DE102013200958A1

DE102013200958A1 - Hybridantriebsstrang mit Gegenwellengetriebe und elektrischem Drehmomentwandler und Verfahren zum Steuern desselben

Info

Publication number: DE102013200958A1
Application number: DE102013200958A
Authority: DE
Inventors: Andrew W. Phillips
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2013-08-01
Also published as: CN103223858A; US20130196805A1; CN103223858B; US8579751B2

Abstract

Es ist ein Antriebsstrang vorgesehen, der einen elektrischen Drehmomentwandler aufweist, der einen Elektromotor/Generator und einen Differenzialzahnradsatz umfasst, der ein erstes Element, ein zweites Element und ein drittes Element aufweist. Der Antriebsstrang umfasst ein Gegenwellengetriebe, das ein erstes Eingangselement, das mit dem ersten Element verbunden ist, ein zweites Eingangselement, das mit dem zweiten Element verbunden ist, und eine Mehrzahl von selektiv einrückbaren Drehmomentübertragungsmechanismen aufweist, von denen jeder selektiv einrückbar ist, um einen unterschiedlichen entsprechenden Gang durch das Getriebe herzustellen. Es ist zumindest ein Controller vorgesehen, und der Motor/Generator ist zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Element verbunden und wird durch den zumindest einen Controller gesteuert, um eine Drehzahl des dritten Elements herzustellen, die eine synchrone Einrückung und Ausrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen gestattet, um von einem der jeweiligen Gänge in einen folgenden der jeweiligen Gänge zu schalten. Es ist auch ein Verfahren zum Steuern des Antriebsstrangs vorgesehen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegenden Lehren umfassen im Allgemeinen einen Antriebsstrang mit einem elektrischen Drehmomentwandler und einem Getriebe.
HINTERGRUND
Ein Doppelkupplungsgetriebe weist in der Regel Doppeleingangskupplungen oder Doppelausgangskupplungen auf, die auf eine schlupfende Weise abwechselnd eingerückt und ausgerückt werden, um das von einem Eingangselement auf die unterschiedlichen Gegenwellen des Getriebes übertragene Drehmoment abzuwechseln, wenn das Getriebe durch die verfügbaren Gänge fortschreitet. Solche Anfahrkupplungen haben Eigenwärme und Umlaufverluste.
Ein-Motoren-Hybride erfordern in der Regel Kupplung-zu-Kupplung-Schalten (d. h. ein Schalten, das Energieverluste mit sich bringt) mit zugehörigen Umlaufverlusten und Pumpleistungsanforderungen. Zwei-Motor-Hybridgetriebe können synchrones Schalten zulassen, sind aber in der Regel teuer und schwierig zu packen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist ein Antriebsstrang vorgesehen, der einen elektrischen Drehmomentwandler aufweist, der einen elektrischen Motor/Generator und einen Differenzialzahnradsatz umfasst, der ein erstes Element, ein zweites Element und ein drittes Element aufweist. Der Antriebsstrang umfasst ein Gegenwellengetriebe, das ein erstes Eingangselement, das mit dem ersten Element verbunden ist, ein zweites Eingangselement, das mit dem zweiten Element verbunden ist, und eine Mehrzahl von selektiv einrückbaren Drehmomentübertragungsmechanismen aufweist, von denen jeder selektiv einrückbar ist, um einen unterschiedlichen entsprechenden Gang durch das Getriebe herzustellen. Es ist zumindest ein Controller vorgesehen, und der Motor/Generator ist zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Element verbunden und wird durch den Controller gesteuert, um eine Drehzahl des dritten Elements herzustellen, die eine synchrone Einrückung und Ausrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen gestattet, um von einem der jeweiligen Gänge in einen darauf folgenden der jeweiligen Gänge zu schalten. Es ist auch ein Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs mit einem Gegenwellengetriebe und einem elektrischen Drehmomentwandler vorgesehen, um das synchrone Schalten bereitzustellen.
