DE102011080060A1

DE102011080060A1 - Ein getriebe, das stufenlose variable übersetzungsverhältnisse erzeugt

Info

Publication number: DE102011080060A1
Application number: DE102011080060A
Authority: DE
Inventors: Donald E. Hoffmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2012-02-02
Also published as: US8574110B2; US20110165988A1; CN102345717B; CN102345717A

Abstract

Ein Getriebe umfasst ein Wechselgetriebe einschließlich eines Kegels, der an einem Eingang befestigt ist, und eines zweiten Kegels, der mit dem Kegel antriebsverbunden ist und ein variables Übersetzungsverhältnis zwischen den Kegeln erzeugt, ein Zahnradsatz einschließlich eines Elements, das am zweiten Kegel befestigt ist, und eines zweiten und dritten Elements, eine erste Kupplung, die eine Verbindung zwischen dem Eingang und dem zweiten Element öffnet und schließt, und eine zweite Kupplung, die eine Verbindung zwischen einem Ausgang und dem dritten Element öffnet und schließt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich generell auf den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs und insbesondere auf ein Getriebe mit einem Wechselgetriebe, das stufenlose, kontinuierlich veränderliche Bereiche von Übersetzungsverhältnissen erzeugt.
2. Beschreibung zum Stand der Technik
Ein effizientes Getriebe, das minimalen Platz erfordert und kontinuierlich veränderliche Bereiche von Übersetzungsverhältnissen erzeugen kann, ist erforderlich, um die Kraftstoffnutzung und Leistung von Kraftfahrzeugen zu optimieren, die mit einem relativ kleinen Motor ausgerüstet sind, besonders bei einer diagonalen Frontantriebanordnung von Motor und Getriebe.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Getriebe umfasst ein Wechselgetriebe einschließlich eines Kegels, der an einem Eingang befestigt ist, und eines zweiten Kegels, der mit dem Kegel antriebsverbunden ist und ein variables Übersetzungsverhältnis zwischen den Kegeln erzeugt, ein Zahnradsatz einschließlich eines Elements, das am zweiten Kegel befestigt ist, und eines zweiten und dritten Elements, eine erste Kupplung, die eine Verbindung zwischen dem Eingang und dem zweiten Element öffnet und schließt, und eine zweite Kupplung, die eine Verbindung zwischen einem Ausgang und dem dritten Element öffnet und schließt.
Das Getriebe ist effizienter als ein Getriebe, das andere Arten an Wechselgetrieben integriert, da es weniger Getriebe im Kraftweg gibt, was den gesamten mechanischen Wirkungsgrad verbessert.
Während des Betriebs im dritten Modus wird der Kraftfluss so aufgeteilt, dass das Wechselgetriebe nur einen Teil der Leistung aufnimmt, die vom Motor erzeugt wird, wodurch Wechselgetriebe-Effizienzverluste reduziert werden.
Der Umfang der Anwendbarkeit der bevorzugten Ausführungsform wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offensichtlich. Es ist selbstverständlich, dass die Beschreibung und die speziellen Beispiele nur zur Veranschaulichung angegeben sind, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Verschiedene Änderungen und Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen und Beispielen werden für fachkundige Personen offensichtlich.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist leichter anhand der folgenden Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen zu verstehen, in denen:
1 ein Prinzipschaltbild eines stufenlosen Doppelmodusgetriebes zeigt;
2 zeigt eine bevorzugte Anzahl an Zähnen des Erstmodus-Zahnradsatzes und den Achsantrieb des Getriebes von 1;
3 zeigt das Beta-Verhältnis und eine bevorzugte Anzahl an Zähnen des Sonnenrades, des Hohlrades und der Satellitenräder des Misch-Planetensatzes des Getriebes von 1;
