DE102012205997B4

DE102012205997B4 - Single-Mode-Hybridgetriebe und Antriebsstrang mit kombinierter Leistungsverzweigung

Info

Publication number: DE102012205997B4
Application number: DE102012205997.0A
Authority: DE
Inventors: Darrell Lee Robinette; Clyde A. Bulloch
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: DE102012205997A1; US20120264555A1; CN102734400A; US8317648B2; CN102734400B

Abstract

Getriebe (14), umfassend:
ein Eingangselement (15);
ein Ausgangselement (17);
ein feststehendes Element (70);
einen Planetenradsatz (30), der ein erstes Sonnenradelement (32), ein zweites Sonnenradelement (33), ein Trägerelement (36), einen ersten Satz Planetenräder (37), einen zweiten Satz Planetenräder (38) und ein Hohlradelement (34) aufweist; wobei das Trägerelement (36) den ersten Satz Planetenräder (37) und den zweiten Satz Planetenräder (38) zur Rotation relativ zu dem Trägerelement (36) und relativ zueinander lagert; wobei der erste Satz Planetenräder (37) mit dem ersten Sonnenradelement (32) und mit dem Hohlradelement (34) kämmt; wobei der zweite Satz Planetenräder (38) mit dem zweiten Sonnenradelement (33) und mit dem ersten Satz Planetenräder (37) kämmt;
wobei das Eingangselement (15) zur Rotation mit dem Hohlradelement (34) verbunden ist;
wobei das Ausgangselement (17) zur Rotation mit dem ersten Sonnenradelement (32) verbunden ist;
einen ersten Elektromotor/Generator (60), der einen ersten Rotor (62) aufweist, der zur Rotation mit dem Trägerelement (36) verbunden ist;
einen zweiten Elektromotor/Generator (66), der einen zweiten Rotor (67) aufweist, der zur Rotation mit dem zweiten Sonnenradelement (33) verbunden ist; und
einen ersten Drehmomentübertragungsmechanismus (50), der selektiv einrückbar ist, um das Eingangselement (15) an dem feststehenden Element (70) festzulegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Hybridgetriebe und einen Antriebsstrang mit einem solchen Getriebe.
Hybridantriebsstränge für Fahrzeuge benutzen unter unterschiedlichen Fahrzeugbetriebsbedingungen unterschiedliche Leistungsquellen. Ein elektromechanischer Hybridantriebsstrang weist in der Regel eine Brennkraftmaschine, wie etwa eine Diesel- oder Benzinmaschine, und einen oder mehrere Motoren/Generatoren auf. Unterschiedliche Betriebsmodi, wie etwa ein reiner Maschinenbetriebsmodus, ein rein elektrischer Betriebsmodus und ein elektrisch verstellbarer Betriebsmodus, werden hergestellt, indem Bremsen und/oder Kupplungen in unterschiedlichen Kombinationen eingerückt und die Maschine und die Motoren/Generatoren gesteuert werden. Die verschiedenen Betriebsmodi sind vorteilhaft, da sie dazu verwendet werden können, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern.
Die DE 10 2007 006 651 A1 offenbart ein Hybridgetriebe, das eine Maschine, zwei Motoren/Generatoren, einen erweiterten Ravigneaux-Planetenradsatz, drei Drehmomentübertragungseinrichtungen und einen mit einer Antriebsachse verbundenen Stirnrädersatz mit zwei wählbaren Eingängen umfasst.
Aus der DE 603 17 250 T2 ist ein Hybridgetriebe bekannt, das eine Differentialeinheit mit zwei Freiheitsgraden besitzt, die durch einen Einzelritzel-Planetenradsatz und einen Doppelritzel-Planetenradsatz gebildet ist, wobei eine Maschine mit einem Hohlrad des Doppelritzel-Planetenradsatzes gekuppelt ist, ein erster Motor/Generator mit einem Sonnenrad des Doppelritzel-Planetenradsatzes gekuppelt ist und ein zweiter Motor/Generator mit einem Sonnenrad des Einzelritzel-Planetenradsatzes gekuppelt ist. Ein Ausgangsende des Hybridgetriebes ist mit einem Hohlrad des Einzelritzel-Planetenradsatz gekuppelt. Es ist eine Bremse vorgesehen, die in der Lage ist, einen gemeinsamen Träger zu bremsen.
