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VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Anmeldung, Seriennummer 61/444,028, eingereicht am 17. Februar 2011, deren gesamte Inhalte hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrganggetriebe mit mehreren Planetenradanordnungen und mehreren Drehmomentübertragungseinrichtungen. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Neunganggetriebe mit einem integrierten Elektromotor.
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HINTERGRUND
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Die Aussagen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformationen, die mit der vorliegenden Offenbarung in Beziehung stehen, und brauchen keinen Stand der Technik zu bilden.
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Zur Zeit werden ausgiebige Konstruktions- und Entwurfsanstrengungen auf Hybridantriebsstränge für Kraftfahrzeuge, insbesondere PKW, gerichtet. Eines der vielversprechendsten und aktivsten Gebiete beinhaltet den Zusatz eines Elektromotors und zugehörigen elektronischen Controllers zu einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang, um Drehmoment zum Anfahren zu ergänzen, so dass in dem Fahrzeug eine kleinere Brennkraftmaschine benutzt werden kann. Maschinen mit weniger PS und kleinerem Hubraum liefern routinemäßig eine verbesserte Kraftstoffeffizienz gegenüber größeren Motoren und bieten eine ganz zufriedenstellende Gesamtleistung, wenn sie durch einen Elektromotor zum Anfahren des Fahrzeugs ergänzt werden.
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Dementsprechend beginnen viele Hybridantriebsstränge als Anpassungen von konventionellen und vorhandenen Antriebssträngen, die eine Brennkraftmaschine und ein Getriebe mit einem Drehmomentwandler und mehreren Planetenradanordnungen benutzen. In diesen Antriebsstrang werden ein Elektromotor und eine geeignete Anfahr- und Trennkupplung hinzugefügt. Häufig wird der Drehmomentwandler weggelassen. Die Hinzufügung ist nicht ohne beträchtliche Herausforderungen, da solche Randbedingungen, wie axiale Länge, Gehäuseaußendurchmesser, Kupplungsbetätigung, Kupplungskühlung und Integration in vorhandene Antriebsstrangkomponenten angesprochen und erfüllt werden müssen.
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Dementsprechend gibt es einen Bedarf für ein verbessertes, kostengünstiges und kompaktes Mehrganggetriebe mit einem integrierten Elektromotor.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Mehrganggetriebe für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Eingangselement, das mit einem Elektromotor verbunden ist, ein Ausgangselement, vier Planetenradanordnungen, jeweils mit einem ersten, zweiten und dritten Element, und mehrere Drehmomentübertragungseinrichtungen, wie etwa Bremsen und Kupplungen. Der Elektromotor kann für ein regeneratives Bremsen angewandt werden. Ferner kann der Elektromotor angewandt werden, um das Kraftfahrzeug mit jedem der Übersetzungsverhältnisse des Mehrganggetriebes anzufahren und anzutreiben.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendbarkeitsbereiche werden aus der hierin angegebenen Beschreibung deutlich werden. Es ist zu verstehen, dass die Beschreibung und die besonderen Beispiele lediglich zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen sind und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
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ZEICHNUNGEN
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich, sondern die Betonung liegt stattdessen auf der Darstellung der Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen:
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1A ist ein Hebeldiagramm eines Neunganggetriebes, das durch zweifache 4-Knoten-Hebel dargestellt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1B ist ein Hebeldiagramm des Neunganggetriebes, das durch vier 3-Knoten-Hebel dargestellt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine schematische Ansicht des Neunganggetriebes mit einem integrierten Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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3 ist eine Wahrheitstabelle, die den Einrückungszustand der verschiedenen Drehmomentübertragungselemente in jedem der verfügbaren Vorwärts- und Rückwärtsgänge oder -übersetzungsverhältnisse des in den 1A, 1B und 2 veranschaulichten Getriebes darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Nutzungen nicht beschränken.
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Nun unter Bezugnahme auf 1A ist ein Neunganggetriebe 10 für ein Kraftfahrzeug, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert, in einem Hebeldiagrammformat als zweifacher 4-Knoten Hebel veranschaulicht. Eine besondere Ausführungsform des Neunganggetriebes ist in 1B in einem Hebeldiagramm als vier einzelne Hebel, jeweils mit drei Knoten, veranschaulicht.