4 ist ein Diagramm, das die Variation der Übersetzungsverhältnisse von Systemkomponenten zeigt, während sich das Wechselgetriebe-Übersetzungsverhältnis im Getriebe von 1 ändert;
5 ist ein Prinzipschaltbild eines stufenlosen Dreifachmodusgetriebes;
6 zeigt eine bevorzugte Anzahl an Zähnen des Erstmodus-Zahnradsatzes, des Dreifachmodus-Zahnradsatzes und den Achsantrieb des Getriebes von 5;
7 zeigt das Beta-Verhältnis und eine bevorzugte Anzahl an Zähnen des Sonnenrades, des Hohlrades und der Satellitenräder des Misch-Zahnradsatzes des Getriebes von 5;
8 zeigt die Zustände der Kupplungen während des Betriebs in den drei Modi des Getriebes von 5; und
9 ist ein Diagramm, das die Variation der Übersetzungsverhältnisse von Systemkomponenten zeigt, während sich das Wechselgetriebe-Übersetzungsverhältnis im Getriebe von 5 ändert;
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Bezugnehmend auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 ein Doppelmodusgetriebe 10 zur Kraftübertragung zwischen einem Motor 12 und einem Antriebsritzel 14. Das Getriebe 10 umfasst einen Drehschwingungsdämpfer 16; ein Konusring-Wechselgetriebe 18; ein Erstmodus-Zahnradsatz, der Ritzel 20 und Zahnrad 22 umfasst; eine Erstmodus-Kupplung 28; eine Zweitmodus-Kupplung 30; und einen Misch-Planetensatz 32. Ritzel 20 ist an der Eingangswelle 34 befestigt und steht in Eingriff mit Zahnrad 22. Das Wechselgetriebe 18 in Kombination mit dem Misch-Planetensatz 32, Zahnradsatz 20–22 und den Kupplungen 28, 30 erzeugt das stufenlose Mehrfachmodus-Getriebe 10.
Konusring-Wechselgetriebe 18 erzeugt ein kontinuierlich veränderliches Verhältnis der Drehzahl des Kegels 36 zur Drehzahl des Kegels 38 abhängig von der Stellung eines Rings 40, der so gesteuert wird, dass er sich entlang den Kegeln bewegt und das durch das Wechselgetriebe erzeugte Übersetzungsverhältnis verändert. Der Kegel 38 ist an der Eingangswelle 34 befestigt; der zweite Kegel 36 ist an der Vorgelegewelle 44 befestigt, deren Achse 46 im Wesentlichen zur Achse 42 der Eingangswelle 34 parallel ist. Ring 40 überträgt das Drehungsvermögen zwischen den Kegeln und die Kegel drehen sich in entgegengesetzten Richtungen über die Achsen 42 und 46.
Misch-Planetensatz 32 umfasst ein Sonnenrad 50 befestigt an der Vorgelegewelle 44; ein Hohlrad 52 befestigt an einer Abgangswelle 54; eine Trägerwelle 56 verbunden mit der Erstmodus-Kupplung 28; und die Satellitenräder 58, die auf der Trägerwelle getragen werden und mit dem Hohlrad und Sonnenrad in Eingriff stehen.
Beim Doppelmodusgetriebe 10 ist das Konusring-Wechselgetriebe mit dem Misch-Planetensatz 32, dem Erstmodus-Zahnradsatz 20–22 und zwei Steuerungskupplungen 28, 30 kombiniert. Der Erstmodus erzeugt den Rückwärtsantrieb und den niedrigen Vorwärtsantriebsbereich, in dem der Abgangskonus 36 des Wechselgetriebes mit einem Element des Misch-Planetensatzes 32 verbunden ist. Ein zweites Element des Planetensatzes 32 ist mit dem Ausgang des Erstmodus-Zahnradsatzes 20–22 verbunden und das dritte Element des Planetensatzes 32 mit dem Ausgang 54 von Getriebe 10. Der Zweitmodus ist der hohe Modus, in dem der Abgangskonus 36 des Wechselgetriebes 18 direkt mit dem Ausgang 54 verbunden ist und den Misch-Planetensatz 32 umgeht.
Für den Betrieb von Getriebe 10 im Erstmodus ist die Erstmodus-Kupplung 28 eingekuppelt und die Zweitmodus-Kupplung 30 ist ausgekuppelt. Eine Komponente am Misch-Planetensatz 32, wie z. B. die Trägerwelle 56, ist mit der Eingangswelle 34 über den Zahnradsatz 20–22 und die Erstmodus-Kupplung 28 verbunden. Eine zweite Komponente am Misch-Planetensatz 32, z. B. das Sonnenrad 50, ist mit der Eingangswelle 34 über das Wechselgetriebe 18 verbunden. Ein drittes Element des Misch-Planetensatzes 32, z. B. Hohlrad 52, ist mit der Abgangswelle 54 von Getriebe 10 verbunden.