So wie es hierin verwendet wird, bedeutet ”gemeinsame Rotation” zur Rotation mit der gleichen Drehzahl verbunden. Ein ”synchrones Schalten” ist eine Ausrückung von einem Drehmomentübertragungsmechanismus, der einen Gang herstellt, gleichzeitig mit einer Einrückung von einem anderen Drehmomentübertragungsmechanismus, der einen unterschiedlichen Gang herstellt. Weil der Antriebsstrang ausgelegt ist, um synchrones Schalten zuzulassen, können die Drehmomentübertragungsmechanismen Klauenkupplungen sein, die inhärent niedrige Energieverluste aufweisen.
In einer Ausführungsform wird nur ein Motor/Generator verwendet, und das synchrone Schalten beseitigt Umlaufverluste und Pumpleistungsanforderungen, die in der Regel zu Ein-Motor-Hybriden, die Plattenkupplungen aufweisen, gehören. Mit nur einem Motor/Generator ist nur ein Satz von Leistungselektronik (d. h. ein Controller und ein Stromrichter) notwendig. Zusätzlich kann der Motor/Generator eine Konstruktion mit relativ niedrigem Drehmoment sein. In einer anderen Ausführungsform ist ein zweiter Motor/Generator hinzugefügt, was synchrones Schalten selbst in einem rein elektrischen Betriebsmodus ermöglicht. In der Ausführungsform, die zwei Motoren/Generatoren aufweist, ist der Motor/Generator, der in dem elektrischen Drehmomentwandler enthalten ist, axial zwischen die Kraftmaschine und das Getriebe gepackt, wobei Bauraumanforderungen minimiert werden.
Der Antriebsstrang gestattet somit ein Gegenwellengetriebe, um synchrones Schalten zu erreichen, und ist eine effiziente Alternative für ein Doppelkupplungs-Gegenwellengetriebe mit seinem inhärent mit hohem Verlust behafteten Anfahren. Anstatt von Reibungsverlusten und Wärmeverlusten, die zu einem Doppelkupplungs-Gegenwellengetriebe gehören, kann der Motor/Generator gesteuert werden, um als Generator zu fungieren, wobei mechanische Rotationsenergie in dem Getriebe in Energie, die in der Batterie gespeichert wird, umgewandelt wird, statt die Energie als Reibungs- oder Verlustwärme zu vergeuden.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Arten zu Ausführung der vorliegenden Lehren, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, leicht deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Seitenansicht im Teilschnitt einer ersten Ausführungsform eines Antriebsstrangs, der ein Gegenwellengetriebe und einen elektrischen Drehmomentwandler mit einem Planetenradsatz und einem Motor/Generator aufweist;
2 ist eine schematische Darstellung in Hebeldiagrammform des Antriebsstrangs von 1;
3 ist eine schematische Seitenansicht im Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Antriebsstrangs, der ein Gegenwellengetriebe und einen elektrischen Drehmomentwandler mit einem Planetenradsatz und einem ersten Motor/Generator und auch mit einem zweiten Motor/Generator aufweist; und
4 ist eine schematische Darstellung in Hebeldiagrammform des Antriebsstrangs von 3.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen überall in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten verweisen, zeigt 1 einen Antriebsstrang 10, der eine Kraftmaschine 12, einen elektrischen Drehmomentwandler 14 und ein Gegenwellengetriebe 16 aufweist. Wie hierin besprochen, kann der Antriebsstrang 10 verwendet werden, um eine Vielzahl von Getriebeübersetzungsverhältnissen mit einem Motor/Generator mit nur relativ niedrigem Drehmoment und synchronem Schalten zwischen aufeinander folgenden Gängen herzustellen.
Das Getriebe 16 weist eine erste Eingangswelle 18 und eine zweite Eingangswelle 20 auf. Die zweite Eingangswelle 20 ist als Hohlwelle ausgelegt, so dass sie konzentrisch mit der ersten Eingangswelle 18 ist. Die erste Eingangswelle 18 kann als ein erstes Eingangselement bezeichnet werden, und die zweite Eingangswelle 20 kann als ein zweites Eingangselement bezeichnet werden. Eine erste Gegenwelle 22 und eine zweite Gegenwelle 24 sind im Allgemeinen parallel zueinander und mit den Eingangswellen 18, 20 angeordnet.