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Ein Hebeldiagramm ist eine schematische Darstellung der Bauteile einer mechanischen Einrichtung, wie eines Automatikgetriebes. Jeder einzelne Hebel stellt eine Planetenradanordnung dar, wobei die drei grundlegenden mechanischen Bauteile der Planetenradanordnungen jeweils durch einen Knoten dargestellt sind. Daher enthält in 1B ein einziger Hebel drei Knoten: einen für das Sonnenrad, einen für den Planetenradträger und einen für das Hohlrad. In manchen Fällen können zwei Hebel zu einem einzigen Hebel, der mehr als drei Knoten (typischerweise vier Knoten) aufweist, kombiniert sein. Wenn zum Beispiel zwei Knoten an zwei unterschiedlichen Hebeln durch eine feste Verbindung verbunden sind, können sie als ein einziger Knoten an einem einzigen Hebel dargestellt werden, wie es in 1A veranschaulicht ist. In jeder Darstellung kann die relative Länge zwischen den Knoten jedes Hebels dazu verwendet werden, jeweils das Hohlrad/Sonnenrad-Verhältnis der jeweiligen Zahnradanordnung darzustellen. Diese Hebelverhältnisse werden wiederum dazu verwendet, die Übersetzungsverhältnisse des Getriebes zu variieren, um geeignete Verhältnisse und eine geeignete Verhältnisprogression zu erreichen. Mechanische Kopplungseinrichtungen oder Verbindungen zwischen den Knoten der verschiedenen Planetenradanordnungen 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. Eine weitergehende Erläuterung des Formats, Zwecks und der Verwendung von Hebeldiagrammen ist in der SAE-Druckschrift 810102 ”The Lever Analogy: A New Tool in Transmission Analysis” von Benford und Leising zu finden, deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
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Das Getriebe 10 umfasst eine Eingangswelle oder ein Eingangselement 12, eine erste Planetenradanordnung 14 mit drei Knoten: einem ersten Knoten 14A, einem zweiten Knoten 14B und einem dritten Knoten 14C, eine zweite Planetenradanordnung 16 mit drei Knoten: einem ersten Knoten 16A, einem zweiten Knoten 16B und einem dritten Knoten 16C, eine dritte Planetenradanordnung 18 mit drei Knoten: einem ersten Knoten 18A, einem zweiten Knoten 18B und einem dritten Knoten 18C, eine vierte Planetenradanordnung 20 mit drei Knoten: einem ersten Knoten 20A, einem zweiten Knoten 20B und einem dritten Knoten 20C und eine Ausgangswelle oder ein Ausgangselement 22.
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Das Eingangselement 12 ist mit dem ersten Knoten 16A der zweiten Planetenradanordnung 16 gekoppelt. Das Ausgangselement 22 ist mit dem zweiten Knoten 18B der dritten Planetenradanordnung 18 und dem zweiten Knoten 20B der vierten Planetenradanordnung 20 gekoppelt. Der zweite Knoten 14B der ersten Planetenradanordnung 14 ist mit dem zweiten Knoten 16B der zweiten Planetenradanordnung 16 gekoppelt. Der dritte Knoten 14C der ersten Planetenradanordnung 14 ist mit dem dritten Knoten 16C der zweiten Planetenradanordnung 16 und dem ersten Knoten 18A der dritten Planetenradanordnung 18 gekoppelt. Der zweite Knoten 18B der dritten Planetenradanordnung 18 ist mit dem zweiten Knoten 20B der vierten Planetenradanordnung 20 gekoppelt. Der dritte Knoten 18C der dritten Planetenradanordnung 18 ist mit dem dritten Knoten 20C der vierten Planetenradanordnung 20 gekoppelt.
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Eine erste Kupplung 26 verbindet den ersten Knoten 16A der zweiten Planetenradanordnung 16 und das Eingangselement 12 selektiv mit dem dritten Knoten 18C der dritten Planetenradanordnung 18 und dem dritten Knoten 20C der vierten Planetenradanordnung 20. Eine zweite Kupplung 28 verbindet den ersten Knoten 16A der zweiten Planetenradanordnung 16 und das Eingangselement 12 selektiv mit dem ersten Knoten 20A der vierten Planetenradanordnung 20. Eine erste Bremse 30 verbindet den ersten Knoten 14A der ersten Planetenradanordnung 14 selektiv mit einem feststehenden Element oder einem Getriebegehäuse 40. Eine zweite Bremse 32 verbindet den zweiten Knoten 14B der erste Planetenradanordnung 14 und den zweiten Knoten 16B der zweiten Planetenradanordnung 16 selektiv mit einem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40. Eine dritte Bremse 34 verbindet den dritten Knoten 14C der ersten Planetenradanordnung, den dritten Knoten 16C der zweiten Planetenradanordnung 16 und den ersten Knoten 18A der dritte Planetenradanordnung 18 selektiv mit dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40. Eine vierte Bremse 36 verbindet den dritten Knoten 18C der dritten Planetenradanordnung 18 und den dritten Knoten 20C der vierten Planetenradanordnung 20 selektiv mit dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40.
