DE102009054358A1 - Elektrisch verstellbares Getriebe mit modularem Aufbau - Google Patents

Elektrisch verstellbares Getriebe mit modularem Aufbau Download PDF

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Abstract

Es ist ein elektrisch verstellbares Getriebe mit im Wesentlichen identischen Motormodulen vorgesehen, um die Montage zu vereinfachen und Massenproduktionsvorteile beim Einkauf und bei der Prüfung der Motormodule zu realisieren. Ein erstes und zweites Motormodul sind in einen Getriebekasten gepackt und verbinden das Eingangselement und das Ausgangselement funktional und sind koaxial um die Drehachse herum angeordnet. Jedes Motormodul umfasst einen jeweiligen Motor/Generator mit einem Rotor, der um die Drehachse herum drehbar ist und einen Rotorhohlraum definiert. Ein Planetenradsatz ist in den Hohlraum gepackt und weist ein erstes, ein zweites und ein drittes Element auf. Eine Rotornabe lagert den Rotor und weist einen ersten und zweiten ringförmigen Endabschnitt an entgegengesetzten Enden der Rotornabe und einen ringförmigen Mittelabschnitt auf, der zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Element des Planetenradsatzes verbunden ist. Eine selektiv einrückbare Kupplung vom rotierenden Typ ist in den Hohlraum gepackt und mit der Rotornabe verbunden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Getriebe mit im Wesentlichen identischen Motormodulen, die jeweils einen Motor/Generator, einen Planetenradsatz und eine Kupplung vom rotierenden Typ aufweisen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Elektrisch verstellbare Getriebe weisen typischerweise ein Eingangselement, ein Ausgangselement und zwei Elektromotoren/Generatoren auf, die mit unterschiedlichen Elementen von Planetenradsätzen verbunden sind. Das Einschließen von Kupplungen lässt einen oder mehrere elektrisch verstellbare Betriebsmodi, Modi mit festem Drehzahlverhältnis und einen rein elektrischen (mit Batterie beaufschlagten) Modus zu. Elektrisch verstellbare Getriebe können die Kraftstoffwirtschaftlichkeit eines Fahrzeugs auf vielerlei Weisen verbessern, vorzugsweise indem einer oder beide von den Motoren/Generatoren zum Bremsen des Fahrzeugs verwendet wird/werden und die rückgewonnene Energie dazu verwendet wird, das Fahrzeug bei ausgeschalteter Maschine elektrisch mit Leistung zu beaufschlagen. Die Maschine kann im Leerlauf, während Zeiträumen eines Verzögerns und Bremsens und während Zeiträumen eines Betriebes mit niedriger Geschwindigkeit und leichter Last ausgeschaltet werden, um Wirkungsgradverluste aufgrund von Maschinenwiderstand zu beseitigen. Bremsenergie, die durch regeneratives Bremsen wieder aufgefangen wird (oder elektrische Energie, die während Zeiträumen, wenn die Maschine arbeitet, erzeugt wird), wird während dieser Zeiträume mit ausgeschalteter Maschine genutzt. Eine vorübergehende Anforderung nach Maschinendrehmoment oder -leistung wird von den Motoren/Generatoren während des Betriebs in Modi mit eingeschalteter Maschine ergänzt, was eine kleinere Maschine ermöglicht, ohne das Leistungsvermögen des Fahrzeugs zu verringern. Zusätzlich können die elektrisch verstellbaren Modi zulassen, dass die Maschine bei oder in der Nähe des Punkts mit optimalem Wirkungsgrad für einen gegebenen Leistungsbedarf betrieben werden kann.
  • Es ist herausfordernd, die zwei Motoren/Generatoren, Planetenradsätze und mehreren Drehmomentübertragungsmechanismen, die notwendig sind, um die gewünschten Betriebsmodi zu erreichen, zu packen, während andere geltende Abmessungsbeschränkungen eingehalten werden und Anforderungen einer relativ einfachen Montage erfüllt werden. Obwohl elektrisch verstellbare Getriebe heutzutage in Massen produziert werden, werden sie darüber hinaus in nur einem sehr kleinen Bruchteil der Gesamtzahl von heutzutage produzierten Fahrzeugen eingebaut, und so sind die Konstruktions- und Werkzeugbestückungskosten im Vergleich mit jenen Kosten für andere Typen von Getrieben viel bedeutender.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist ein elektrisch verstellbares Getriebe mit im Wesentlichen identischen Motormodulen vorgesehen, um die Montage zu vereinfachen und eine Massenproduktionsvorteile beim Einkauf und bei der Prüfung der Motormodule zu realisieren. Das Getriebe umfasst ein Eingangselement, das eine Drehachse aufweist, und ein Ausgangselement, das vorzugsweise in einer Vorderradantriebsanordnung angeordnet ist. Ein erstes und zweites Motormodul sind in einen Getriebekasten gepackt, verbinden das Eingangselement und das Ausgangselement funktional und sind koaxial um die Drehachse herum angeordnet. Jedes Motormodul umfasst einen jeweiligen Motor/Generator, wobei ein Rotor um die Drehachse drehbar ist und einen Rotorhohlraum definiert. Ein Planetenradsatz ist in den Hohlraum gepackt und weist ein erstes, ein zweites und ein drittes Element auf. Eine Rotornabe lagert den Rotor und weist einen ersten und einen zweiten ringförmigen Endabschnitt an entgegengesetzten Enden der Rotornabe und einen ringförmigen Mittelabschnitt auf, der zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Element des Planetenradsatzes verbunden ist. Eine selektiv einrückbare Kupplung vom rotierenden Typ ist in den Hohlraum gepackt und mit der Rotornabe verbunden. Der Motor/Generator, der Planetenradsatz, die Rotornabe und die Kupplung vom rotierenden Typ eines jeden jeweiligen Motormoduls sind im Wesentlichen identisch mit Bezug zueinander in jedem Motormodul angeordnet, so dass die Motormodule im Wesentlichen identisch sind.
