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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen
U. S.-Patentanmeldung Nr. 60/909,124, die am 30. März 2007
eingereicht wurde und deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme
vollständig mit eingeschlossen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Lastschaltgetriebe mit vier Planetenradsätzen,
die durch fünf Drehmomentübertragungseinrichtungen
gesteuert werden, um acht Vorwärtsgänge und einen
Rückwärtsgang bereitzustellen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Pkw
umfassen einen Antriebsstrang, der aus einer Maschine, einem Mehrganggetriebe
und einem Differential- oder Achsantrieb besteht. Das Mehrganggetriebe
erhöht den Gesamtbetriebsbereich des Fahrzeugs, indem es
zulässt, dass die Maschine ihren Drehmomentbereich mehrmals
durchlaufen kann. Die Anzahl von Vorwärtsgängen,
die in dem Getriebe verfügbar ist, bestimmt die Häufigkeit,
mit der der Drehmomentbereich der Maschine wiederholt durchlaufen
werden kann. Frühe Automatikgetriebe wiesen zwei Drehzahlbereiche
auf. Dies begrenzte den gesamten Drehzahlbereich des Fahrzeugs stark
und erforderte daher eine relativ große Maschine, die einen
breiten Drehzahl- und Drehmomentbereich erzeugen konnte. Dies führte
dazu, dass die Maschine während der Fahrt bei einem spezifischen
Kraftstoffverbrauchspunkt arbeitete, der nicht der Punkt mit der
höchsten Wirtschaftlichkeit war. Daher waren von Hand geschaltete
Getriebe (Vorgelegewellengetriebe) am beliebtesten.
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Mit
dem Aufkommen von Drei- und Viergang-Automatikgetrieben nahm die
Beliebtheit des automatisch schaltenden (Planetenrad-)Getriebes bei
den Autofahrern zu. Diese Getriebe verbesserten das Betriebsverhalten
und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs. Die erhöhte
Anzahl von Gängen verringert die Stufengröße
zwischen Übersetzungsverhältnissen und verbessert
daher die Schaltqualität des Getriebes, indem es die Gangwechsel
für den Bediener bei normaler Fahrzeugbeschleunigung im
Wesentlichen nicht wahrnehmbar macht.
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Sechsganggetriebe
bieten mehrere Vorteile gegenüber Vier- und Fünfganggetrieben,
die eine verbesserte Fahrzeugbeschleunigung und eine verbesserte
Kraftstoffwirtschaftlichkeit einschließen. Während
viele Lkw Lastschaltgetriebe mit sechs oder mehr Vorwärtsgängen
anwenden, werden Pkw aufgrund der Größe und Komplexität
dieser Getriebe noch mit Drei- und Viergang-Automatikgetrieben und relativ
wenigen Fünf- oder Sechsgangeinrichtungen hergestellt.
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Sieben-,
Acht- und Neunganggetriebe bieten weitere Verbesserungen bei der
Beschleunigung und Kraftstoffwirtschaftlichkeit gegenüber
Sechsganggetrieben. Wie bei den oben diskutierten Sechsganggetrieben
ist jedoch die Entwicklung von Sieben-, Acht- und Neunganggetrieben
aufgrund der Komplexität, Größe und Kosten
verhindert worden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes Getriebe mit vier Planetenradsätzen
vor, die gesteuert werden, um zumindest acht Vorwärtsgänge
und zumindest einen Rückwärtsgang bereitzustellen.
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Die
Familie von Getrieben der vorliegenden Erfindung weist vier Planetenradsätze
auf, von denen jeder ein erstes, zweites und drittes Element aufweist,
wobei die Elemente ein Sonnenrad, ein Hohlrad oder eine Planetenträgeranordnung
in beliebiger Reihenfolge umfassen können.
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Bei
dem Verweis auf den ersten, zweiten, dritten und vierten Zahnradsatz
in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen können
diese Sätze in den Zeichnungen in beliebiger Reihenfolge
mit "erster" bis "vierter" gezählt werden (d. h. von links
nach rechts, von rechts nach links usw.). Zusätzlich können
das erste, zweite oder dritte Element jedes Zahnradsatzes in den
Zeichnungen für jeden Zahnradsatz in beliebiger Reihenfolge
mit "erstes" bis "drittes" gezählt sein (d. h. von oben
nach unten, von unten nach oben usw.).