Die JP 2010- 274 805 A lehrt ein Hybridgetriebe, das eine erste Bremse, eine zweite Bremse, eine Maschine, einen Motor/Generator und einen Planetenradsatz mit zwei Sonnenrädern, einem Trägerelement und einem Hohlrad umfasst. Das eine Sonnenrad ist mit der ersten Bremse verbunden, das andere Sonnenrad ist mit dem Motor/Generator verbunden, das Trägerelement ist mit einer Antriebsachse verbunden und das Hohlrad ist mit der Maschine und der zweiten Bremse verbunden.
US 2006 / 0 017 414 A1 offenbart einen Antriebsstrang, umfassend eine Maschine, einen ersten Motor/Generator, einen zweiten Motor/Generator, ein Ausgangselement und ein Hybridgetriebe. Das Hybridgetriebe umfasst ein Ravigneaux-Planetengetriebe und eine Bremse. Das Ravigneaux-Planetengetriebe umfasst ein erstes Sonnenrad, ein erstes Ritzel, ein erstes Hohlrad, ein zweites Sonnenrad, ein zweites Ritzel, ein zweites Hohlrad und einen gemeinsamen Träger, der das erste Ritzel und das zweite Ritzel trägt. Das erste Sonnenrad ist mit erstem Motor/Generator verbunden. Das erste Hohlrad kann an einem Gehäuse des Getriebes durch die Bremse festgelegt werden. Das zweite Sonnenrad ist mit dem zweiten Motor/Generator gekoppelt. Das zweite Hohlrad ist mit dem Motor über eine Motorkupplung gekoppelt. Der gemeinsame Träger ist direkt mit dem Ausgangszahnrad verbunden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Getriebe und einen Antriebstrang mit verbesserter Kraftstoffwirtschaftlichkeit und verbessertem Wirkungsgrad bei erhöhten Fahrzeuggeschwindigkeiten zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Antriebstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es ist ein hybrides elektromechanisches Getriebe vorgesehen, das einen elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung herstellen kann. Wenn es in ein Fahrzeug eingebaut ist, kann das Getriebe zu vergrößerter Kraftstoffwirtschaftlichkeit und vergrößertem Wirkungsgrad gegenüber bekannten Hybrid-Getrieben mit Leistungsverzweigung führen, indem der Betrag an elektrischer Zirkulation vermindert wird, die bei erhöhten Fahrzeuggeschwindigkeiten auftritt. Das Getriebe weist ein Eingangselement, ein Ausgangselement und ein feststehendes Element, wie etwa einen Getriebekasten, auf. So wie es hierin verwendet wird, bedeutet „feststehend“ nicht rotierend. Das Getriebe weist einen Planetenradsatz mit einem ersten Sonnenradelement, einem zweiten Sonnenradelement, einem Trägerelement, einem ersten Satz Planetenräder, einem zweiten Satz Planetenräder und einem Hohlradelement auf. Ein derartiger Planetenradsatz wird von Fachleuten als Ravigneaux-Planetenradsatz bezeichnet. Das Trägerelement lagert den ersten Satz Planeten und den zweiten Satz Planeten zur Rotation relativ zu dem Trägerelement und relativ zueinander. Der erste Satz Planetenräder kämmt mit dem ersten Sonnenradelement und mit dem Hohlradelement. Der zweite Satz Planetenräder kämmt mit dem zweiten Sonnenradelement und mit dem zweiten Satz Planetenräder. Das Eingangselement ist zur Rotation mit dem Hohlradelement verbunden. Das Ausgangselement ist zur Rotation mit dem ersten Sonnenradelement verbunden. Ein erster Elektromotor/Generator weist einen ersten Rotor auf, der zur Rotation mit dem Trägerelement verbunden ist. Ein zweiter Elektromotor/Generator weist einen zweiten Rotor auf, der zur Rotation mit dem zweiten Sonnenradelement verbunden ist. Ein erster Drehmomentübertragungsmechanismus ist selektiv einrückbar, um das Eingangselement an dem feststehenden Element festzulegen.