Das Getriebe 16 umfasst eine Mehrzahl von kämmenden Zahnrädern. Die Zahnräder 26 und 28 sind zur gemeinsamen Rotation mit der ersten Eingangswelle 18 montiert und werden als ein erster Satz Eingangszahnräder bezeichnet. Die Zahnräder 30, 32 sind zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten Eingangswelle 20 montiert und werden als ein zweiter Satz Eingangszahnräder bezeichnet. Die Zahnräder 34, 36 und 38 sind ein erster Satz Gegenwellen-Zahnräder, die jeweils zur Rotation um die erste Gegenwelle 22 montiert und selektiv zur gemeinsamen Rotation mit der ersten Gegenwelle 22 verbindbar sind, wie es hierin besprochen wird. Die Zahnräder 40, 42 und 44 sind ein zweiter Satz Gegenwellen-Zahnräder, die jeweils zur Rotation um die zweite Gegenwelle 24 montiert und selektiv zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten Gegenwelle 24 verbindbar sind, wie es hierin besprochen wird.
Eine dritte Gegenwelle 46 ist axial mit der zweiten Gegenwelle 24 ausgerichtet. Ein umkehrender Zahnradsatz umfasst ein erstes Rückwärtszahnrad 48, das zur Rotation um die dritte Gegenwelle 46 montiert ist und mit Zahnrad 28 kämmt. Ein zweites Rückwärtszahnrad 50 ist zur gemeinsamen Rotation mit der dritten Gegenwelle 46 montiert. Das zweite Rückwärtszahnrad 50 kämmt mit einem dritten Rückwärtszahnrad 52, das zur gemeinsamen Rotation mit der ersten Gegenwelle 22 montiert ist. Die Gegenwellen 22, 24 und die Eingangswellen 18, 20 sind in einer dreieckigen Auslegung angeordnet, so dass die Zahnräder 50 und 52 miteinander kämmen. In dem zweidimensionalen Schema von 1 ist die kämmende Beziehung der Zahnräder 50, 52 durch die gestrichelte Linie, die die Zahnräder 50, 52 verbindet, dargestellt.
Das Getriebe 16 umfasst eine Mehrzahl von selektiv einrückbaren Drehmomentübertragungsmechanismen, von denen jeder gesteuert werden kann, um eines der Gegenwellen-Zahnräder mit einer der Gegenwellen in Eingriff zu bringen. Genauer ist Drehmomentübertragungsmechanismus 60 einrückbar, um Zahnrad 34 zur gemeinsamen Rotation mit der ersten Gegenwelle 22 zu verbinden. Drehmomentübertragungsmechanismus 62 ist einrückbar, um Zahnrad 36 zur gemeinsamen Rotation mit der ersten Gegenwelle 22 zu verbinden. Drehmomentübertragungsmechanismus 64 ist einrückbar, um Zahnrad 38 zur gemeinsamen Rotation mit der ersten Gegenwelle 22 zu verbinden. Drehmomentübertragungsmechanismus 66 ist einrückbar, um Zahnrad 40 zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten Gegenwelle 24 zu verbinden. Drehmomentübertragungsmechanismus 68 ist einrückbar, um Zahnrad 42 zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten Gegenwelle 24 zu verbinden. Drehmomentübertragungsmechanismus 70 ist einrückbar, um Zahnrad 44 zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten Gegenwelle 24 zu verbinden. Drehmomentübertragungsmechanismus 72 ist einrückbar, um Zahnrad 48 zur gemeinsamen Rotation mit der dritten Gegenwelle 46 zu verbinden.
Das Getriebe 16 weist einen Achsantrieb 71 auf, der ein Differenzial 73 umfasst, wobei ein Ausgangselement 74 mit Antriebsfahrzeugrädern (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Achsantrieb 71 umfasst einen Zahnradstrang, der Zahnrad 76, das zur gemeinsamen Rotation mit der ersten Gegenwelle 22 verbunden ist, Zahnrad 78, das zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten Gegenwelle 24 verbunden ist, und Zahnrad 79 umfasst, das zur gemeinsamen Rotation mit einem Element des Differenzials 73 verbunden ist. Aufgrund der dreieckigen Anordnung der Gegenwellen 22, 24 mit den Eingangswellen 18, 20 kämmen sowohl Zahnrad 76 als auch Zahnrad 78 mit Zahnrad 79. Die kämmende Beziehung von Zahnrad 76 und Zahnrad 79 ist durch die gestrichelte Linie zwischen den Zahnrädern 76, 79 angegeben.