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Jeder
Träger kann entweder ein Einzelplanetenträger
(einfach) oder ein Doppelplanetenträger (zusammengesetzt)
sein. Ausführungsformen mit langen Planetenrädern
sind ebenfalls möglich.
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Ein
erstes Verbindungselement verbindet das erste Element des ersten
Planetenradsatzes ständig mit dem ersten Element des zweiten
Planetenradsatzes.
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Ein
zweites Verbindungselement verbindet das zweite Element des ersten
Planetenradsatzes ständig mit dem dritten Element des zweiten
Planetenradsatzes.
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Ein
drittes Verbindungselement verbindet das zweite Element des zweiten
Planetenradsatzes ständig mit dem dritten Element des dritten
Planetenradsatzes.
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Das
dritte Element des ersten Planetenradsatzes ist ständig
mit dem feststehenden Element (Getriebegehäuse/Getriebekasten)
verbunden.
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Das
Antriebselement ist ständig mit dem zweiten Element des
dritten Planetenradsatzes verbunden. Das Abtriebselement ist ständig
mit dem zweiten Element des vierten Planetenradsatzes verbunden.
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Eine
erste Drehmomentübertragungseinrichtung, wie eine Kupplung,
verbindet das erste Element des ersten Planetenradsatzes selektiv
mit dem dritten Element des vierten Planetenradsatzes.
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Eine
zweite Drehmomentübertragungseinrichtung, wie eine Kupplung,
verbindet das zweite Element des ersten Planetenradsatzes selektiv
mit dem zweiten Element des vierten Planetenradsatzes.
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Eine
dritte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie eine Kupplung,
verbindet das zweite Element des dritten Planetenradsatzes selektiv
mit dem dritten Element des vierten Planetenradsatzes.
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Eine
vierte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie eine Kupplung,
verbindet das erste Element des dritten Planetenradsatzes selektiv
mit dem ersten Element des vierten Planetenradsatzes.
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Eine
fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie
eine Kupplung, verbindet das erste Element des dritten Planetenradsatzes
selektiv mit dem dritten Element des vierten Planetenradsatzes.
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Die
fünf Drehmomentübertragungseinrichtungen sind
in Kombinationen von dreien selektiv einrückbar, um zumindest
acht Vorwärtsgänge und zumindest einen Rückwärtsgang
zu erhalten.
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Eine
Vielfalt von Drehzahlverhältnissen und Verhältnisspreizungen
können durch geeignetes Wählen der Zähneverhältnisse
der Planetenradsätze realisiert werden.
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Die
obigen Merkmale und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der
besten Ausführungsarten der Erfindung in Verbindung genommen
mit den begleitenden Zeichnungen leichter deutlich werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1a ist
eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs, der ein Planetengetriebe
umfasst, gemäß der vorliegenden Erfindung;
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1b ist
eine Wahrheitstabelle und ein Schaubild, die einige der Betriebseigenschaften
des in 1a gezeigten Antriebsstrangs
veranschaulichen; und
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1c ist
eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs von 1a,
dargestellt in Hebeldiagrammform.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Bezug
nehmend auf die Zeichnungen ist in 1a ein
Antriebsstrang 10 mit einer herkömmlichen Maschine
und Drehmomentwandler 12, einem Planetengetriebe 14 und
einem herkömmlichen Achsantriebsmechanismus 16 gezeigt.
Die Maschine 12 kann unter Verwendung verschiedener Arten
von Kraftstoff mit Leistung beaufschlagt werden, um den Wirkungsgrad
und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit einer bestimmten Anwendung
zu verbessern. Derartige Kraftstoffe können beispielsweise
Benzin; Diesel; Ethanol; Dimethylether usw. umfassen.