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Nun unter Bezugnahme auf 2 stellt ein Prinzipdiagramm eine schematische Auslegung des Neunganggetriebes 10 mit einem integrierten Elektromotor 60 dar. Im Allgemeinen liefert eine Maschine 62, wie etwa, zum Beispiel, eine Brennkraftmaschine oder eine elektrische Maschine oder irgendein anderer Typ von Antriebsaggregat ein Antriebsdrehmoment durch eine Welle oder ein Verbindungselement 71 an ein Schwungrad, einen Isolator oder eine andere Verbindungseinrichtung 70. Das Schwungrad 70 umfasst einen Dämpfer 72 und ist mit dem Elektromotor 60 durch eine Welle oder ein Verbindungselement 73 gekoppelt, das eine Verlängerung des Eingangselements 12 oder ein separates Element, das mit dem Eingangselement 12 verbunden ist, sein kann. Der Dämpfer 72 ist ausgestaltet, um einen Teil von Drehmomentschwingungen zu absorbieren, die durch die Maschine 62 erzeugt und durch die Welle oder das Verbindungselement 71 auf das Schwungrad 70 übertragen werden.
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Der Elektromotor 60 umfasst im Allgemeinen einen Stator und einen Rotor. Der Stator umfasst mehrere Wicklungen oder Phasen und ist an einer Masse, einem feststehenden Element oder dem Getriebegehäuse 40 befestigt. Der Rotor umfasst mehrere Magnete und/oder ferromagnetische Elemente und ist radial innen von dem Stator angeordnet. Der Rotor des Elektromotors 60 ist mit dem Neunganggetriebe 10 durch das Eingangselement 12 verbunden.
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Die Kupplungen, Bremsen und Kopplungseinrichtungen, die in den 1A und 1B gezeigt sind, sind in 2 entsprechend dargestellt, wohingegen die Knoten der Planetenradanordnungen nun als Bauteile von Planetenradanordnungen, wie etwa Sonnenräder, Hohlräder, Planetenräder und Planetenradträger, erscheinen.
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Zum Beispiel umfasst die erste Planetenradanordnung 14 ein Sonnenradelement 14A, ein Planetenradträgerelement 14C und ein Hohlradelement 14B. Das Sonnenradelement 14A ist zur gemeinsamen Rotation mit einer ersten Welle oder einem ersten Verbindungselement 42 verbunden. Das Hohlradelement 14B ist zur gemeinsamen Rotation mit einer zweiten Welle oder einem zweiten Verbindungselement 44 verbunden. Das Planetenradträgerelement 14C lagert drehbar einen Satz Planetenräder 14D und ist zur gemeinsamen Rotation mit einer dritten Welle oder einem dritten Verbindungselement 46 und einer vierten Welle oder einem vierten Verbindungselement 48 verbunden. Die Planetenräder 14D sind jeweils konfiguriert, um mit sowohl dem Sonnenradelement 14A als auch dem Hohlradelement 14B zu kämmen.
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Die zweite Planetenradanordnung 16 umfasst ein Sonnenradelement 16A, ein Planetenradträgerelement 16C, das einen Satz Planetenräder 16D und 16E drehbar lagert, und ein Hohlradelement 16B. Das Sonnenradelement 16A ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Eingangselement 12 verbunden. Das Hohlradelement 16B ist zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten Welle oder dem zweiten Verbindungselement 44 verbunden. Das Planetenradträgerelement 16C ist zur gemeinsamen Rotation mit der vierten Welle oder dem vierten Verbindungselement 48 und einer fünften Welle oder einem fünften Verbindungselement 50 verbunden. Die Planetenräder 16D sind jeweils konfiguriert, um mit sowohl dem Hohlradelement 16B als auch den Planetenrädern 16E zu kämmen. Die Planetenräder 16E sind jeweils konfiguriert, um mit sowohl den Planetenrädern 16D als auch dem Sonnenradelement 16A zu kämmen.