Wenn eine Maschine mit einem Ausgangselement funktional mit dem Getriebe an dem Eingangselement verbunden ist, liefern die Maschine und das Getriebe nur einen elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit Vorwärtsdrehmoment an dem Ausgangselement zum Vorwärtsvortrieb des Fahrzeugs. So wie es hierin verwendet wird, ist ein „elektrisch verstellbarer Betriebsmodus“ ein hergestellter Modus, in welchem zumindest ein Motor/Generator zusammen mit der Maschine verwendet wird, um ein stufenloses Drehmoment- und Drehzahlverhältnis zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement zu erreichen. Unterschiedliche elektrisch verstellbare Betriebsmodi werden durch unterschiedliche Kombinationen von Drehmomentübertragungsmechanismen hergestellt. Weil das Getriebe nur einen Drehmomentübertragungsmechanismus aufweist, kann nur ein einziger elektrisch verstellbarer Betriebsmodus hergestellt werden und das Getriebe kann als Single-Mode-Getriebe mit kombinierter Leistungsverzweigung bezeichnet werden. Der einzige, elektrisch verstellbare Betriebsmodus ist vorgesehen, wenn die Maschine eingeschaltet ist, der Drehmomentübertragungsmechanismus nicht eingerückt ist und Rückwärtsdrehmoment oder Vorwärtsdrehmoment an dem Ausgangselement bereitgestellt wird, indem die Motoren/Generatoren gesteuert werden, um als Motoren oder Generatoren zu fungieren. Ein rein elektrischer Betriebsmodus ist vorgesehen, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt ist und einer oder beide Motoren/Generatoren gesteuert werden, um als Motor zu fungieren und somit Drehmoment an dem Ausgangselement bereitzustellen.
Mit der Anordnung des Eingangselements, des Ausgangselements, des Planetenradsatzes mit zwei Sonnenradelementen, zwei Sätzen Planetenräder, einem Hohlradelement und mit dem ersten und zweiten Motor/Generator, die wie oben beschrieben verbunden sind, bleiben die Drehzahlen der Rotoren der Motoren/Generatoren bei hohen Drehzahlen des Ausgangselements relativ niedrig, so dass der Motorwirkungsgrad verbessert werden kann und das Getriebe eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und einen verbesserten Wirkungsgrad bei erhöhten Fahrzeuggeschwindigkeiten im Vergleich mit vielen anderen Hybridgetrieben mit Leistungsverzweigung liefern kann, indem die elektrische Zirkulation verringert wird. Weil zusätzlich keine Drehmomentübertragungsmechanismen eingerückt werden, um den elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung herzustellen, können Umlaufverluste im Vergleich mit Getrieben verringert werden, die einen oder mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen erfordern, um einen elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung herzustellen. Mit weniger Drehmomentübertragungsmechanismen und potenziell weniger Planetenradsätzen im Vergleich mit anderen Getrieben, die einen elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung bereitstellen, kann das Getriebe darüber hinaus kostengünstiger sein. Abhängig von der Konstruktion des Drehmomentübertragungsmechanismus, die eine nasse, trockene oder mechanische Konstruktion sein kann, kann der Bedarf für eine Hochdruck-Ölpumpe in dem Getriebe verringert werden. Mit einem trockenen oder mechanischen Drehmomentübertragungsmechanismus kann eine Niederdruck-Ölpumpe verwendet werden, um eine Spritz-Kühlungsströmung für den Planetenradsatz und die Elektromotoren/Generatoren vorzusehen. Darüber hinaus kann das Getriebe verringerte Rasselgeräusche im Vergleich mit anderen Getrieben aufgrund einer Drehmomentbelastung von nicht Null aller mechanischen Grenzflächen rotierender und feststehender Elemente aufweisen, wenn die Maschine betriebsfähig ist.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben:

1 ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs, der eine Maschine und eine erste Ausführungsform eines Hybridgetriebes mit Leistungsverzweigung aufweist;
2 ist eine schematische Darstellung des Getriebes von 1 in Hebeldiagrammform;
3 ist ein Schaubild der Drehzahlen in Umdrehungen pro Minute von verschiedenen Komponenten des Antriebsstrangs von 1 über Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde während eines elektrischen Betriebsmodus;
4 ist ein Schaubild der Drehzahlen in Umdrehungen pro Minute von verschiedenen Komponenten des Antriebsstrangs von 1 über Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde während eines Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung bei der Maschinendrehzahl von 1200 Umdrehungen pro Minute; und
5 ist ein Schaubild der Drehzahlen in Umdrehungen pro Minute von verschiedenen Komponenten des Antriebsstrangs von 1 über Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde während eines Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung bei verschiedenen Betriebsdrehzahlen der Maschine zwischen 4000 und 1800 Umdrehungen pro Minute.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten auf gleiche Komponenten verweisen, zeigt 1 einen Antriebsstrang 10 für ein Fahrzeug, der eine Maschine 12 und ein Hybridgetriebe 14 umfasst. Das Getriebe 14 weist ein Eingangselement 15 auf, mit dem ein Maschinenausgangselement 16 durch einen Dämpfungsmechanismus 20 verbunden ist. So wie es hierin verwendet wird, umfasst eine „Maschine“ jede Leistungsquelle, die verbunden ist, um Drehmoment an dem Eingangselement 15 zur Verfügung zu stellen, das nicht durch elektrische Leistung beaufschlagt wird. Zum Beispiel kann die Maschine 12 eine Brennkraftmaschine, wie etwa eine Benzin- oder Dieselmaschine usw., sein.