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Das
Planetengetriebe 14 umfasst ein Antriebselement 17,
das ständig mit der Maschine 12 verbunden ist,
eine Planetenradanordnung 18 und ein Abtriebselement 19,
das ständig mit dem Achsantriebsmechanismus 16 verbunden
ist. Die Planetenradanordnung 18 umfasst vier Planetenradsätze 20, 30, 40 und 50.
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Der
Planetenradsatz 20 umfasst ein Sonnenrad 22, ein
Hohlrad 24 und eine Planetenträgeranordnung 26.
Die Planetenträgeranordnung 26 umfasst mehrere
Planetenräder 27, die drehbar an einem Träger 29 montiert
und in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 22 als
auch dem Hohlrad 24 angeordnet sind.
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Der
Planetenradsatz 30 umfasst ein Sonnenrad 32, ein
Hohlrad 34 und eine Planetenträgeranordnung 36.
Die Planetenträgeranordnung 36 umfasst mehrere
Planetenräder 37, die drehbar an einem Träger 39 montiert
und in kämmender Beziehung mit sowohl dem Hohlrad 34 als
auch dem Sonnenrad 32 angeordnet sind.
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Der
Planetenradsatz 40 umfasst ein Sonnenrad 42, ein
Hohlrad 44 und eine Planetenträgeranordnung 46.
Die Planetenträgeranordnung 46 umfasst mehrere
Planetenräder 47, die an einem Träger 49 montiert
und in kämmender Beziehung mit sowohl dem Hohlrad 44 als
auch dem Sonnenrad 42 angeordnet sind.
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Der
Planetenradsatz 50 umfasst ein Sonnenrad 52, ein
Hohlrad 54 und eine Planetenträgeranordnung 56.
Die Planetenträgeranordnung 56 umfasst mehrere
Planetenräder 57, die an einem Träger 59 montiert
und in kämmender Beziehung mit sowohl dem Hohlrad 54 als
auch dem Sonnenrad 52 angeordnet sind.
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Die
Planetenradanordnung umfasst auch fünf Drehmomentübertragungseinrichtungen 80, 82, 84, 85 und 86.
Die Drehmomentübertragungseinrichtungen 80, 82, 84, 85 und 86 sind
Drehmomentübertragungseinrichtungen vom rotierenden Typ,
die üblicherweise Kupplungen genannt werden.
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Das
Antriebselement 17 ist ständig mit der Planetenträgeranordnung 46 des
Planetenradsatzes 40 verbunden. Das Abtriebselement 19 ist
ständig mit der Planetenträgeranordnung 56 des
Planetenradsatzes 50 verbunden. Das Hohlrad 24 des
Planetenradsatzes 20 ist ständig mit dem Getriebegehäuse 60 verbunden.
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Ein
erstes Verbindungselement 70 verbindet das Sonnenrad 22 des
Planetenradsatzes 20 ständig mit dem Sonnenrad 32 des
Planetenradsatzes 30.
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Ein
zweites Verbindungselement 72 verbindet die Planetenträgeranordnung 26 des
Planetenradsatzes 20 ständig mit dem Hohlrad 34 des
Planetenradsatzes 30.
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Ein
drittes Verbindungselement 74 verbindet die Planetenträgeranordnung 36 des
Planetenradsatzes 30 ständig mit dem Hohlrad 44 des
Planetenradsatzes 40.
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Eine
erste Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 80,
verbindet das Sonnenrad 22 des Planetenradsatzes 20 selektiv
mit dem Hohlrad 54 des Planetenradsatzes 50 über
das Verbindungselement 70. Eine zweite Drehmomentübertragungseinrichtung,
wie eine Kupplung 82, verbindet die Planetenträgeranordnung 26 des
Planetenradsatzes 20 selektiv mit der Planetenträgeranordnung 56 des
Planetenradsatzes 50. Eine dritte Drehmomentübertragungseinrichtung,
wie Kupplung 84, verbindet die Planetenträgeranordnung 46 des
Planetenradsatzes 40 selektiv mit dem Hohlrad 54 des
Planetenradsatzes 50. Eine vierte Drehmomentübertragungseinrichtung,
wie Kupplung 85, verbindet das Sonnenrad 42 des
Planetenradsatzes 40 selektiv mit dem Sonnenrad 52 des
Planetenradsatzes 50. Eine fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung,
wie Kupplung 86, verbindet das Sonnenrad 42 des
Planetenradsatzes 40 selektiv mit dem Hohlrad 54 des
Planetenradsatzes 50.
