 wirksam mit dem Sonnenrad 532 zu verbinden, indem die Hohlwelle 550 mit dem Sonnenrad 532 zur gemeinsamen Rotation verbunden wird. Eine erste Bremse B1 ist selektiv einrückbar, um das Hohlrad 534 an dem Getriebegehäuse 560 festzulegen. Eine zweite Bremse B2 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 522 an dem Getriebegehäuse 560 festzulegen. Eine dritte Bremse B3 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 532 an dem Getriebegehäuse 560 festzulegen. Eine vierte Bremse B4 ist selektiv einrückbar, um die Antriebswelle 17 an dem Getriebegehäuse 560 festzulegen.
Nach 9B gibt eine Wahrheitstabelle sieben Betriebsarten an, die von dem Getriebe 514 von 9A erreichbar sind. Eingerückte Drehmomentübertragungsmechanismen in jeder der Betriebsarten sind mit ”EIN” oder ”ODER”, wenn alternative Einrückungen möglich sind, beschriftet. Genauer wird eine allein elektrische Betriebsart, E1, mit der Einrückung der Bremse B4 und der Kupplung C1 hergestellt. Mit der Einrückung der Bremse B4 wird das Antriebselement 17 an dem Getriebegehäuse 560 festgelegt. Somit wird das Abtriebselement 19 von dem Motor/Generator 518 allein mit Energie beaufschlagt, wodurch eine allein elektrische Betriebsart geschaffen wird.
Eine erste stufenlos verstellbare Betriebsart V1 wird mit der Einrückung der Kupplung C1 hergestellt. Mit der Einrückung der Kupplung C1 wird, wenn der Motor/Generator 518 gesteuert wird, um als Motor zu fungieren, Leistung von dem Motor/Generator 518 an dem Sonnenrad 532 zur Leistung von der Maschine 12 hinzugefügt, die an dem Hohlrad 524 durch das Antriebselement 17 hinzugefügt wird. Somit fließt die Leistung von zwei Quellen, der Maschine 12 und dem Motor/Generator 518, durch die Planetenräder 527 und 528 zu dem Träger 529 und dadurch zu Abtriebselement 19.
Die zweite stufenlos verstellbare Betriebsart V2 wird mit der Einrückung der Kupplung C2 hergestellt. Mit der eingerückten Kupplung C2 wird Leistung von dem Motor/Generator 518 der Getriebezahnradanordnung an dem Sonnenrad 532 hinzugefügt. Leistung von der Maschine 12 wird an dem Hohlrad 524 hinzugefügt. Leistung von den beiden jeweiligen Quellen, der Maschine 12 und dem Motor/Generator 518, wird somit durch die miteinander kämmenden Sätze Planetenräder 527 und 528 an dem Hohlrad 529 und dadurch an dem Abtriebselement 19 hinzugefügt.
Es sind durch das Getriebe 514 auch vier Betriebsarten mit fester Vorwärtsdrehzahl erreichbar. Genauer wird ein erstes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis mit der Einrückung der Bremse B1 und entweder der Einrückung der Kupplung C1 oder der Kupplung C2 hergestellt. Ein zweites festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis F2 wird mit der Einrückung der Bremse B2 und der Kupplung C2 hergestellt. Die Einrückung der Kupplung C2 lässt zu, dass der Motor/Generator 518 Leistung hinzufügt oder wegnimmt, aber beeinflusst das Drehzahlverhältnis nicht. Ein drittes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung sowohl der Kupplung C1 als auch der Kupplung C2 hergestellt. Ein viertes festes Vorwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung der Bremse B3 und der Kupplung C1 hergestellt. Die Einrückung der Kupplung C1 lässt zu, dass der Motor/Generator 518 Leistung hinzufügt oder wegnimmt, beeinflusst aber das Drehzahlverhältnis nicht. Fachleute werden leicht den Leistungsfluss durch das Getriebe 514 in jeder der in der Wahrheitstabelle von 9B angegebenen Betriebsarten verstehen.

Claims

Elektromechanisches Getriebe (14), umfassend: ein Antriebselement (17) zur Aufnahme von Leistung von einer Maschine (12); ein Abtriebselement (19) zur Abgabe von Leistung von dem Getriebe (14); einen einzigen Motor/Generator (18), wobei sich das Getriebe (14) durch ein Fehlen eines weiteren Motors/Generators, der einen Leistungsfluss zwischen dem Antriebselement (17) und dem Abtriebselement (19) beeinflusst, auszeichnet; einen einzigen einfachen Planetenradsatz (20), der ein erstes Element, ein zweites Element und ein drittes Element umfasst; eine erste Kupplung (C1), die selektiv einrückbar ist, um eine erste stufenlos verstellbare Betriebsart herzustellen, die sich durch einen ersten Bereich von Drehzahlverhältnissen auszeichnet; und eine zweite Kupplung (C2), die selektiv einrückbar ist, um eine zweite stufenlos verstellbare Betriebsart herzustellen, die sich durch einen zweiten Bereich von Drehzahlverhältnissen auszeichnet; wobei die Einrückung von einer von der ersten und zweiten Kupplung (C1, C2) und die Ausrückung der anderen von der ersten und zweiten Kupplung (C1, C2), um zwischen den jeweiligen stufenlos verstellbaren Betriebsarten umzuschalten, mit einer Relativdrehzahl von im Wesentlichen Null über die beiden Kupplungen (C1, C2) hinweg bewerkstelligt werden kann, während sowohl das Antriebselement (17) als auch das Abtriebselement (19) rotieren; wobei die erste Kupplung (C1) selektiv einrückbar ist, um das Antriebselement (17) mit dem ersten Element zu verbinden, wobei die zweite Kupplung (C2) selektiv einrückbar ist, um das Antriebselement (17) mit dem zweiten Element zu verbinden, und wobei der Motor/Generator (18) wirksam mit dem dritten Element verbunden ist; und ferner umfassend: eine dritte Kupplung (C3), die selektiv einrückbar ist, um das Abtriebselement (19) wirksam mit dem zweiten Element zu verbinden; eine vierte Kupplung (C4), die selektiv einrückbar ist, um das Abtriebselement (19) wirksam mit dem ersten Element zu verbinden; und eine erste Bremse (B1), die selektiv einrückbar ist, um das dritte Element an einem feststehenden Element festzulegen.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elektronische Steuereinheit (ECU), die dazu ausgebildet ist, zum Herstellen eines ersten festen Vorwärtsdrehzahlverhältnisses die erste Bremse (B1) während der ersten stufenlos verstellbaren Betriebsart einzurücken.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elektronische Steuereinheit (ECU), die dazu ausgebildet ist, zum Herstellen eines zweiten festen Vorwärtsdrehzahlverhältnisses entweder die erste Kupplung (C1) oder die zweite Kupplung (C2) und sowohl die dritte Kupplung (C3) als auch die vierte Kupplung (C4) einzurücken oder sowohl die erste Kupplung (C1) als auch die zweite Kupplung (C2) und nur eine der dritten Kupplung (C3) und der vierten Kupplung (C4) einzurücken.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elektronische Steuereinheit (ECU), die dazu ausgebildet ist, zum Herstellen eines dritten festen Vorwärtsdrehzahlverhältnisses die erste Bremse (B1) während der zweiten stufenlos verstellbaren Betriebsart einzurücken.