  • Jeder Motor/jedes Modul kann ferner einen jeweiligen feststehenden Träger umfassen, der mit dem Getriebekasten verbunden ist, und eine jeweilige Kupplung vom feststehenden Typ, die selektiv mit dem feststehenden Träger in Eingriff gebracht werden kann. Der feststehende Träger und die Kupplung vom feststehenden Typ sind außerhalb des jeweiligen Rotorhohlraums identisch mit Bezug auf den Motor/Generator, den Planetenradsatz, die Rotornabe und die Kupplung vom rotierenden Typ des jeweiligen Motormoduls angeordnet.
  • Das Getriebe kann ein Verbindungselement umfassen, das koaxial mit der Drehachse ist und die zweiten Elemente der Planetenradsätze des ersten und zweiten Motormoduls zur gemeinsamen Rotation ständig verbindet. In manchen Ausführungsformen können eine erste und eine zweite drehbare Nabe vorgesehen sein, die jeweils koaxial mit der Drehachse sind. Die erste drehbare Nabe ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Element des zweiten Motormoduls verbunden. Es kann ein dritter Planetenradsatz vorgesehen sein, der ein erstes Element, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement verbunden ist, und ein zweites Element aufweist, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Ausgangselement verbunden ist. Die zweite drehbare Nabe ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit einem dritten Element des dritten Planetenradsatzes verbunden. Die Kupplung vom rotierenden Typ des ersten Motormoduls ist selektiv einrückbar, um die Rotornabe des ersten Motormoduls zur gemeinsamen Rotation mit der ersten drehbaren Nabe zu verbinden. Die Kupplung vom rotierenden Typ des zweiten Motormoduls ist selektiv einrückbar, um die Rotornabe des zweiten Motormoduls zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten drehbaren Nabe zu verbinden.
  • Der Planetenradsatz ist vorzugsweise axial zwischen den ersten ringförmigen Endabschnitt und den ringförmigen Mittelabschnitt gepackt, und die Kupplung vom rotierenden Typ ist zwischen den Mittelabschnitt und den zweiten ringförmigen Endabschnitt gepackt.
  • Die Motormodule sind benachbart zueinander innerhalb eines Getriebekastens platziert. Die Motormodule sind hinsichtlich der Typen von Bauteilen, der Anordnung der Bauteile mit Bezug zueinander und der Abmessungen der Bauteile, die für die Werkzeugbestückung am wichtigsten sind, im Wesentlichen identisch. Wenn die Motormodule identisch sind, muss nur ein Inventar von identischen Motormodulen gehalten werden, und dann können sowohl das erste als auch das zweite Motormodul aus einem Inventar bei der Montage des Getriebes ausgewählt werden. Wenn darüber hinaus die Module im Wesentlichen identisch sind, müssen Haltbarkeitsversuche nur an einem Typ von Modul ausgeführt werden, was die Prüfkosten minimiert.
  • 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 in einer Querschnitts- und Stickdiagrammansicht einer ersten Ausführungsform eines elektrisch verstellbaren Getriebes;
  • 2 ist eine schematische Darstellung in einer Querschnitts- und Stickdiagrammansicht einer zweiten Ausführungsform eines elektrisch verstellbaren Getriebes; und
  • 3 ist eine schematische Darstellung in einer Querschnitts- und Stickdiagrammansicht einer dritten Ausführungsform eines elektrisch verstellbaren Getriebes.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile beziehen, zeigt 1 einen Antriebsstrang 10, der eine Maschine 12 aufweist, die antriebstechnisch mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe 14 verbunden ist. Ein Ausgangselement der Maschine 12 ist zum Antreiben eines Eingangselements 16 des Getriebes 14 verbunden. Das Eingangselement 16 rotiert um eine Drehachse 18 und legt diese fest. Ein erstes Motormodul 20 und ein zweites Motormodul 22 sind in einen Getriebekasten 24 gepackt und funktional zwischen das Eingangselement 16 und ein Getriebeausgangselement 26 geschaltet, das mit einem Achsantrieb (nicht gezeigt) verbunden ist. Fachleute werden erkennen, dass das Getriebe 14 als ein Hinterradantriebsgetriebe eingerichtet ist.
  • Das erste Motormodul 20 umfasst einen Motor-Generator 28A, der einen ringförmigen Stator 30A, der an dem Getriebekasten 24 auf Masse festgelegt ist, und einen ringförmigen Rotor 32A umfasst, der an einer drehbaren Rotornabe 34A gelagert ist und einen Rotorhohlraum 36A definiert, der konzentrisch um die Drehachse 18 herum ist. Die Rotornabe 34A weist einen ersten ringförmigen Endabschnitt 38A und einen zweiten ringförmigen Endabschnitt 40A auf, die sich von entgegengesetzten Enden der Rotornabe 34A radial nach innen erstrecken. Ein ringförmiger Mittelabschnitt 42A erstreckt sich von der Rotornabe 34A radial nach innen. Eine Batterie, ein Leistungswechselrichter und ein elektronischer Controller (nicht gezeigt) sind funktional mit dem Stator 30A verbunden, um die Funktion des Motors/Generators 28A als Motor, in welchem gespeicherte elektrische Leistung von der Batterie an den Stator 30A geliefert wird, und als Generator, in welchem Drehmoment des rotierenden Rotors 32A in elektrische Leistung umgewandelt und in der Batterie gespeichert wird, zu steuern. Die Fähigkeit, einen Motor/Generator derart zu steuern, dass er als Motor oder als Generator fungiert, ist allgemein bekannt.