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Wie
es in 1b und insbesondere in der darin
offenbarten Wahrheitstabelle gezeigt ist, werden die Drehmomentübertragungseinrichtungen
selektiv in Kombinationen von dreien eingerückt, um zumindest
acht Vorwärtsgänge und zumindest einen Rückwärtsgang
bereitzustellen, und zwar alle mit sequentiellen Schaltvorgängen
mit einzigem Übergang, und mit zwei Overdrive-Verhältnissen.
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Wie
es oben ausgeführt wurde, ist der Einrückplan
für die Drehmomentübertragungseinrichtungen in
der Wahrheitstabelle von 1b gezeigt.
Das Schaubild von 1b beschreibt die Verhältnisstufen,
die in dem o ben beschriebenen Getriebe erzielt werden. Beispielsweise
beträgt das Stufenverhältnis zwischen dem ersten
und dem zweiten Vorwärtsgang 1,57, während das
Stufenverhältnis zwischen dem Rückwärtsgang
(Rückwärts) und dem ersten Vorwärtsgang –0,68
beträgt.
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Unter
Bezugnahme auf 1c ist die Ausführungsform
des in 1a gezeigten Antriebsstranges 10 in
einem Hebeldiagrammformat veranschaulicht. Ein Hebeldiagramm ist
eine schematische Darstellung der Bauteile einer mechanischen Einrichtung,
wie eines Automatikgetriebes. Jeder einzelne Hebel stellt einen
Planetenradsatz dar, wobei die drei grundlegenden mechanischen Bauteile
des Planetenradsatzes jeweils durch einen Knoten dargestellt sind.
Daher enthält ein einzelner Hebel drei Knoten: einen für
das Sonnenrad, einen für den Planetenradträger
und einen für das Hohlrad. Die relative Länge zwischen
den Knoten jedes Hebels kann dazu verwendet werden, jeweils das
Hohlrad/Sonnenrad-Verhältnis des jeweiligen Zahnradsatzes
darzustellen. Diese Hebelverhältnisse werden wiederum dazu
verwendet, die Übersetzungsverhältnisse des Getriebes zu
verändern, um geeignete Verhältnisse und eine geeignete
Verhältnisprogression zu erreichen. Mechanische Kopplungen
oder Verbindungen zwischen den Knoten der verschiedenen Planetenradsätze sind
durch dünne, horizontale Linien veranschaulicht, und Drehmomentübertragungseinrichtungen,
wie Kupplungen und Bremsen, sind als ineinander greifende Finger
dargestellt. Wenn die Einrichtung eine Bremse ist, ist ein Satz
der Finger festgelegt bzw. auf Masse gelegt. Eine weitergehende
Erläuterung des Formats, Zwecks und der Verwendung von
Hebeldiagrammen ist in der Druckschrift SAE Paper 810102, "The
Lever Analogy: A New Tool in Transmission Analysis", 1981,
verfasst von Benford, Howard und Leising, Maurice zu finden, deren
Offenbarungsgehalt hierdurch vollständig durch Bezugnahme
mit aufgenommen ist.
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Der
Antriebsstrang 10 umfasst ein Antriebselement 17,
das ständig mit der Maschine 12 verbunden ist,
ein Abtriebselement 19, das ständig mit dem Achsantrieb 16 verbunden
ist, einen ersten Planetenradsatz 20A, der drei Knoten
aufweist: einen ersten Knoten 22A, einen zweiten Knoten 26A und
einen dritten Knoten 24A; einen zweiten Planetenradsatz 30A,
der drei Knoten aufweist: einen ersten Knoten 32A, einen
zweiten Knoten 36A und einen dritten Knoten 34A;
einen dritten Planetenradsatz 40A, der drei Knoten aufweist:
einen ersten Knoten 42A, einen zweiten Knoten 46A und
einen dritten Knoten 44A; und einen vierten Planetenradsatz 50A,
der drei Knoten aufweist: einen ersten Knoten 52A, einen
zweiten Knoten 56A und einen dritten Knoten 54A.