Das Getriebe 14 umfasst einen Planetenradsatz 30, der von Fachleuten als Ravigneaux-Planetenradsatz erkannt werden wird. Der Planetenradsatz 30 weist ein erstes Sonnenradelement 32, ein zweites Sonnenradelement 33, ein Hohlradelement 34 und ein Planetenträgerelement 36 auf. Der Planetenradsatz 30 umfasst auch einen ersten Satz Planetenräder 37, die mit dem Sonnenradelement 32 und dem Hohlradelement 34 kämmen, und einen zweiten Satz Planetenräder 38, die mit dem ersten Satz Planetenräder 37 und mit dem Sonnenradelement 33 kämmen. Die Planetenräder 37, 38 können auch als Planeten bezeichnet werden. Die Sätze Planetenräder 37, 38 rotieren gemeinsam mit dem Trägerelement 36, rotieren jedoch auch mit dem Trägerelement 36 mit einem festen Übersetzungsverhältnis mit Bezug aufeinander. Das Sonnenradelement 32 kann als großes Sonnenradelement bezeichnet werden, und das Sonnenradelement 33 kann als das kleine Sonnenradelement bezeichnet werden, da der Durchmesser des Sonnenradelements 32 größer als der Durchmesser des Sonnenradelements 33 ist. Der erste Satz Planetenräder 37 kann als die äußeren Planeten bezeichnet werden und der zweite Satz Planetenräder 38 kann als die inneren Planeten bezeichnet werden, da der erste Satz Planetenräder 37 zur Rotation durch das Trägerelement 36 in einem größeren Abstand von der Drehachse der Sonnenradelemente 32, 33 als die Planetenräder 38 gelagert ist. Es sind nur jene Abschnitte des Planetenradsatzes 30 und der Motoren/Generatoren 60, 66 (nachstehend besprochen) oberhalb einer Drehachse, wie etwa der Achse des Ausgangselements 17, gezeigt.
Das Getriebe 14 umfasst einen Drehmomentübertragungsmechanismus 50, der eine Bremskupplung ist, die selektiv einrückbar ist, um das Eingangselement 15 mit einem feststehenden Element 70, wie etwa ein Gehäuse des Getriebes 14, zu verbinden, so dass das Eingangselement 15 feststehend gehalten wird (d.h. nicht rotiert). Der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 beeinflusst die Rotation des Eingangselements 15 nicht, wenn er nicht eingerückt ist. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 kann ein Drehmomentübertragungsmechanismus von einem nassen, trockenen oder mechanischen Typ sein, der durch einen Aktor (nicht gezeigt) vom hydraulischen, mechanischen oder elektromechanischen Typ angelegt wird.
Das Getriebe 14 weist einen ersten Motor/Generator 60 mit einem ersten Rotor 62 auf. Das Trägerelement 36 ist zur Rotation mit dem ersten Rotor 62 verbunden. Der erste Motor/Generator 60 weist einen Stator 64 auf, der an dem feststehenden Element 70 festgelegt ist. Alternativ kann ein feststehendes Element getrennt von dem feststehenden Element 70 verwendet werden. Das Getriebe 14 weist auch einen zweiten Motor/Generator 66 mit einem zweiten Rotor 67 auf, der eine zweite Rotornabe 69 aufweist, die zur Rotation mit dem Sonnenradelement 33 verbunden ist. Der Motor/Generator 66 weist einen Stator 68 auf, der an dem feststehenden Element 70 oder einem separaten feststehenden Element festgelegt ist.
Eine Energiespeichereinrichtung, wie etwa eine Batterie 80, ist durch Übertragungsleiter funktional mit den Statoren 64, 68 verbunden. Ein Controller 82 steuert eine elektrische Übertragung zwischen der Batterie 80 und den Statoren 64, 68 durch einen Leistungs-Stromrichter 84, der Gleichstrom, der durch die Batterie 80 geliefert wird, in Wechselstrom umwandelt, der für den Betrieb der Motoren/Generatoren 60, 66 erforderlich ist (und umgekehrt, wenn die Motoren/Generatoren 60, 66 als Generatoren betrieben werden).