Der elektrische Drehmomentwandler 14 ist in den Antriebsstrang 10 integriert und so ausgelegt, dass er derart steuerbar ist, dass die Drehmomentübertragungsmechanismen synchron zwischen aufeinander folgenden Gängen ohne irgendeinen Schlupf oder Energieverlust geschaltet werden können. D. h. es gibt im Wesentlichen eine Drehzahldifferenz von Null zwischen dem Gegenwellen-Zahnrad und der Gegenwelle, mit der das Gegenwellen-Zahnrad zur gemeinsamen Rotation verbunden ist, wenn der jeweilige Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt ist. Der elektrische Drehmomentwandler 14 umfasst einen Elektromotor/Generator 80, der einen Rotor 82 und einen ringförmigen Stator 84 aufweist, der den Rotor 82 umgibt. Der Stator 84 ist an einem feststehenden Element 86 befestigt, das in diesem Fall das Motorgehäuse ist. Der Motor/-Generator 80 wird hierin als der erste Motor/Generator bezeichnet.
Der elektrische Drehmomentwandler 14 umfasst auch einen Differenzialzahnradsatz 90, der in dieser Ausführungsform ein zusammengesetzter Planetenradsatz ist. Der Differenzialzahnradsatz 90 umfasst ein Sonnenradelement 92, das mit dem Rotor 82 durch eine Rotornabe 93 verbunden ist, so dass das Sonnenradelement 92 gemeinsam mit dem Rotor 82 rotiert. Das Sonnenradelement 92 ist als eine Hülse ausgelegt, die ein Eingangselement 99 radial umgibt, das zur Rotation mit der Kraftmaschine 12 verbunden ist. Wie es in 1 schematisch veranschaulicht ist, erstreckt sich das Eingangselement 99 durch die zentrale Öffnung in dem Sonnenradelement 92. Der Differenzialzahnradsatz 90 umfasst auch ein ringförmiges Hohlradelement 94, das das Sonnenradelement 92 radial umgibt und zur gemeinsamen Rotation mit der ersten Eingangswelle 18 verbunden ist. Der Differenzialzahnradsatz 90 umfasst ein Trägerelement 96, das einen ersten Satz Ritzelräder 97 und einen zweiten Satz Ritzelräder 98 lagert. Die Ritzelräder 97 und 98 rotieren relativ zu dem Trägerelement 96. Der erste Satz Ritzelräder 97 kämmt mit dem Sonnenradelement 92 und mit dem zweiten Satz Ritzelräder 98. Der zweite Satz Ritzelräder 98 kämmt mit dem Hohlradelement 94. Das Trägerelement 96 ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Eingangselement 99 und der Kraftmaschine 12 verbunden. So wie es hierin verwendet wird, wird das Hohlradelement 94 als ein erstes Element des Differenzialzahnradsatzes 90 bezeichnet, das Trägerelement 96 wird als das zweite Element des Differenzialzahnradsatzes 90 bezeichnet, und das Sonnenradelement 92 wird als das dritte Element des Differenzialzahnradsatzes 90 bezeichnet.
2 ist eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs 10 in Hebeldiagrammform, die die funktionale Verbindung der Kraftmaschine 12 mit dem Trägerelement 96, und des ersten Motors/Generators 80 mit dem Sonnenradelement 92 veranschaulicht. Das Getriebe 16 ist mit einem ersten Abschnitt 120 dargestellt, der in dem Rückwärts-, ersten, dritten, und fünften Gang einen Leistungsflussweg zu dem Ausgangselement 74 bereitstellt. Der erste Abschnitt 120 umfasst die erste Eingangswelle 18, den ersten Satz Eingangszahnräder 26, 28, die Zahnräder 36, 38, 44 und den umkehrenden Zahnradsatz 48, 50, 52. Das Getriebe 16 umfasst einen zweiten Abschnitt 122, der in dem zweiten, vierten und sechsten Gang einen separaten Leistungsflussweg zu dem Ausgangselement 74 bereitstellt. Der zweite Abschnitt 122 umfasst die zweite Eingangswelle 20, den zweiten Satz Eingangszahnräder 30, 32 und die Zahnräder 34, 40 und 42.