  • Zusätzlich umfasst das erste Motormodul 20 einen Planetenradsatz 44A, der ein erstes Element aufweist, das ein Sonnenrad 46A ist, ein zweites Element, das ein Trägerelement 47A ist, das eine Mehrzahl Planetenräder 49A drehbar lagert, die mit dem Sonnenrad 46A kämmen, und ein drittes Element, das ein Hohlrad 51A ist, das mit den Planetenrädern 49A kämmt. Der Planetenradsatz 44A ist in den Rotorhohlraum 36A gepackt.
  • Das erste Motormodul 20 umfasst auch eine Kupplung 48A vom rotierenden Typ, die selektiv einrückbar ist, um den Rotor 32A zur gemeinsamen Rotation mit einem Element eines Planetenradsatzes des zweiten Motormoduls 22 zu verbinden, wie es nachstehend beschrieben ist. Die Kupplung 48A vom rotierenden Typ ist in den Rotorhohlraum 36A gepackt.
  • Das Motormodul 20 umfasst auch feststehende Träger 50A, 52A, die sich von dem Getriebekasten 24 auf entgegengesetzten Seiten des Motors/Generators 28A erstrecken. Der ringförmige Endabschnitt 38A ist an dem feststehenden Träger 50A mit einem Lager 54, das eine Relativdrehung zulässt, drehbar gelagert. Der ringförmige Endabschnitt 40A ist an dem feststehenden Träger 52A mit einem Lager 54, das eine Relativdrehung zulässt, drehbar gelagert. Die Kupplung 56A vom feststehenden Typ, die ebenfalls in dem Motormodul 20 enthalten ist, ist selektiv einrückbar, um eine erste drehbare Nabe 58A mit dem Getriebekasten 24 auf Masse festzulegen. Die erste drehbare Nabe 58A ist auch selektiv zur gemeinsamen Rotation mit dem Rotor 32A über eine Einrückung der Kupplung 48A und mit dem feststehenden Trägerelement 50B über eine Einrückung der Kupplung 56A selektiv verbunden. Das feststehende Trägerelement 52A sowie die Kupplung 56A vom feststehenden Typ sind außerhalb des Getriebehohlraums 36A angeordnet. Wenn die Kupplung 48A vom rotierenden Typ eingerückt ist, ist die erste drehbare Nabe 58A zur gemeinsamen Rotation mit einem Element eines Planetenradsatzes des zweiten Motormoduls 22 verbunden, wie es nachstehend weiter besprochen wird.
  • Wie das erste Motormodul 20 umfasst das zweite Motormodul 22 einen Motor-Generator 28B, der einen ringförmigen Stator 30B umfasst, der an dem Getriebekasten 24 auf Masse festgelegt ist, einen ringförmigen Rotor 32B, der an einer drehbaren Rotornabe 34B gelagert ist und einen Rotor hohlraum 36B definiert, der um die Drehachse 18 herum konzentrisch ist. Der Motor-Generator 28B ist entlang seiner Drehachse länger als der Motor-Generator 28A, aber ansonsten in den mechanischen Abmessungen identisch und im Aufbau ähnlich. Die Rotornabe 34B weist einen ersten ringförmigen Endabschnitt 38B und einen zweiten ringförmigen Endabschnitt 40B auf, die sich von entgegengesetzten Enden der Rotornabe 34B radial nach innen erstrecken. Ein ringförmiger Mittelabschnitt 42B erstreckt sich von der Rotornabe 34B radial nach innen. Die Batterie, der Leistungswechselrichter und der elektronische Controller, die oben besprochen wurden (nicht gezeigt), sind ebenfalls funktional mit dem Stator 30B verbunden, um die Funktion des Motors/Generators 28B als Motor, in welchem gespeicherte elektrische Leistung von der Batterie an den Stator 30B geliefert wird, und als Generator, in welchem Drehmoment des rotierenden Rotors 32B in elektrische Leistung umgewandelt wird, die in der Batterie gespeichert wird, zu steuern.
  • Zusätzlich umfasst das zweite Motormodul 22 einen Planetenradsatz 44B, der ein erstes Element aufweist, das ein Sonnenrad 46B ist, ein zweites Element, das ein Trägerelement 47B ist, das eine Mehrzahl Planetenräder 49B drehbar lagert, die mit dem Sonnenrad 46B kämmen, und ein drittes Element, das ein Hohlrad 51B ist, das mit den Planetenrädern 49B kämmt. Der Planetenradsatz 44B ist in den Rotorhohlraum 36B gepackt. Die Zähnezahlen und andere geometrische Abmessungen der Zahnradelemente des Planetenradsatzes 44B sind identisch mit jenen der entsprechenden Zahnradelemente des Planetenradsatzes 44A des ersten Motormoduls 20, das oben beschrieben wurde, mit der Ausnahme, dass die Zahnradzahnbreiten entlang der Achse der Zahnräder für den Planetenradsatz 44B geringfügig breiter als für den Planetenradsatz 44A sind.
  • Das zweite Motormodul 22 umfasst auch eine Kupplung 48B vom rotierenden Typ, die selektiv einrückbar ist, um den Rotor 32B zur gemeinsamen Rotation mit einem Element eines dritten Planetenradsatzes 60 zu verbinden, wie es nachstehend beschrieben ist. Die Kupplung 48B vom rotierenden Typ ist ebenfalls in den Rotorhohlraum 36B gepackt. Die Kupplung 48B vom rotierenden Typ ist von einer Mehrplattenkonstruktion, aber ansonsten identisch mit der Kupplung 48A vom rotierenden Typ.