Unter Bezugnahme auf 2 ist das Getriebe 14 in Hebeldiagrammform mit dem Planetenradsatz 30 als Vierknotenhebel gezeigt. Das Hohlradelement 34 ist ein erster Knoten, das Sonnenradelement 32 ist ein zweiter Knoten, das Sonnenradelement 33 ist ein dritter Knoten und das Trägerelement 36 ist ein vierter Knoten. Die Hebeldiagrammdarstellung des Getriebes 14 veranschaulicht, dass, da der Planetenradsatz 30 ein Ravigneaux-Zahnradsatz ist, die vier Komponenten, die als die vier Knoten veranschaulicht sind, mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren können, was unterschiedliche Drehmomente an dem Hebel bewirkt. In Hebeldiagrammen ist das auf jeden Knoten aufgebrachte Drehmoment als Pfeil dargestellt, der eine Größe aufweist, die dem Betrag des Drehmoments entspricht und auf den Hebel an diesen Knoten in einer Richtung drückt, die der Richtung des Drehmoments entspricht. Der Hebel muss im Gleichgewicht stehen. Dementsprechend sind die Verbindungen des Getriebes 14 von Ingenieuren konstruiert, um gewünschte Maschinen- und Motordrehzahlen zu Wirkungsgradzwecken zu erreichen, während Drehmomentgleichgewichtsanforderungen erfüllt werden.
Der Antriebsstrang 10 ist in einem rein elektrischen Betriebsmodus betreibbar, der Vorwärtsvortrieb bereitstellt, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 eingerückt ist und die Maschine 12 ausgeschaltet ist. In diesem Modus arbeitet der Motor/Generator 60 als Motor, um Drehmoment an das Trägerelement 36 zu liefern oder von diesem aufzunehmen, während der Motor/Generator 66 als Motor oder Generator arbeitet, um Drehmoment an das Sonnenradelement 33 zu liefern oder von diesem aufzunehmen, wodurch der Planetenradsatz 30 in dem Hebel von 2 bei feststehendem Hohlradelement 34 ausgeglichen ist und das Ausgangselement 17 in einer Richtung rotiert, die Vorwärtsvortrieb an einem Fahrzeug zur Verfügung stellt. Die Motoren/Generatoren 60, 66 haben die gleiche Leistung mit unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomenten.
Der Antriebsstrang 10 stellt einen rein elektrischen Betriebsmodus bereit, der einen Rückwärtsvortrieb vorsieht, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 eingerückt ist, die Maschine 12 ausgeschaltet ist und die Drehzahlen und Drehrichtungen der Rotoren 62, 67 gesteuert werden, um zu bewirken, dass das Ausgangselement 17 in einer Rückwärtsdrehrichtung rotiert (d.h. eine Drehrichtung, die bewirken wird, dass sich die Räder eines Fahrzeugs in einer Rückwärtsrichtung drehen).
Ein hybrider elektrisch verstellbarer Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung mit einem Rückwärtsdrehmoment an dem Ausgangselement 17 für einen Rückwärtsvortrieb des Fahrzeugs kann hergestellt werden, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 nicht eingerückt ist, die Maschine 12 eingeschaltet ist, um Drehmoment an dem Eingangselement 15 bereitzustellen, der Motor/Generator 60 gesteuert wird, um das Trägerelement 36 feststehend zu halten, und der Motor/Generator 66 als Motor in einer Drehrichtung betrieben wird, die bewirkt, dass das Ausgangselement 17 in einer Rückwärtsdrehrichtung rotiert.
Der Antriebsstrang 10 ist auch in dem hybriden elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung betreibbar, um an dem Ausgangselement 17 Vorwärtsdrehmoment für einen Vorwärtsvortrieb des Fahrzeugs bereitzustellen, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 nicht eingerückt ist, die Maschine 12 eingeschaltet ist, um Drehmoment an dem Eingangselement 15 bereitzustellen, und die Motoren/Generatoren 60, 66 wie notwendig als Motoren oder Generatoren betrieben werden, um Drehmomente an dem Planetenradsatz 30 auszugleichen, wie es mit Bezug auf 2 beschrieben wurde.
Der einzige elektrisch verstellbare Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung, der ein Typ des Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung ist. Bei einem Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung sind beide Motoren/Generatoren 60, 66 derart übersetzt, dass ihre Drehzahlen Linearkombinationen der Drehzahlen des Eingangselements 15 und des Ausgangselements 17 sind, aber keine direkt proportional zu entweder der Drehzahl des Eingangselements 15 oder der Drehzahl des Ausgangselements 17 ist. Die Anordnung der Elemente des Ravigneaux-Zahnradsatzes 30 stellt diese Kombination von Drehzahlen her.