Ein Controller 100 steuert den Motor/Generator 80, so dass er als Motor oder als Generator fungiert. Wenn der Motor/Generator 80 als Motor fungiert, wird dem Stator 84 von eine Energiespeichereinrichtung 102, wie etwa einer Batterie oder einem Batteriemodul, Leistung zugeführt. Ein Stromrichter 104 wandelt gespeicherte Energie von einem Gleichstrom in einen Wechselstrom um, der dem Stator 84 zugeführt wird. Wenn zum Beispiel der Motor/Generator 80 ein Permanentmagnetmotor ist, fließt die Leistung zu elektrischen Wicklungen (nicht gezeigt) in dem Stator 84, was magnetischen Fluss erzeugt, der den Rotor 82 antreibt. Der Betrag an Energie, der dem Stator 84 zugeführt wird, steuert die Drehgeschwindigkeit des Rotors 82 und somit die Drehzahl des Sonnenradelements 92. Ein Erhöhen der Drehzahl des Sonnenradelements 92 über den Motor/Generator 80 beeinflusst auch die Drehzahl von einem oder beiden von dem Hohlradelement 94 und dem Trägerelement 96.
Der Controller 100 kann auch bewirken, dass der Motor/Generator 80 als Generator fungiert, wobei mechanische Energie des Sonnenradelements 92 in elektrische Energie umgewandelt wird, die in der Energiespeichereinrichtung 102 gespeichert wird. Dies verlangsamt das Sonnenradelement 92 und beeinflusst auch die Drehzahlen von einem oder beiden von dem Hohlradelement 94 und dem Trägerelement 96.
Der Differenzialzahnradsatz 90 ist somit ausgelegt, um einen Leistungsfluss mit Eingangsleistungsverzweigung zu erzeugen, wobei die Kraftmaschine 12 Antriebsleistung an das Trägerelement 96 und die zweite Eingangswelle 20 liefert, der Motor/Generator 80 Leistung von dem Sonnenradelement 92 aufnimmt oder Leistung an dieses liefert, und das Hohlradelement 94 Leistung von der ersten Eingangswelle 18 aufnimmt oder Leistung an diese liefert. Die Drehzahl des Hohlradelements 94 wird durch die Kraftmaschine 12 sowie den Motor/Generator 80 beeinflusst. Wenn der elektrische Drehmomentwandler 14 vom Fachmann als Hebeldiagramm analysiert wird, ist der Differenzialzahnradsatz 90 ein Hebel, wobei das Sonnenradelement 92, das Hohlradelement 94 und das Trägerelement 96 Knoten sind. Das Hohlradelement 94 wird als der Eingangsleistungsverzweigungsknoten bezeichnet.
Der Motor/Generator 80 wird derart gesteuert, dass die Drehmomentübertragungsmechanismen synchron zwischen aufeinander folgenden Gängen ohne irgendwelchen Schlupf oder Energieverlust aufgrund von Umlaufverlusten geschaltet werden können. Tatsächlich können die Drehmomentübertragungsmechanismen, die in unterschiedlichen Gängen eingerückt sind, gleichzeitig eingerückt sein, wenn von einem Gang in den darauf folgenden Gang übergegangen wird, wobei im Wesentlichen zwei Leistungsflusswege gleichzeitig hergestellt werden. Dies lässt zu, dass die Drehmomentübertragungsmechanismen 60, 62, 64, 66, 68, 70 und 72 Klauenkupplungen sein können, die weniger komplex sind als hydraulisch betätigte Plattenkupplungen.
Der Controller 100, der funktional mit dem Motor/Generator 80 verbunden ist, kann auch funktional mit den Drehmomentübertragungsmechanismen 60, 62, 64, 66, 68, 70 und 72 zum Steuern der Einrückung und Ausrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen verbunden sein. Alternativ kann ein separater Controller verwendet werden, um die Drehmomentübertragungsmechanismen 60, 62, 64, 66, 68, 70 und 72 zu steuern.