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Die dritte Planetenradanordnung 18 umfasst ein Sonnenradelement 18A, ein Hohlradelement 18B und ein Planetenradträgerelement 18C, das einen Satz Planetenräder 18D drehbar lagert. Das Sonnenradelement 18A ist zur gemeinsamen Rotation mit dem fünften Verbindungselement 50 verbunden. Das Hohlradelement 18B ist zur gemeinsamen Rotation mit einer sechsten Welle oder einem sechsten Verbindungselement 52 verbunden. Das Planetenradträgerelement 18C ist zur gemeinsamen Rotation mit einer siebten Welle oder einem siebten Verbindungselement 54 und mit einer achten Welle oder einem achten Verbindungselement 56 verbunden. Die Planetenräder 18D sind jeweils konfiguriert, um mit sowohl dem Sonnenradelement 18A als auch dem Hohlradelement 18B zu kämmen.
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Die vierte Planetenradanordnung 20 umfasst ein Sonnenradelement 20A, ein Hohlradelement 20C und ein Planetenradträgerelement 20B, das einen Satz Planetenräder 20D drehbar lagert. Das Sonnenradelement 20A ist zur gemeinsamen Rotation mit einer neunten Welle oder einem neunten Verbindungselement 58 verbunden. Das Hohlradelement 20C ist zur gemeinsamen Rotation mit dem siebten Verbindungselement 54 verbunden. Das Planetenradträgerelement 20B ist zur gemeinsamen Rotation mit dem sechsten Verbindungselement 52 und mit dem Ausgangselement 22 verbunden. Die Planetenräder 20D sind jeweils konfiguriert, um mit sowohl dem Sonnenradelement 20A als auch dem Hohlradelement 20C zu kämmen. Das Ausgangselement 22 ist bevorzugt ständig mit der Achsantriebseinheit oder dem Verteilergetriebe verbunden.
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Die Drehmomentübertragungsmechanismen oder Kupplungen 26, 28 und Bremsen 30, 32, 34, 36 sorgen für eine selektive Verbindung der Wellen oder Verbindungselemente, der Elemente der Planetenradanordnungen und des Gehäuses. Zum Beispiel ist die erste Kupplung 26 selektiv einrückbar, um das achte Verbindungselement 56 mit dem Eingangselement 12 zu verbinden. Die zweite Kupplung 28 ist selektiv einrückbar, um das neunte Verbindungselement 58 mit dem Eingangselement 12 zu verbinden. Die erste Bremse 30 ist selektiv einrückbar, um das erste Verbindungselement 42 mit dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40 zu verbinden und somit eine Rotation des Sonnenradelements 14A der ersten Planetenradanordnung 14 relativ zu dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40 einzuschränken. Die zweite Bremse 32 ist selektiv einrückbar, um das zweite Verbindungselement 44 mit dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40 zu verbinden und somit eine Rotation des Hohlradelements 14B der ersten Planetenradanordnung 14 und des Hohlradelements 16B der zweiten Planetenradanordnung 16 relativ zu dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40 einzuschränken. Die dritte Bremse 34 ist selektiv einrückbar, um das dritte Verbindungselement 46 mit dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40 zu verbinden und somit eine Rotation des Planetenradträgerelements 14C der ersten Planetenradanordnung 14, des Planetenradträgerelements 16C der zweiten Planetenradanordnung 16 und des Sonnenradelements 18A der dritten Planetenradanordnung 18 relativ zu dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40 einzuschränken. Die vierte Bremse 36 ist selektiv einrückbar, um das siebte Verbindungselement 54 mit dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40 zu verbinden und somit eine Rotation des Planetenradträgerelements 18C der dritten Planetenradanordnung 18 und des Hohlradelements 20C der vierten Planetenradanordnung 20 relativ zu dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40 einzuschränken.
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Nun wird unter Bezugnahme auf die 2 und 3 die Arbeitsweise der Ausführungsform des Neunganggetriebes 10 beschrieben. Es ist festzustellen, dass das Getriebe 10 in der Lage ist, Drehmoment von der Eingangswelle oder dem Eingangselement 12 auf die Ausgangswelle oder das Ausgangselement 22 in zumindest neun Vorwärtsdrehzahl- oder -drehmomentverhältnissen und zumindest einem Rückwärtsdrehzahl- oder -drehmomentverhältnis zu übertragen. Jedes Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahl- oder -drehmomentverhältnis wird durch Einrückung von einem oder mehreren der Drehmomentübertragungsmechanismen (d. h. erste Kupplung 26, zweite Kupplung 28, erste Bremse 30, zweite Bremse 32, dritte Bremse 34 und vierte Bremse 36) erzielt, wie es nachstehend erläutert wird. 3 ist eine Wahrheitstabelle, die die verschiedenen Kombinationen von Drehmomentübertragungsmechanismen darstellt, die aktiviert oder eingerückt werden, um die verschiedenen Gangzustände zu erreichen. Tatsächliche numerische Übersetzungsverhältnisse der verschiedenen Gangzustände sind ebenfalls dargestellt, obwohl festzustellen ist, dass diese Zahlenwerte nur beispielhaft sind und dass sie über beträchtliche Bereiche eingestellt werden können, um sich verschiedenen Anwendungen und Betriebskriterien des Getriebes 10 anzupassen. Ein Beispiel der Übersetzungsverhältnisse, die unter Verwendung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erhalten werden können, ist in 3 ebenfalls gezeigt. Natürlich sind andere Übersetzungsverhältnisse abhängig von dem gewählten Zahnraddurchmesser, der gewählten Zahnradzähnezahl und der gewählten Zahnradkonfiguration erreichbar.