3-5 zeigen theoretische Drehzahlen in Umdrehungen pro Minute (U/min) der Maschine 12 und der Rotoren 62, 67 der Motoren/Generatoren 60, 66 über Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde (mph), wenn der Antriebsstrang 10 in ein Fahrzeug eingebaut ist, bei dem das Ausgangselement 17 die Räder antreibt. Zum Beispiel in 3 während eines rein elektrischen (Vorwärtsvortrieb-) Betriebsmodus. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 eingerückt ist, die Maschine 12 ausgeschaltet ist und das Maschinenausgangselement 16 und das Getriebeeingangselement 15 feststehend gehalten werden. Die Drehzahl der Maschine 12 ist als Linie 100 dargestellt. Der erste Motor/Generator 60 wird gesteuert, um als Motor zu fungieren, so dass die Drehzahl des Rotors 62 und des Trägerelements 36 mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit (d.h. mit zunehmender Drehzahl des Ausgangselements 17) zunimmt. Die Drehzahl des Rotors 62 ist als Linie 104 dargestellt. Der zweite Motor/Generator 66 wird gesteuert, um als Motor mit einer Drehrichtung des Rotors 67 und des Sonnenradelements 33 entgegengesetzt zu der des Rotors 62 und des Trägerelements 36 zu fungieren. Die Drehzahl des Rotors 67 ist als Linie 106 dargestellt und deren Betrag nimmt auch mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit (d.h. mit zunehmender Drehzahl des Ausgangselements 17) zu.
4 zeigt die Drehzahl des Maschinenausgangselements 16 in Umdrehungen pro Minute über Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde als Linie 200, die Drehzahl des Rotors 62 in Umdrehungen pro Minute über Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde als Linie 204 und die Drehzahl des Rotors 67 in Umdrehungen pro Minute über Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde als Linie 206. 4 stellt den hybriden Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung dar, in welchem der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 nicht eingerückt ist und in welchem die Maschine 12 gesteuert wird, um über den gezeigten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich mit annähernd 1200 U/min zu arbeiten. Die Maschinendrehzahl von 1200 U/min kann eine vorbestimmte optimale Betriebsdrehzahl für einen Kraftstoffwirkungsgrad für die Maschine 12 sein.
5 zeigt die Drehzahl des Maschinenausgangselements 16 in Umdrehungen pro Minute über Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde als Linie 300, die Drehzahl des Rotors 62 in Umdrehungen pro Minute über Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde als Linie 304 und die Drehzahl des Rotors 67 in Umdrehungen pro Minute über Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde als Linie 306. 5 stellt den hybriden Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung dar, in welchem der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 nicht eingerückt ist und in welchem die Maschine 12 gesteuert wird, um mit annähernd 4000 U/min bei Fahrzeuggeschwindigkeiten von 0 bis 30 mph, mit 1800 U/min bei Fahrzeuggeschwindigkeiten von 55 mph und darüber zu arbeiten, und bei einem glatten Schalten zwischen 400 U/min und 1800 U/min bei Fahrzeuggeschwindigkeiten zwischen 30 mph und 55 mph.
In 5 stellt die Drehzahl der Maschine 12 bei niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten die Drehzahl dar, die notwendig ist, um ausreichend Drehmoment zum Anfahren des Fahrzeugs zu liefern. Die Drehzahl der Maschine 12 bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten (z.B. 55 mph und darüber) stellt eine effiziente Fahrgeschwindigkeit, etwa zur Autobahnfahrt, mit niedrigerem Drehmoment dar. Die Drehzahlen beider Rotoren 62, 67 variieren notwendigerweise, wenn die Drehzahl der Maschine 12 variiert, um das Drehmoment durch den Planetenradsatz 30 auszugleichen. Wie es in 5 angegeben ist, haben beide Rotoren 62, 67 relativ niedrige Drehzahlen bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten, wie etwa 55 mph und größer. Die niedrigeren Rotordrehzahlen entsprechen relativ niedriger elektrischer Zirkulation bei diesen Drehzahlen. Zum Beispiel kann die elektrische Zirkulation in dem Getriebe 14 unter den Betriebsbedingungen, die bei der Fahrzeuggeschwindigkeit von 55 mph in 5 angegeben sind, etwa 37 Prozent der mechanischen Leistung betragen (d.h. der Betrag an Leistung, die an dem Eingangselement 15 zugeführt wird), während die elektrische Zirkulation bei typischen Hybridgetrieben mit Leistungsverzweigung so hoch wie 65 Prozent der mechanischen Leistung bei Maschinendrehzahlen zwischen 1200 und 1800 U/min sein kann.