Um den Antriebsstrang 10 anzufahren und somit einen Rückwärtsvortrieb eines Fahrzeugs vorzusehen und einen Rückwärtsgang herzustellen, wird der Drehmomentübertragungsmechanismus 72 eingerückt. Vor dem Starten der Kraftmaschine 12 beträgt die Drehzahl sowohl des ersten Rückwärtszahnrads 48 als auch der dritten Gegenwelle 46 null, und der Drehmomentübertragungsmechanismus 72 kann somit ohne Schlupf oder Energieverlust eingerückt werden. Die Kraftmaschine 12 wird dann gestartet und der Motor/Generator 80 wird gesteuert, um als Generator zu fungieren, wobei etwas von der Kraftmaschinenleistung absorbiert wird. Drehmoment, das an dem Hohlradelement 94 und der ersten Eingangswelle 18 bereitgestellt wird, wird durch die kämmenden Zahnräder 28, 48 und die dritte Gegenwelle 46 auf das kämmende zweite und dritte Rückwärtszahnrad 50, 52 zur ersten Gegenwelle 22 und den Achsantrieb 71 übertragen. Im Rückwärtsgang ist die Drehrichtung des Ausgangselements 74 entgegengesetzt zu der Drehrichtung des Ausgangselements 74 in jedem der hierin beschriebenen Vorwärtsgänge.
Um den Antriebsstrang 10 anzufahren und somit Vorwärtsvortrieb eines Fahrzeugs vorzusehen und den ersten Vorwärtsgang herzustellen, wird der Drehmomentübertragungsmechanismus 62 eingerückt. Vor dem Starten der Kraftmaschine 12 beträgt die Drehzahl sowohl des Zahnrads 36 als auch der ersten Gegenwelle 22 null, so dass der Drehmomentübertragungsmechanismus 62 ohne Schlupf oder Energieverlust eingerückt werden kann. Die Kraftmaschine 12 wird dann gestartet und der Motor/Generator 80 wird gesteuert, um als Generator zu fungieren, wobei etwas von der Kraftmaschinenleistung absorbiert wird. Drehmoment, das an dem Hohlradelement 94 und der ersten Eingangswelle 18 bereitgestellt wird, wird durch die kämmenden Zahnräder 26, 36 auf die erste Gegenwelle 22 und den Achsantrieb 70 übertragen.
Betriebsbedingungen, wie etwa Kraftmaschinen-Drehzahl und die Drehzahl des Ausgangselements 74 werden durch den Controller 100 oder durch eine oder mehrere zusätzliche Controller überwacht. Wenn die Kraftmaschinen-Drehzahl eine vorbestimmt Drehzahl erreicht, wird ein Schalten in einen höheren Gang zulassen, dass die Kraftmaschine 12 bei Drehzahlen in ihrem optimalen Drehzahlbereich arbeitet, während die empfohlene Drehzahl an dem Ausgangselement 74 bereitgestellt wird. Das Drehzahlverhältnis bzw. der Gang durch das Getriebe 16 wird durch die Drehzahlverhältnisse der kämmenden Zahnräder, die Drehmoment transportieren, bestimmt. So wie es hierin verwendet wird, ist das Drehzahlverhältnis bzw. der Gang das Verhältnis von der Drehzahl des Ausgangselements 74 zu der Drehzahl derjenigen von der ersten Eingangswelle 18 oder der zweiten Eingangswelle 20, die Drehmoment transportiert.
Um von dem ersten Gang in den zweiten Gang zu schalten, wird die Kraftmaschinen-Drehzahl derart gesteuert, dass die Drehzahl der zweiten Eingangswelle 20, und genauer des Zahnrads 30, das mit dieser rotiert, bewirkt, dass die Drehzahl das Zahnrad 34, das mit dem Zahnrad 30 kämmt, gleich ist wie die Drehzahl der ersten Gegenwelle 22. Der Motor/-Generator 80 wird gesteuert, um sicherzustellen, dass die Drehzahl der ersten Gegenwelle 22 konstant bleibt, wenn die Drehzahl der Kraftmaschine 12 verändert wird. Die erste Gegenwelle 22 transportiert bereits Drehmoment. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 60 wird dann mit null Schlupf oder Energieverlust aufgrund von Umlaufverlusten eingerückt. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 60 kann gleichzeitig mit der Ausrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 62 eingerückt werden, oder beide Drehmomentübertragungsmechanismen 60 und 62 können momentan gleichzeitig vor der Ausrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 62 eingerückt werden. Nachdem der Drehmomentübertragungsmechanismus 62 ausgerückt ist, kann die Kraftmaschinen-Drehzahl wie notwendig verändert werden, um die Drehzahl des Ausgangselements 74 zu verändern.