Für den Betrieb im Zweitmodus ist die Erstmodus-Kupplung 28 ausgekuppelt und die Zweitmodus-Kupplung 30 ist eingekuppelt. Der Zweitmodus ist der hohe Vorwärtsantrieb-Modus, in dem Leistung vom Motor 12 zur Abgangswelle 54 über einen Kraftweg übertragen wird, der in aufeinanderfolgender Reihenfolge Eingangswelle 34, Kegel 38, Ring 40, Kegel 36, Vorgelegewelle 44 und Zweitmodus-Kupplung 30 umfasst, wodurch der Misch-Planetensatz 32 umgangen wird.
Mit der korrekten Auswahl des Planetensatz-Beta-Verhältnisses, d. h. das Verhältnis des Flankendurchmessers von Hohlrad 52 und des Flankendurchmessers von Sonnenrad 50 und das Übersetzungsverhältnis des Zahnradsatzes 20–22, erzeugt der Betrieb im Erstmodus den Rückwärtsantrieb, die Leerlaufstellung und die Vorwärts-Antriebsbereiche mit langsamer Geschwindigkeit. Außerdem wird ein Knotenpunkt erzeugt, an dem die gesamten Übersetzungsverhältnisse im Erstmodus und Zweitmodus ineinander übergreifen, um ein ausgeglichenes Wechseln zwischen den Modi zu ermöglichen.
2 zeigt die bevorzugte Anzahl an Zähnen des Zahnradsatzes 20–22 und den Achsantrieb.
3 zeigt das Beta-Verhältnis und eine bevorzugte Anzahl an Zähnen des Sonnenrades 50, des Hohlrades 52 und der Satellitenräder 58 des Misch-Zahnradsatzes 32.
Wie 4 zeigt, ist während eines positiven Drehmomentzustandes, bei dem Getriebe 10 im Erstmodus arbeitet, das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 bei seinem Maximum –1,6923 und die Motordrehzahl bei der Referenzdrehzahl 1,000, die Drehzahl des Wechselgetriebe-Abgangskonus 36 und von Sonnenrad 50 ist –1,6923, Zahnrad 22 und Trägerwelle 56 sind –0,2959, Hohlrad 52 und Achsantriebsritzel 14 sind 0,3383 und der Achsantriebausgang ist –0,0908, Rückwärtsantrieb.
Die Achsantriebabtriebsdrehzahl ist Null, wenn das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 auf –0,9474 während des Erstmodus-Betriebs abnimmt. Die Achsantriebabtriebsdrehzahl ist 0,0795, wenn das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 weiter auf sein Minimum –0,2959 während des Erstmodus-Betriebs abnimmt.
Während eines positiven Drehmomentzustandes, bei dem Getriebe 10 im Zweitmodus arbeitet und das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 bei seinem Minimum –0,2959 und die Motordrehzahl bei 1.000 ist, ist die Drehzahl von Wechselgetriebe-Abgangskonus 36 und von Sonnenrad 50 –0,2959, Zahnrad 22 ist –0,2959, Trägerwelle 56 ist –0,2959, Hohlrad 52 und Achsantriebsritzel 14 sind –0,2959 und der Achsantriebausgang ist 0,0795, Vorwärtsantrieb.
Die Achsantriebabtriebsdrehzahl ist 0,1596, wenn das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 auf –0,5944 während des Zweitmodus-Betriebs ansteigt. Die Achsantriebabtriebsdrehzahl ist 0,4544, wenn das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 weiter auf –1,6923 während des Zweitmodus-Betriebs ansteigt.
Das Dreifachmodus-Getriebe 60 von 5 umfasst zusätzlich zu den Komponenten von Doppelmodusgetriebe 10 von 1 einen Drittmodus-Übertragungszahnradsatz, ein Ritzel 62 gelagert auf der Welle 34 und ein Zahnrad 64 befestigt an der Trägerwelle 56; und eine Drittmodus-Kupplung 66, die abwechselnd Ritzel 62 und Eingangswelle 34 verbindet und trennt. Alternativ ist Ritzel 62 an der Welle 34 befestigt, Zahnrad 64 ist auf der Trägerwelle 56 gelagert und die Drittmodus-Kupplung 66 verbindet die Eingangswelle 34 mit der Trägerwelle 56 über das Ritzel 62 und Zahnrad 64, wenn die Kupplung 66 eingekuppelt ist.