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Das
Antriebselement 17 ist ständig mit dem Knoten 46A verbunden.
Das Abtriebselement 19 ist ständig mit dem Knoten 56A verbunden.
Der Knoten 24A ist ständig mit dem Getriebegehäuse 60 verbunden.
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Der
Knoten 22A ist ständig mit dem Knoten 32A verbunden.
Der Knoten 26A ist ständig mit dem Knoten 34A verbunden.
Der Knoten 36A ist ständig mit dem Knoten 44A verbunden.
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Eine
erste Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 80,
verbindet den Knoten 22A selektiv mit dem Knoten 54A.
Eine zweite Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 82,
verbindet den Knoten 26A selektiv mit dem Knoten 56A.
Eine dritte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 84,
verbindet den Knoten 46A selektiv mit dem Knoten 54A.
Eine vierte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 85,
verbindet den Knoten 42A selektiv mit dem Knoten 52A.
Eine fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung,
wie Kupplung 86, verbindet den Knoten 42A selektiv
mit dem Knoten 54A.
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Um Übersetzungsverhältnisse
herzustellen, werden drei Drehmomentübertragungseinrichtungen für
jeden Gangzustand eingerückt. Die eingerückten Drehmomentübertragungseinrichtungen
sind jeweils durch ein "X" in jeder Reihe in 1b dargestellt.
Um beispielsweise einen Rückwärtsgang herzustellen, werden
die Kupplungen 80, 82 und 85 eingerückt. Die
Kupplung 80 rückt den Knoten 22A mit
dem Knoten 54A ein. Die Kupplung 82 rückt
den Knoten 26A mit dem Knoten 56A ein. Die Kupplung 85 rückt
den Knoten 42A mit dem Knoten 52A ein. Gleichermaßen werden
die acht Vorwärtsgänge durch unterschiedliche
Kombinationen einer Kupplungseinrückung erreicht, wie bei 1b.
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Der
Antriebsstrang 10 kann Bauteile mit einem Hybridfahrzeug
teilen, und eine derartige Kombination kann in einem "Ladungsentleerungsmodus" betreibbar
sein. Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung ist ein "Ladungsentleerungsmodus"
ein Modus, bei dem das Fahrzeug primär durch einen Elektromotor/Generator
mit Leistung beaufschlagt wird, so dass eine Batterie entleert oder
nahezu entleert ist, wenn das Fahrzeug sein Ziel erreicht. Mit anderen Worten
wird die Maschine 12 während dem Ladungsentleerungsmodus
nur bis zu dem Ausmaß betrieben, das notwendig ist, um
sicherzustellen, dass die Batterie nicht vor Erreichen des Ziels
entleert ist. Ein herkömmliches Hybridfahrzeug arbeitet
in einem "Ladungshaltemodus", bei dem, wenn das Batterieladeniveau
unter ein vorbestimmtes Niveau (z. B. 25%) abfällt, die
Maschine automatisch laufen gelassen wird, um die Batterie wieder
aufzuladen. Indem das Hybridfahrzeug in einem Ladungsentleerungsmodus betrieben
wird, kann es daher etwas oder den gesamten Kraftstoff einsparen,
der ansonsten verbraucht werden würde, um das Batterieladeniveau von
25% in einem herkömmlichen Hybridfahrzeug aufrechtzuerhalten.
Es ist festzustellen, dass ein Hybridfahrzeugantriebsstrang bevorzugt
nur dann in dem Ladungsentleerungsmodus betrieben wird, wenn die
Batterie nach Erreichen des Ziels wieder aufgeladen werden kann,
indem sie an eine Energiequelle angeschlossen wird.
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Obgleich
die besten Ausführungsarten der Erfindung ausführlich
beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese
Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen
zur praktischen Ausführung der Erfindung innerhalb des
Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - SAE Paper
810102, "The Lever Analogy: A New Tool in Transmission Analysis",
1981 [0041]