Dementsprechend stellt das Getriebe 14 einen elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung bereit, der die Kraftstoffwirtschaftlichkeit vergrößern, die elektrische Zirkulation in dem Getriebe verringern und Umlaufverluste minimieren kann. Das Getriebe 14 weist eine relativ niedrige Zahl von Komponenten im Vergleich mit anderen Getrieben auf, die mehrere Planetenradsätze und Drehmomentübertragungsmechanismen verwenden, um den elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung herzustellen.

Claims

Getriebe (14), umfassend: ein Eingangselement (15); ein Ausgangselement (17); ein feststehendes Element (70); einen Planetenradsatz (30), der ein erstes Sonnenradelement (32), ein zweites Sonnenradelement (33), ein Trägerelement (36), einen ersten Satz Planetenräder (37), einen zweiten Satz Planetenräder (38) und ein Hohlradelement (34) aufweist; wobei das Trägerelement (36) den ersten Satz Planetenräder (37) und den zweiten Satz Planetenräder (38) zur Rotation relativ zu dem Trägerelement (36) und relativ zueinander lagert; wobei der erste Satz Planetenräder (37) mit dem ersten Sonnenradelement (32) und mit dem Hohlradelement (34) kämmt; wobei der zweite Satz Planetenräder (38) mit dem zweiten Sonnenradelement (33) und mit dem ersten Satz Planetenräder (37) kämmt; wobei das Eingangselement (15) zur Rotation mit dem Hohlradelement (34) verbunden ist; wobei das Ausgangselement (17) zur Rotation mit dem ersten Sonnenradelement (32) verbunden ist; einen ersten Elektromotor/Generator (60), der einen ersten Rotor (62) aufweist, der zur Rotation mit dem Trägerelement (36) verbunden ist; einen zweiten Elektromotor/Generator (66), der einen zweiten Rotor (67) aufweist, der zur Rotation mit dem zweiten Sonnenradelement (33) verbunden ist; und einen ersten Drehmomentübertragungsmechanismus (50), der selektiv einrückbar ist, um das Eingangselement (15) an dem feststehenden Element (70) festzulegen.
Getriebe (14) nach Anspruch 1 in Kombination mit einer Maschine (12), die ein rotierbares Maschinenausgangselement (16) aufweist, das mit dem Eingangselement (15) funktional verbunden ist; wobei der Drehmomentübertragungsmechanismus (50) ausgerückt ist, die Maschine (12) eingeschaltet ist und die Motoren/Generatoren (60, 66) jeweils als Motor oder als Generator betrieben werden, so dass an dem Ausgangselement (17) Vorwärtsdrehmoment in einem elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung bereitgestellt wird.
Getriebe (14) nach Anspruch 1 in Kombination mit einer Maschine (12), die ein rotierbares Maschinenausgangselement (16) aufweist, das mit dem Eingangselement (15) funktional verbunden ist; wobei der Drehmomentübertragungsmechanismus (50) eingerückt ist, die Maschine (12) ausgeschaltet ist und die Motoren/Generatoren (60, 66) jeweils als Motor oder als Generator betrieben werden, so dass an dem Ausgangselement (17) Vorwärtsdrehmoment in einem rein elektrischen Betriebsmodus bereitgestellt wird.
Getriebe (14) nach Anspruch 1 in Kombination mit einer Maschine (12), die ein rotierbares Maschinenausgangselement (16) aufweist, das mit dem Eingangselement (15) funktional verbunden ist; wobei der Drehmomentübertragungsmechanismus (50) ausgerückt ist, die Maschine (12) eingeschaltet ist, der erste Motor/Generator (60) wie erforderlich als Motor oder als Generator betrieben wird, um das Trägerelement (36) feststehend zu halten, und der zweite Motor/Generator (66) als Motor oder als Generator betrieben wird, so dass an dem Ausgangselement (17) Rückwärtsdrehmoment in einem elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung bereitgestellt wird.