Im Drittmodus des Dreifachmodus-Getriebes 60 ist der Abgangskonus 36 von Wechselgetriebe 18 mit einem Element des Misch-Planetensatzes 32 verbunden, ein zweites Element des Planetensatzes 32 ist mit dem Abtriebsrad des Drittmodus-Zahnradsatzes 62–64 verbunden und das dritte Element ist mit dem Ausgang 54 von Getriebe 60 verbunden.
Während des Betriebs im Erstmodus sind die Kupplungen 30 und 66 ausgekuppelt und Kupplung 28 ist eingekuppelt. Der Betrieb im Erstmodus ist im Wesentlichen mit dem von Getriebe 10 identisch. Während des Betriebs im Zweitmodus sind die Kupplungen 28 und 66 ausgekuppelt und Kupplung 30 ist eingekuppelt. Der Betrieb im Zweitmodus ist im Wesentlichen mit dem von Getriebe 10 identisch. Während des Betriebs im Drittmodus sind die Kupplungen 28 und 30 ausgekuppelt und Kupplung 66 ist eingekuppelt.
Im Drittmodus ist der Abgangskonus 36 von Wechselgetriebe 18 mit einer Komponente des Misch-Planetensatzes 32, wie z. B. Sonnenrad 50 verbunden; eine zweite Komponente des Planetensatzes 32, z. B. Trägerwelle 56, ist mit dem Ausgang des Drittmodus-Zahnradsatzes 62–64 aufgrund des Eingriffs von Kupplung 66 verbunden und eine dritte Komponente von Planetensatz 32, z. B. Hohlrad 52, ist mit dem Achsantriebsritzel von Ausgang 14 verbunden.
Mit der korrekten Auswahl von Beta, der Übersetzungsverhältnisse und des Verhältnisbereichs von Wechselgetriebe 18 gibt es einen Knotenpunkt, an dem sich die Gesamtübersetzungsverhältnisse des Zweitmodus und Drittmodus überlappen, um ein ausgeglichenes Wechseln zwischen dem Zweit- und Drittmodus zu ermöglichen.
6 zeigt die bevorzugte Anzahl an Zähnen von Erstmodus-Zahnradsatz 20–22, Drittmodus-Zahnradsatz 62–64 und den Achsantrieb.
7 zeigt das Beta-Verhältnis und eine bevorzugte Anzahl an Zähnen des Sonnenrades 50, des Hohlrades 52 und der Satellitenräder 58 des Misch-Zahnradsatzes 32.
8 zeigt die Zustände der Kupplungen 28, 30 und 66 während des Betriebs im Erst-, Zweit- und Drittmodus.
Wie 9 zeigt, ist während eines positiven Drehmomentzustandes, bei dem Getriebe 60 im Erstmodus arbeitet, das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 bei seinem Maximum –1,6923 bei der Referenzdrehzahl 1.000, die Drehzahl des Wechselgetriebe-Abgangskonus 36 und von Sonnenrad 50 ist –1,6923, Zahnrad 22 und Trägerwelle 56 sind –0,2959, Hohlrad 52 und Achsantriebsritzel 14 sind 0,4969 und der Achsantriebausgang ist –0,0909, Rückwärtsantrieb.
Die Achsantriebabtriebsdrehzahl ist null, wenn das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 auf –0,8171 während des Erstmodus-Betriebs abnimmt. Die Achsantriebabtriebsdrehzahl ist 0,0541, wenn das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 weiter auf sein Minimum –0,2959 während des Erstmodus-Betriebs abnimmt.
Während eines positiven Drehmomentzustandes, bei dem Getriebe 10 im Zweitmodus arbeitet und das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 bei seinem Minimum –0,2959 und die Motordrehzahl bei 1.000 ist, ist die Drehzahl des Wechselgetriebe-Abgangskonus 36 und von Sonnenrad 50 –0,2959, Zahnrad 22 ist –0,2959, Trägerwelle 56 ist –0,2959, Hohlrad 52 und Achsantriebsritzel 14 sind –0,2959 und der Achsantriebausgang ist 0,0541, d. h. Vorwärtsantrieb.