Um in den dritten Gang zu schalten, wird der Motor/Generator 80 derart gesteuert, dass die Drehzahl der ersten Eingangswelle 18, und genauer des Zahnrads 28, das zur Rotation daran verbunden ist, derart ist, dass die Drehzahl des Zahnrads 38 gleich ist wie die Drehzahl der ersten Gegenwelle 22. Dies lässt zu, dass der Drehmomentübertragungsmechanismus 64 mit null Schlupf oder Energieverlust aufgrund von Umlaufverlusten eingerückt werden kann. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 64 kann gleichzeitig mit der Ausrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eingerückt werden, oder beide Drehmomentübertragungsmechanismen 60 und 64 können momentan vor der Ausrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eingerückt werden. Nachdem der Drehmomentübertragungsmechanismus 60 ausgerückt ist, kann die Kraftmaschinen-Drehzahl wie notwendig verändert werden, um die Drehzahl des Ausgangselements 74 zu verändern.
Um in den vierten Vorwärtsgang zu schalten, werden die Kraftmaschinen-Drehzahl und der Motor/Generator 80 derart gesteuert, dass die gewünschte Drehzahl des Ausgangselements 74 in dem dritten Gang aufrechterhalten wird, während die Drehzahl des Zahnrads 40 auf die gleiche Drehzahl wie die zweite Gegenwelle 24 gebracht wird, die durch die Drehzahl des Zahnrads 78 des Achsantriebs 71 bestimmt wird. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 66 kann dann mit null Schlupf oder Energieverlust aufgrund von Umlaufverlusten eingerückt werden. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 66 kann gleichzeitig mit der Ausrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 64 eingerückt werden, oder beide Drehmomentübertragungsmechanismen 64 und 66 können momentan vor der Ausrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 64 eingerückt werden. Nachdem der Drehmomentübertragungsmechanismus 64 ausgerückt ist, kann die Kraftmaschinen-Drehzahl wie notwendig verändert werden, um die Drehzahl des Ausgangselements 74 zu verändern.
Um in den fünften Gang zu schalten, werden die Kraftmaschinen-Drehzahl und der Motor/Generator 80 derart gesteuert, dass die Drehzahl des Hohlradelements 94, der ersten Eingangswelle 18 und des Zahnrads 26 derart ist, dass die Drehzahl des Zahnrads 44 auf die gleiche Drehzahl wie die zweite Gegenwelle 24 gebracht wird. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 70 kann dann mit null Schlupf oder Energieverlust aufgrund von Umlaufverlusten eingerückt werden. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 70 kann gleichzeitig mit der Ausrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 66 eingerückt werden, oder beide Drehmomentübertragungsmechanismen 70 und 66 können momentan vor der Ausrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 66 eingerückt werden. Nachdem der Drehmomentübertragungsmechanismus 66 ausgerückt ist, kann die Kraftmaschinen-Drehzahl wie notwendig verändert werden, um die Drehzahl des Ausgangselements 74 zu verändern.
Um in den sechsten Gang zu schalten, wird die Kraftmaschinen-Drehzahl derart gesteuert, dass die Drehzahl der zweiten Eingangswelle 20, und genauer des Zahnrads 32, das daran rotiert, bewirkt, dass die Drehzahl des Zahnrads 42, das mit dem Zahnrad 32 kämmt, gleich ist wie die Drehzahl der zweiten Gegenwelle 24. Der Motor/Generator 80 wird gesteuert, um sicherzustellen, dass die Drehzahl der zweiten Gegenwelle 24 geeignet ist, den gewünschten Gang des Ausgangselements 74 bereitzustellen, wenn die Drehzahl der Kraftmaschine 12 verändert wird. Die zweite Gegenwelle 24 transportiert bereits Drehmoment. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 68 wird dann mit null Schlupf oder Energieverlust aufgrund von Umlaufverlusten eingerückt. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 68 kann gleichzeitig mit der Ausrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 72 eingerückt werden, oder beide Drehmomentübertragungsmechanismen 72 und 68 können momentan vor der Ausrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 72 eingerückt werden. Nachdem der Drehmomentübertragungsmechanismus 72 ausgerückt ist, kann die Kraftmaschinen-Drehzahl wie notwendig verändert werden, um die Drehzahl des Ausgangselements 74 zu verändern.