  • Das Motormodul 22 umfasst auch feststehende Träger 50B, 52B, die sich von dem Getriebekasten 24 auf entgegengesetzten Seiten des Motors-Generators 28B erstrecken. Der ringförmige Endabschnitt 38B ist an dem feststehenden Träger 50B mit einem Lager 54, das eine Relativdrehung zulässt, drehbar gelagert. Der ringförmige Endabschnitt 40B ist an dem feststehenden Träger 52B mit einem Lager 54, das eine Relativdrehung zulässt, drehbar gelagert. Die Kupplung 56B vom feststehenden Typ, die ebenfalls in dem Motormodul 22 enthalten ist, ist selektiv einrückbar, um eine erste drehbare Nabe 58B mit dem Getriebekasten 24 auf Masse festzulegen. Die zweite drehbare Nabe 58B ist auch selektiv zur gemeinsamen Rotation mit dem Rotor 32B und dem feststehenden Trägerelement 52B verbunden. Die feststehenden Trägerelemente 50B, 52B sowie die Kupplung 56B vom feststehenden Typ sind außerhalb des Getriebehohlraums 36A gelegen. Wenn die Kupplung 48B vom rotierenden Typ eingerückt ist, ist die erste drehbare Nabe 58B zur gemeinsamen Rotation mit dem Trägerelement eines dritten Planetenradsatzes 60 verbunden.
  • Der erste und zweite feststehende Träger 50A, 52A bzw. 50B, 52B jedes Motormoduls 20, 22 bilden jeweils äußere Seitenwände der Motormodule. Die Statoren 30A, 30B eines jeden können in eine äußere radiale Wand (nicht gezeigt) eingepasst sein, die die zwei feststehenden Träger 50A, 52A und 50B, 52B jedes Motormoduls 20, 22 verbindet, und können in den Kasten 24 passen. Alternativ kann sich jeder der feststehenden Träger 50A, 52A und 50B, 52B derart erstrecken (nicht gezeigt), dass er die Statoren 30A und 30B trifft, und kann daran befestigt sein, um die Module 20 und 22 vollständig zusammenzubauen. Feststehende Träger 52A und 50B von Motormodulen 20 und 22 bilden ein Gehäuse für die Kupplung 56A vom feststehenden Typ. Das Gehäuse für die Kupplung 53 vom feststehenden Typ ist durch den feststehenden Träger 50A des Motormoduls 20 und einen zusätzlichen feststehenden Träger 55 gebildet, der einen Teil der Eingangsabdeckung des Getriebes (nicht gezeigt) sein kann. Das Gehäuse für die Kupplung 56B vom feststehenden Typ ist durch den feststehenden Träger 52B und einen zusätzlichen feststehenden Träger 57 gebildet, der ein Teil der Ausgangsabdeckung des Getriebes (nicht gezeigt) sein kann. Die Breite W1 des zweiten Motormoduls 22 ist geringfügig größer als die Breite W2 des ersten Motormoduls 20.
  • Die Kupplung 53 vom feststehenden Typ ist eine Eingangsbremse, die selektiv einrückbar ist, um das Eingangselement 16 mit dem feststehenden Träger 50A zu verbinden, wobei eine Rotation des Eingangselements 16 verhindert wird. Die Eingangsbremse 53 wird zusammen mit Kupplungen 48A, 48B vom rotierenden Typ eingerückt, um einen rein elektrischen Betriebsmodus herzustellen, in welchem beide Motoren/Generatoren 28A, 28B gesteuert sind, um als Motoren zu arbeiten und somit dem Ausgangselement 26 Drehmoment hinzuzufügen.
  • Ein dritter Planetenradsatz 60 (der auch als ein Ausgangszahnradsatz bezeichnet wird), der koaxial mit dem Eingangselement 16 ist, umfasst ein erstes Element, das ein Sonnenrad 62 ist, ein zweites Element, das ein Hohlrad 64 ist, und ein drittes Element, das ein Trägerelement 66 ist, das einen ersten Satz Planeten 68 und einen zweiten Satz Planeten 70, welcher mit dem ersten Satz Planeten 68 kämmt, drehbar lagert, so dass der dritte Planetenradsatz 60 ein Planetenradsatz vom Doppelplanetentyp ist. Das Sonnenrad 62 kämmt mit dem ersten Satz Planeten 68. Das Hohlrad 64 kämmt mit dem zweiten Satz Planeten 70. Das Ausgangselement 26 ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Hohlradelement 64 verbunden. In einer alternativen Anordnung könnte die Maschine 12 benachbart zu dem Planetenradsatz 60 angeordnet sein, wobei das Eingangselement 16 durch die Mitte des Getriebes 10 entlang der Mittellinie 18 verläuft, um das Hohlradelement 51A über die gezeigte Nabe anzubringen, ähnlich wie die Auslegung von 2.
  • Fachleute auf dem Gebiet der Getriebekonstruktion werden erkennen, dass die Anzahl von Zahnradzähnen an oder die Arbeitsradien von den Zahnradelementen das nominale Übersetzungsverhältnis des Planetenradsatzes bestimmt. So wie es hierin verwendet wird, ist ein ”nominales Übersetzungsverhältnis” entweder das zugrunde liegende Hohlrad/Sonnenrad-Verhältnis eines einfachen Planetenradsatzes oder dessen Arbeitsäquivalent für einen komplizierteren Planetenradsatz. Das nominale Übersetzungsverhältnis in dem Fall eines einfachen Planetenradsatzes ist:
    NR/NS, das Verhältnis der Zähnezahl des Hohlrads NR zu der Zähnezahl des Sonnenrads NS.
  • Für einen einfachen Planetenradsatz ist dieses Verhältnis allgemein einfach als das ”Übersetzungsverhältnis” bekannt, aber hierin muss ein breiterer Ausdruck eingeschlossen sein, um die relativen Größen der Elemente eines Planetenradsatzes zu definieren, um zusammengesetzte Planetenradsätze einzuschließen. In dem Fall eines zusammengesetzten Planetenradsatzes hängt das nominale Übersetzungsverhältnis ab von dem Verhältnis des Bauteils, das in einem einfachen Planetenradsatz als Hohlrad wirken würde, zu dem Bauteil, das in einem einfachen Planetenradsatz als Sonnenrad wirken würde.