Getriebe (14) nach Anspruch 1 in Kombination mit einer Maschine, die ein rotierbares Maschinenausgangselement (16) aufweist, das mit dem Eingangselement (15) funktional verbunden ist; wobei der Drehmomentübertragungsmechanismus (50) eingerückt ist, die Maschine (12) ausgeschaltet ist und die Motoren/Generatoren (60, 66) jeweils als Motor oder als Generator betrieben werden, so dass an dem Ausgangselement (17) Rückwärtsdrehmoment in einem rein elektrischen Vortriebsmodus bereitgestellt wird.
Antriebsstrang (10) für ein Fahrzeug, umfassend: eine Maschine (12); ein Getriebe (14) mit einem Eingangselement (15), das funktional mit der Maschine (12) verbunden ist; einem Ausgangselement (17); einem feststehenden Element (70); einem Planetenradsatz (30), der ein erstes Sonnenradelement (32), ein zweites Sonnenradelement (33), ein Trägerelement (36), einen ersten Satz Planetenräder (37), einen zweiten Satz Planetenräder (38) und ein Hohlradelement (34) aufweist; wobei das Trägerelement (36) den ersten Satz Planetenräder (37) und den zweiten Satz Planetenräder (38) zur Rotation relativ zu dem Trägerelement (36) und relativ zueinander lagert; wobei der erste Satz Planetenräder (37) mit dem ersten Sonnenradelement (32) und mit dem Hohlradelement (34) kämmt; wobei der zweite Satz Planetenräder (38) mit dem zweiten Sonnenradelement (33) und mit dem ersten Satz Planetenräder (37) kämmt; wobei das Eingangselement (15) zur Rotation mit dem Hohlradelement (34) verbunden ist; wobei das Ausgangselement (17) zur Rotation mit dem ersten Sonnenradelement (32) verbunden ist; einen ersten Elektromotor/Generator (60), der einen ersten Rotor (62) aufweist, der zur Rotation mit dem Trägerelement (36) verbunden ist; einen zweiten Elektromotor/Generator (66), der einen zweiten Rotor (67) aufweist, der zur Rotation mit dem zweiten Sonnenradelement (33) verbunden ist; nur einen Drehmomentübertragungsmechanismus (50), der funktional mit irgendeinem (34) der Elemente (32, 33, 34, 36) des Planetenradsatzes (30) verbunden ist; wobei der nur eine Drehmomentübertragungsmechanismus (50) selektiv einrückbar ist, um das Hohlradelement (34) an dem feststehenden Element (70) festzulegen; und wobei der Antriebsstrang (10) betreibbar ist, um nur einen elektrisch verstellbaren Betriebsmodus herzustellen.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 6, wobei der nur eine elektrisch verstellbare Betriebsmodus ein elektrisch verstellbarer Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung ist, der hergestellt wird, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus (50) ausgerückt ist, die Maschine (12) eingeschaltet ist und die Motoren/Generatoren (60, 66) jeweils wie erforderlich als Motor oder als Generator betrieben werden, so dass an dem Ausgangselement (17) Vorwärtsdrehmoment bereitgestellt wird.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 7, wobei der Antriebsstrang (10) betreibbar ist, um an dem Ausgangselement (17) Rückwärtsdrehmoment in einem elektrisch verstellbaren Betriebsmodus mit Leistungsverzweigung bereitzustellen, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus (50) ausgerückt ist, die Maschine (12) eingeschaltet ist, Drehmoment an dem ersten Motor/Generator (60) bereitgestellt wird, um das Trägerelement (36) feststehend zu halten, und der zweite Motor/Generator (66) als Motor oder als Generator betrieben wird, so dass an dem Ausgangselement (17) Rückwärtsdrehmoment bereitgestellt wird.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 6, wobei der Antriebsstrang (10) betreibbar ist, um einen rein elektrischen Betriebsmodus mit Vorwärtsdrehmoment an dem Ausgangselement (17) herzustellen, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus (50) eingerückt ist, die Maschine (12) ausgeschaltet ist und die Motoren/Generatoren (60, 66) jeweils wie erforderlich als Motor oder als Generator betrieben werden, so dass an dem Ausgangselement (17) Vorwärtsdrehmoment bereitgestellt wird.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 6, wobei der Antriebsstrang (10) betreibbar ist, um einen rein elektrischen Betriebsmodus mit Rückwärtsdrehmoment an dem Ausgangselement (17) herzustellen, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus (50) eingerückt ist, die Maschine (12) ausgeschaltet ist, und die Motoren/Generatoren (60, 66) jeweils wie erforderlich als Motor oder als Generator betrieben werden, so dass an dem Ausgangselement (17) Rückwärtsdrehmoment bereitgestellt wird.