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Um den Rückwärtsgang herzustellen, werden die erste Bremse 30 und die vierte Bremse 36 eingerückt oder aktiviert. Die erste Bremse 30 verbindet das erste Verbindungselement 42 mit dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40, um eine Rotation des Sonnenradelements 14A der ersten Planetenradanordnung 14 relativ zu dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40 einzuschränken. Die vierte Bremse 36 verbindet das siebte Verbindungselement 54 mit dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40, um eine Rotation des Planetenradträgerelements 18C der dritten Planetenradanordnung 18 und des Hohlradelements 20C der vierten Planetenradanordnung 20 relativ zu dem feststehenden Element oder Getriebegehäuse 40 einzuschränken. Gleichermaßen werden die neun Vorwärtsgänge durch unterschiedliche Kombinationen einer Kupplungs- und Bremseneinrückung erreicht, wie es in 3 gezeigt ist.
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Während bestimmter Betriebsbedingungen ist es erwünscht, die Ausgangswelle 22 während eines Fahrbetriebsmodus, wie etwa eines Haltens des Kraftfahrzeugs an einem Berg, feststehend zu halten. Um den Elektromotor 60 und die Maschine 62 nicht in Eingriff zu bringen, muss eine Kombination aus den Kupplungen 26, 28 und Bremsen 30, 32, 34 und 36 eingerückt werden, um die Getriebeausgangswelle feststehend zu halten. Unter Bezugnahme auf die 1A und 1B gibt es zum Sperren der Ausgangswelle 22 für jedes Getriebe entsprechend dem Hebeldiagramm drei alternative Einrückungs-/Ausrückungsstrategien: (1) Knoten 18C/20C und 18A werden festgelegt (oder mit einem feststehenden Gehäuse verbunden); (2) die Eingangswelle 12 wird getrennt und die Knoten 14B/16B, 18C/20C und 18A werden festgelegt (oder mit einem feststehenden Gehäuse verbunden); oder (3) die Eingangswelle 12 wird getrennt und die Knoten 14A, 14B/16B und 18C/20C werden festgelegt (oder mit einem feststehenden Gehäuse verbunden). Unter Bezugnahme auf 2 gibt es zum Sperren der Ausgangswelle 22 drei alternative Einrückungs-/Ausrückungsstrategien: (1) Anwenden oder Einrücken der Bremsen 34 und 36; (2) Anwenden oder Einrücken der Kupplung 26 und der Bremsen 32 und 34 in Kombination mit einer Maschinentrennkupplung 74, die nachstehend beschrieben wird; oder (3) Anwenden oder Einrücken der Kupplung 26 und der Bremsen 30 und 34 in Kombination mit der Maschinentrennkupplung 74.
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In verschiedenen Implementierungen des Getriebes 10 kann der Elektromotor 60 angewandt werden, um ein regeneratives Bremsen zur Verfügung zu stellen. In manchen Implementierungen kann der Elektromotor 60 angewandt werden, um das Fahrzeug mit jedem der neun Vorwärtsübersetzungsverhältnisse oder -gänge und dem Rückwärtsübersetzungsverhältnis oder -gang anzufahren und anzutreiben. Durch Einarbeiten der Maschinentrennkupplung 74 zwischen die Welle oder das Verbindungselement 71 und dem Dämpfer 72 kann der Elektromotor 60 verwendet werden, um die Maschine 62 zu starten, wobei die Notwendigkeit für einen Startermotor potenziell beseitigt wird.
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Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und Abwandlungen, die nicht vom Kern der Erfindung abweichen, sollen im Umfang der Erfindung liegen. Derartige Abwandlungen sind nicht als eine Abweichung vom Gedanken und Umfang der Erfindung anzusehen.