  • In einem zusammengesetzten Planetenradsatz, der ein Sonnenrad, ein Trägerelement, das zwei Sätze Planetenräder drehbar lagert, und ein Hohlrad aufweist, wobei ein erster Satz der Planetenräder mit dem Sonnenrad und mit einem zweiten Satz der Planetenräder kämmt, und wobei der zweite Satz Planetenräder auch mit dem Hohlrad kämmt, ist beispielsweise das nominale Übersetzungsverhältnis:
    NR/NS – 1, das Verhältnis der Zähnezahl des Hohlradelements NR zu der Zähnezahl des Sonnenradelements NS weniger Eins.
  • Wenn die Übersetzungsverhältnisse der Planetenradsätze, die in einem Getriebe verwendet werden, überlegt gewählt werden, können die erzielbaren Drehzahlverhältnisse und Stufen zwischen Verhältnissen wie gewünscht konstruiert werden. In manchen der hierin offenbarten Getriebeausführungsformen (siehe 1 und 2) weisen zwei der Planetenradsätze im Wesentlichen identische Verhältnisse auf (die Planetenradsätze, die in den Motormodulen enthalten sind), während der dritte Planetenradsatz mit einem nominalen Übersetzungsverhältnis in der Nähe von 1,0 konstruiert ist, was bewirkt, dass die Motoren/Generatoren während des Betriebes der gleichen maximalen Drehmomentanforderung ausgesetzt sind, was zulässt, dass diese im Wesentlichen identische Größe und Leistungsanforderungen haben können. Es ist jedoch in der Praxis schwierig, einen robusten Planetenradsatz mit einem nominalen Übersetzungsverhältnis von exakt 1,0 zu bauen, selbst wenn zwei Sätze von Planetenrädern verwendet werden, so dass die maximalen Drehmomentanforderungen für die zwei Motoren/Generatoren stattdessen geringfügig unterschiedlich sein können. Somit sorgt diese Erfindung dafür, dass die Motoren entweder identische oder unterschiedliche Längen haben können, was dennoch zulässt, dass die Motoren einen Großteil der Werkzeuge zur Herstellung derselben teilen können.
  • Ein Verbindungselement 72 ist koaxial und konzentrisch mit dem Eingangselement 16. Das Verbindungselement 72 verbindet das Trägerelement 47A, das Trägerelement 47B und das Sonnenrad 62 zur gemeinsamen Rotation.
  • Das Getriebe 14 ist steuerbar, um viele unterschiedliche Betriebsmodi herzustellen. Ein erster elektrisch verstellbarer Vorwärts-Betriebsmodus, der ein Modus mit Eingangsleistungsverzweigung ist, wird hergestellt, indem Kupplungen 56A und 56B vom feststehenden Typ eingerückt werden, Motor/Generator 28A gesteuert wird, um als Generator zu wirken, und Motor/Generator 28B, um als Motor zu wirken, wobei die Maschine 12 dem Eingangselement 16 Leistung zuführt. Ein zweiter elektrisch verstellbarer Betriebsmodus, der ein Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung ist, wird hergestellt, indem gleichzeitig die Kupplung 56A vom feststehenden Typ ausgerückt wird und die Kupplung 48A vom rotierenden Typ eingerückt wird, um von dem ersten elektrisch verstellbaren Modus in den zweiten elektrisch verstellbaren Modus zu schalten. Die Kupplung 56B vom feststehenden Typ bleibt eingerückt. Der Motor/Generator 28A wird gesteuert, um als Motor zu arbeiten, während der Motor/Generator 28B als Generator wirkt und die Maschine 12 fortfährt, an dem Eingangselement 16 Drehmoment hinzuzufügen. Ein dritter elektrisch verstellbarer Betriebsmodus wird hergestellt, indem die Kupplung 56B vom feststehenden Typ ausgerückt wird und die Kupplung 48B vom rotierenden Typ eingerückt wird. Die Kupplung 48A vom rotierenden Typ bleibt eingerückt. Der Motor/Generator 28A wird gesteuert, um als Generator zu arbeiten, und der Motor/Generator 28B wird gesteuert, um als Motor zu arbeiten.
  • Das Getriebe 14 weist auch drei Modi mit festem Vorwärtsverhältnis auf. Ein erster Modus mit festem Verhältnis wird hergestellt, indem die Kupplung 48A vom rotierenden Typ und Kupplungen 56A und 56B vom feststehenden Typ eingerückt werden, wobei vorzugsweise ein erster mechanischer Punkt zwischen dem ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt wird. Ein zweiter Modus mit festem Verhältnis wird hergestellt, indem die Kupplungen 48A, 48B vom rotierenden Typ und die Kupplung 56B vom feststehenden Typ eingerückt werden, wobei vorzugsweise ein zweiter mechanischer Punkt zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Betriebsmodus hergestellt wird. Ein dritter Modus mit festem Verhältnis wird hergestellt, indem die Kupplungen 48A, 48B vom rotierenden Typ und die Kupplung 56A vom feststehenden Typ eingerückt werden, wobei vorzugsweise ein dritter mechanischer Punkt während des dritten elektrisch verstellbaren Betriebsmodus hergestellt wird. Der rein elektrische Betriebsmodus wird hergestellt, indem die Eingangsbremse 53 eingerückt wird, wenn die Maschine 12 aus ist, um ein Reaktionselement für das Hohlrad 51A bereitzustellen, während die Motoren/Generatoren 28A, 28B gesteuert werden, um als Motoren zu wirken, wobei die Kupplungen 48A, 48B vom rotierenden Typ eingerückt sind.