Die Achsantriebabtriebsdrehzahl ist 0,1087, wenn das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 auf –0,5944 während des Zweitmodus-Betriebs ansteigt. Die Achsantriebabtriebsdrehzahl ist 0,3096, wenn das Übersetzungsverhältnis des Wechselgetriebes 18 weiter auf –1,6923 während des Zweitmodus-Betriebs ansteigt.
Während eines positiven Drehmomentzustandes, bei dem Getriebe 10 im Drittmodus arbeitet und das Übersetzungsverhältnis von Wechselgetriebe 18 bei –1,6923 und die Motordrehzahl bei 1.000 ist, ist die Drehzahl des Wechselgetriebe-Abgangskonus 36 und von Sonnenrad 50 –1,6923, Zahnrad 64 ist –0,2959, Trägerwelle 56 ist –1,6923, Hohlrad 52 und Achsantriebsritzel 14 ist –1,6923 und der Achsantriebausgang ist 0,3096.
Die Achsantriebabtriebsdrehzahl ist 0,3978, wenn das Übersetzungsverhältnis von Wechselgetriebe 18 auf –0,8425 während des Erstmodus-Betriebs abnimmt. Die Achsantriebabtriebsdrehzahl ist 0,4546, wenn das Übersetzungsverhältnis von Wechselgetriebe 18 weiter auf –0,2959 während des Erstmodus-Betriebs abnimmt.
Gemäß den Bestimmungen der Patent-Satzungen wurde die bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Jedoch muss berücksichtigt werden, dass die alternativen Ausführungsformen anderweitig als speziell veranschaulicht und beschrieben realisiert werden können.

Claims

Ein Getriebe, umfassend: ein Wechselgetriebe einschließlich eines an einem Eingang befestigten Kegels, und ein zweiter Kegel antriebsverbunden mit dem Kegel, was ein variables Übersetzungsverhältnis zwischen den Kegeln erzeugt; ein Zahnradsatz einschließlich eines Elements, das am zweiten Kegel befestigt ist, und einem zweiten und dritten Element; eine erste Kupplung, die eine Verbindung zwischen dem Eingang und dem zweiten Element öffnet und schließt; eine zweite Kupplung, die eine Verbindung zwischen dem Element, einem Ausgang und dem dritten Element öffnet und schließt.
Getriebe nach Anspruch 1, wobei: das Wechselgetriebe weiter einen Ring umfasst, der in eine Oberfläche jedes Kegels eingreift, wobei das durch das Wechselgetriebe erzeugte Übersetzungsverhältnis sich mit der Bewegung des Rings entlang den Oberflächen der Kegel verändert.
Getriebe nach Anspruch 1, weiter umfassend: ein erstes am Eingang befestigtes Ritzel; ein erstes Zahnrad, das mit dem ersten Ritzel in Eingriff steht, wobei die erste Kupplung den Eingang und das zweite Element durch das erste Ritzel und das erste Zahnrad verbindet.
Getriebe nach Anspruch 1, weiter umfassend: ein zweites Ritzel, das am Eingang gelagert ist; ein zweites Zahnrad, das mit dem zweiten Ritzel in Eingriff steht und am zweiten Element befestigt ist; und eine dritte Kupplung, die eine Verbindung zwischen dem Eingang und dem zweiten Element durch das zweite Ritzel und das zweite Zahnrad öffnet und schließt.
Getriebe nach Anspruch 1, weiter umfassend: ein zweites am Eingang befestigtes Ritzel; ein zweites Zahnrad, das mit dem zweiten Ritzel in Eingriff steht und auf dem zweiten Element gelagert ist; und eine dritte Kupplung, die eine Verbindung zwischen dem Eingang und dem zweiten Element durch das zweite Ritzel und das zweite Zahnrad öffnet und schließt.
Getriebe nach Anspruch 1, wobei: das Element ein Sonnenrad ist; das zweite Element ist eine Trägerwelle; das dritte Element ist ein Hohlrad; und der Zahnradsatz umfasst weiter Satellitenräder, die von der Trägerwelle getragen werden und mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad in Eingriff stehen.