  • Das Getriebe 14 ist in der Lage, das Ausgangselement 26 ohne Wirkung der Maschine 12, d. h. während das Eingangselement 16 feststeht, in irgendeinem der elektrisch verstellbaren Modi anzutreiben, würde aber vorzugsweise in dem ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus arbeiten. Das Getriebe 14 ist auch in der Lage, das Ausgangselement 26 in irgendeinem der elektrisch verstellbaren Modi rückwärts anzutreiben, würde aber bevorzugt in dem ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmo dus für den Rückwärtsbetrieb genauso arbeiten, einfach indem eine Kombination von Drehzahlen der Motoren/Generatoren 28A und 28B gewählt wird, um eine Rückwärtsdrehung des Ausgangselements 26 zu bewirken.
  • Zweite Ausführungsform
  • Unter Bezugnahme auf 2 weist eine andere Ausführungsform eines Antriebsstrangs 100 eine Maschine 12 auf, die funktional mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe 114 verbunden ist. Der Antriebsstrang 100 und das Getriebe 114 umfassen viele der gleichen Bauteile wie der Antriebsstrang 10 und das Getriebe 14 von 1. Derartige Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen, wie sie in 1 verwendet wurden, angegeben und funktionieren auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben, um die gleichen Betriebsmodi herzustellen. Jedoch weist das Getriebe 114 einen dritten Planetenradsatz 160 auf (der auch als ein Ausgangszahnradsatz bezeichnet wird), der sich von dem Planetenradsatz 60 unterscheidet. Der Planetenradsatz 160 ist koaxial mit dem Eingangselement 16 und umfasst ein erstes Element, das ein Trägerelement 166 ist, ein zweites Element, das ein Hohlrad 164 ist, und ein drittes Element, das ein Sonnenrad 162 ist, das einen ersten Satz Planeten 168 und einen zweiten Satz Planeten 170, der mit dem ersten Satz Planeten 168 kämmt, drehbar lagert, so dass der dritte Planetenradsatz 160 ein Planetenradsatz vom Doppelplanetentyp ist. Das Sonnenrad 162 kämmt mit dem ersten Satz Planeten 168. Das Hohlrad 164 kämmt mit dem zweiten Satz Planeten 170. Das Ausgangselement 26 ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Hohlradelement 164 verbunden. Eine zweite drehbare Nabe 158B ist koaxial und konzentrisch mit dem Eingangselement 16 und ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenradelement 162 verbunden. Die zweite drehbare Nabe 158B ist selektiv zur gemeinsamen Rotation mit dem Rotor 32B durch Einrückung der Kupplung 48B vom rotierenden Typ verbunden. Die zweite drehbare Nabe 158B ist selektiv an dem Getriebekasten 24 durch Einrückung der Kupplung 56B vom feststehenden Typ auf Masse festgelegt. Ein Verbindungselement 172, das koaxial und konzentrisch mit dem Eingangselement 16 ist, ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Trägerelement 47A, dem Trägerelement 47B und dem Trägerelement 166 verbunden. Mit dieser Anordnung weist der dritte Planetenradsatz 160 ein nominales Übersetzungsverhältnis von
    NR/NS – 1 auf, das Verhältnis der Zähnezahl des Hohlradelements NR zu der Zähnezahl des Sonnenradelements NS weniger Eins.
  • Dritte Ausführungsform
  • Unter Bezugnahme auf 3 weist eine dritte Ausführungsform eines Antriebsstrangs 100 eine Maschine 12 auf, die funktional mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe 214 verbunden ist. Der Antriebsstrang 200 und das Getriebe 214 umfassen viele der gleichen Bauteile wie der Antriebsstrang 10 und das Getriebe 14 von 1. Derartige Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen, wie sie in 1 verwendet werden, angegeben und funktionieren auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben. Eine Eingangsbremse 253 legt das Hohlrad 51A selektiv an dem Getriebekasten 24 auf Masse fest. Ein Verbindungselement 272, das koaxial und konzentrisch mit dem Eingangselement 216 ist, verbindet das Trägerelement 47A, das Trägerelement 47B und das Ausgangselement 226 ständig zur gemeinsamen Rotation. Eine zweite Kupplung 248B vom rotierenden Typ ist selektiv einrückbar, um den Rotor 32B zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement 272 zu verbinden. Das Getriebe 214 stellt die folgenden Betriebsmodi bereit: einen rein elektrischen Betriebsmodus durch die Kupplungen 253 und 56A vom feststehenden Typ; einen elektrisch verstellbaren Modus durch Einrücken der Kupplung 56A vom fest stehenden Typ allein, der ein Modus mit Eingangsleistungsverzweigung ist; einen elektrisch verstellbaren Modus durch Einrücken der Kupplung 48A vom rotierenden Typ allein, der ein Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung ist; einen Modus mit festem Verhältnis durch Einrücken der Kupplungen 56A und 48A gemeinsam; und einen weiteren Modus mit festem Verhältnis durch Einrücken der Kupplungen 48A und 248B gemeinsam.
  • 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.

Claims (10)

  1. Elektrisch verstellbares Getriebe, umfassend: ein Eingangselement, das eine Drehachse aufweist, und ein Ausgangselement; einen Getriebekasten; ein erstes und zweites Motormodul in dem Getriebekasten, die das Eingangselement und das Ausgangselement funktional verbinden und koaxial um die Drehachse herum angeordnet sind; wobei jedes Motormodul einen jeweiligen Motor/Generator mit einem Rotor, der um die Drehachse herum drehbar ist und einen Rotorhohlraum definiert; einen Planetenradsatz, der in den Hohlraum gepackt ist und ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweist; eine Rotornabe, die den Rotor lagert und einen ersten und zweiten ringförmigen Endabschnitt an entgegengesetzten Enden der Rotornabe und einen ringförmigen Mittelabschnitt aufweist, der zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Element des Planetenradsatzes verbunden ist; und eine selektiv einrückbare Kupplung vom rotierenden Typ umfasst, die in den Hohlraum gepackt und mit der Rotornabe verbunden ist; und wobei der Motor/Generator, der Planetenradsatz, die Rotornabe und die Kupplung vom rotierenden Typ eines jeden jeweiligen Motormoduls im Wesentlichen identisch mit Bezug zueinander in jedem Motormodul angeordnet sind, so dass die Motormodule im Wesentlichen identisch sind.
  2. Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei jeder Motor/jedes Modul ferner einen jeweiligen feststehenden Träger, der mit dem Getriebekasten verbunden ist; und eine jeweilige Kupplung vom feststehenden Typ umfasst, die selektiv mit dem feststehenden Träger in Eingriff gebracht werden kann; wobei der feststehende Träger und die Kupplung vom feststehenden Typ außerhalb des jeweiligen Rotorhohlraums im Wesentlichen identisch mit Bezug auf den Motor/Generator, den Planetenradsatz, die Rotornabe und die Kupplung vom rotierenden Typ des jeweiligen Motormoduls angeordnet sind, wobei vorzugsweise einer der ringförmigen Endabschnitte an dem feststehenden Träger in einem jeweiligen Motormodul gelagert ist, und/oder ferner umfassend: ein Verbindungselement, das koaxial mit der Drehachse ist und die zweiten Elemente des ersten und zweiten Motormoduls ständig zur gemeinsamen Rotation verbindet; eine erste und eine zweite drehbare Nabe, die jeweils koaxial mit der Drehachse sind; wobei die erste drehbare Nabe ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Element des zweiten Motormoduls verbunden ist; einen dritten Planetenradsatz, der ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweist, wobei das erste Element des dritten Planetenradsatzes zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement verbunden ist; wobei das zweite Element des dritten Planetenradsatzes zur gemeinsamen Rotation mit dem Ausgangselement verbunden ist; und wobei die zweite drehbare Nabe ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Element des dritten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei die Kupplung vom rotierenden Typ des ersten Motormoduls selektiv einrückbar ist, um die Rotornabe des ersten Motormoduls zur gemeinsamen Rotation mit der ersten drehbaren Nabe zu verbinden; und wobei die Kupplung vom rotierenden Typ des zweiten Motormoduls selektiv einrückbar ist, um die Rotornabe des zweiten Motormoduls zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten drehbaren Nabe zu verbinden, wobei vorzugsweise die Kupplung vom feststehenden Typ des ersten Motormoduls selektiv einrückbar ist, um die erste drehbare Nabe zur gemeinsamen Rotation mit dem feststehenden Träger des ersten Motormoduls zu verbinden; und wobei die Kupplung vom feststehenden Typ des zweiten Motormoduls selektiv einrückbar ist, um die zweite drehbare Nabe zur gemeinsamen Rotation mit dem feststehenden Träger des zweiten Motormoduls zu verbinden.
  3. Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Verbindungselement, das koaxial mit der Drehachse ist und die zweiten Elemente des ersten und zweiten Motormoduls ständig zur gemeinsamen Rotation verbindet.
  4. Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 3, wobei das Verbindungselement auch ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Element des dritten Planetenradsatzes verbunden ist, und/oder ferner umfassend: eine erste und eine zweite drehbare Nabe, die jeweils koaxial mit der Achse des Getriebes sind; wobei die Kupplung vom rotierenden Typ des ersten Motormoduls selektiv einrückbar ist, um die Rotornabe des ersten Motormoduls zur gemeinsamen Rotation mit der ersten drehbaren Nabe zu verbinden; und wobei die Kupplung vom rotierenden Typ des zweiten Motormoduls selektiv einrückbar ist, um die Rotornabe des zweiten Motormoduls zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement zu verbinden, und/oder ferner umfassend: eine Eingangskupplung, die selektiv einrückbar ist, um das Eingangselement zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Element des Planetenradsatzes des ersten Motormoduls zu verbinden.
  5. Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 3, ferner umfassend: eine Eingangsbremse, die selektiv einrückbar ist, um das Eingangselement mit dem Getriebekasten zu verbinden.
  6. Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 5, wobei das erste Element des Planetenradsatzes des ersten Motormoduls ein Sonnenrad ist; wobei das zweite Element des Planetenradsatzes des ersten Motormoduls ein Trägerelement ist, das eine Mehrzahl Planetenräder drehbar lagert, die mit dem Sonnenrad kämmen; wobei das dritte Element des Planetenradsatzes des ersten Motormoduls ein Hohlrad ist, das mit den Planetenrädern kämmt; wobei das erste Element des Zahnradsatzes des zweiten Motormoduls ein weiteres Sonnenrad ist; wobei das zweite Element des Zahnradsatzes des ersten Motormoduls ein weiteres Trägerelement ist, das eine Mehrzahl Planetenräder drehbar lagert, die mit dem weiteren Sonnenrad kämmen; und wobei das dritte Element des Zahnradsatzes des ersten Motormoduls ein weiteres Hohlradelement ist, das mit den Planetenrädern kämmt.
  7. Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 6, wobei jedes Motormodul ferner einen jeweiligen feststehenden Träger umfasst, der mit dem Getriebekasten verbunden ist; und ferner umfassend: eine jeweilige Kupplung vom feststehenden Typ, die selektiv mit dem jeweiligen feststehenden Träger in Eingriff gebracht werden kann; wobei der feststehende Träger und die Kupplung vom feststehenden Typ außerhalb des jeweiligen Rotorhohlraums im Wesentlichen identisch mit Bezug auf den Motor/Generator, den Planetenradsatz, die Rotornabe und die Kupplung vom rotierenden Typ des jeweiligen Motormoduls angeordnet sind; wobei das dritte Element des Planetenradsatzes des ersten Motormoduls ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Eingangselement verbunden ist; wobei die Kupplung vom rotierenden Typ des ersten Motormoduls selektiv einrückbar ist, um das dritte Element des zweiten Motormoduls mit der Rotornabe des ersten Motormoduls zu verbinden; wobei das dritte Element des zweiten Motormoduls ein Hohlrad ist; eine erste und eine zweite drehbare Nabe, die jeweils koaxial mit der Drehachse sind; wobei die erste drehbare Nabe ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Hohlrad des zweiten Motormoduls verbunden ist; einen dritten Planetenradsatz, der ein erstes Element aufweist, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement verbunden ist, ein zweites Element, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Ausgangselement verbunden ist; wobei die zweite drehbare Nabe ständig zur gemeinsamen Rotation mit einem dritten Element des dritten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei die Kupplung vom rotierenden Typ des ersten Motormoduls selektiv einrückbar ist, um die Rotornabe des ersten Motormoduls zur gemeinsamen Rotation mit der ersten drehbaren Nabe zu verbinden; und wobei die Kupplung vom rotierenden Typ des zweiten Motormoduls selektiv einrückbar ist, um die Rotornabe des zweiten Motormoduls zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten drehbaren Nabe zu verbinden, wobei vorzugsweise das erste Element des dritten Planetenradsatzes ein Sonnenrad ist; wobei das zweite Element des dritten Planetenradsatzes ein Hohlrad ist; und wobei das dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, und/oder wobei das erste Element des dritten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist; wobei das zweite Element des dritten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist; und wobei das dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist.
  8. Elektrisch verstellbares Getriebe, umfassend: ein Eingangselement, das eine Drehachse aufweist; ein Ausgangselement, das koaxial mit der Drehachse ist; einen Getriebekasten; erste und zweite im Wesentlichen identische Motormodule in dem Getriebekasten, die das Eingangselement und das Ausgangselement funktional verbinden und koaxial um die Drehachse herum angeordnet sind; wobei jedes Motormodul einen jeweiligen Motor/Generator mit einem Rotor, der um die Drehachse herum drehbar ist und einen Rotorhohlraum definiert; einen Planetenradsatz, der in den Hohlraum gepackt ist und ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweist; eine Rotornabe, die den Rotor lagert und einen ersten und zweiten ringförmigen Endabschnitt an entgegengesetzten Enden der Rotornabe und einen ringförmigen Mittelabschnitt aufweist, der zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Element des Planetenradsatzes verbunden ist; und eine selektiv einrückbare Kupplung vom rotierenden Typ umfasst, die in den Hohlraum gepackt und mit der Rotornabe verbunden ist; wobei der Planetenradsatz axial zwischen den ersten ringförmigen Endabschnitt und den ringförmigen Mittelabschnitt gepackt ist; und wobei die Kupplung vom rotierenden Typ zwischen den Mittelabschnitt und den zweiten ringförmigen Endabschnitt gepackt ist.
  9. Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 8, wobei jedes Motormodul ferner einen jeweiligen feststehenden Träger, der mit dem Getriebekasten verbunden ist; und eine jeweilige Kupplung vom feststehenden Typ umfasst, die selektiv mit dem feststehenden Träger in Eingriff gebracht werden kann; wobei der feststehende Träger und die Kupplung vom feststehenden Typ außerhalb des jeweiligen Rotorhohlraums im Wesentlichen identisch mit Bezug auf den jeweiligen Motor/Generator, den Planetenradsatz, die Rotornabe und die Kupplung vom rotierenden Typ des jeweiligen Motormoduls angeordnet sind.
  10. Elektrisch verstellbares Getriebe, umfassend: ein Eingangselement und ein Ausgangselement; einen Getriebekasten; ein erstes und zweites im Wesentlichen identisches Motormodul, die in den Getriebekasten gepackt und funktional mit dem Eingangselement und dem Ausgangselement verbunden sind; wobei jedes Motormodul einen jeweiligen Motor/Generator mit einem auf einer Rotornabe gelagerten Rotor, welcher ringförmige Endabschnitte und einen ringförmigen Mittelabschnitt umfasst, die sich von dort radial nach innen erstrecken, einen jeweiligen Planetenradsatz, eine jeweilige Kupplung vom rotierenden Typ, ein jeweiliges erstes und zweites feststehendes Trägerelement, das mit dem Getriebekasten verbunden ist, und eine jeweilige Kupplung vom feststehenden Typ aufweist, die ein Element des jeweiligen Planetenradsatzes selektiv an dem jeweiligen zweiten feststehenden Trägerelement auf Masse festlegt; eine Eingangsbremse, die selektiv einrückbar ist, um das Eingangselement mit dem ersten feststehenden Trägerelement des ersten Motormoduls zu verbinden, um zuzulassen, dass beide Motoren/Generatoren als Motoren betrieben werden können, um Drehmoment an das Ausgangselement zu liefern; und wobei die Motormodule axial entlang der Getriebeachse von der Eingangsbremse zu dem Ausgangselement in der Reihenfolge des ersten feststehenden Trägerelements des ersten Motormoduls, des ersten ringförmigen Endabschnitts des ersten Motormoduls, des Planetenradsatzes des ersten Motormoduls, des ringförmigen Mittelabschnitts des ersten Motormoduls, der Kupplung vom rotierenden Typ des ersten Motormoduls, des zweiten ringförmigen Endabschnitts des ersten Motormoduls, des zweiten ringförmigen Trägers des ersten Motormoduls, der Kupplung vom feststehenden Typ des ersten Motormoduls, des ersten feststehenden Trägerelements des zweiten Motormoduls, des ersten ringförmigen Endabschnitts des zweiten Motormoduls, des Planetenradsatzes des zweiten Motormo duls, des ringförmigen Mittelabschnitts des zweiten Motormoduls, der Kupplung vom rotierenden Typ des zweiten Motormoduls, des zweiten ringförmigen Endabschnitts des zweiten Motormoduls, des zweiten ringförmigen Trägers des zweiten Motormoduls und der Kupplung vom feststehenden Typ des zweiten Motormoduls angeordnet sind.
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