Obwohl das Getriebe 16 ausgelegt ist, um sechs Vorwärtsgänge wie oben beschrieben bereitzustellen, können weniger oder mehr Vorwärtsgänge, die jeweils synchrones Schalten ohne Energieverlust aufgrund von Umlaufverlusten gestatten, bereitgestellt werden, indem die Zahl kämmender Zahnräder und selektiv einrückbarer Drehmomentübertragungsmechanismen verringert oder erhöht wird. Obwohl das synchrone Schalten hierin als Hochschalten beschrieben ist, wird synchrones Schalten ohne Energieverluste aufgrund von Umlaufverlusten auch für Herunterschalten zwischen aufeinanderfolgenden Gängen erreicht.
Weil der elektrische Drehmomentwandler 14 und das Gegenwellengetriebe 16 ausgelegt sind, um zuzulassen, dass die Einrückung und Ausrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72 für aufeinander folgende Gänge mit null Schlupf oder Energieverlust aufgrund von Umlaufverlusten vorgenommen werden kann, können dementsprechend die Drehmomentübertragungsmechanismen Klauenkupplungen sein.
Zusätzlich zu der Verwendung des Motors/Generators 80, um das Schalten mit null Energie zu bewerkstelligen, lässt der elektrische Drehmomentwandler 14 zu, dass der Antriebsstrang 10 in einem rein elektrischen Modus betrieben werden kann. Es ist eine Festlegungskupplung 106 vorgesehen, die selektiv einrückbar ist, um das Eingangselement 99 (und somit die Kraftmaschine 12 und das Trägerelement 96) an dem feststehenden Element 86 festzulegen. Dies lässt zu, dass das Differenzial 90 Drehmoment von dem Sonnenradelement 92, das durch den Motor/Generator 80, der als Motor fungiert, mit Leistung beaufschlagt wird, auf das Hohlradelement 94 und die erste Eingangswelle 18 überträgt. Jeder der Drehmomentübertragungsmechanismen 62, 64, 70 oder 72 kann dann eingerückt werden, um Drehmoment durch das Getriebe 16 auf das Ausgangselement 74 zu übertragen. Vor der Einrückung der Festlegungskupplung 106 kann der Motor/Generator 80 gesteuert werden, um das Eingangselement 99 zu verlangsamen, wenn das Eingangselement 99 nicht bereits feststehend ist. Die Festlegungskupplung 106 kann dann mit null. Schlupf oder Energieverlust aufgrund von Umlaufverlusten eingerückt werden. Dies ermöglicht es, dass eine Klauenkupplung für die Festlegungskupplung 106 verwendet werden kann, wenn es gewünscht wird.
In der Ausführungsform von 1 weist der elektrische Drehmomentwandler 14 eine Plattenkupplung 108 auf, die einrückbar ist, um das Trägerelement 96, das Eingangselement 99 und die Kraftmaschine 12 zur gemeinsamen Rotation mit dem Rotor 82 zu verbinden. Wenn die Kupplung 108 eingerückt ist, rotieren die Kraftmaschine 12 und der Rotor 82 mit der gleichen Drehzahl. Der Motor/Generator 80 kann gesteuert werden, um als Motor zu fungieren, so dass Leistung durch sowohl den Motor/Generator 80 als auch die Kraftmaschine 12 auf die gleichen Zahnräder des Getriebes 16, die Drehmoment transportieren, geliefert wird, was davon abhängen wird, welcher der Drehmomentübertragungsmechanismen 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72 eingerückt ist. Wenn sowohl der Motor/-Generator 80 als auch die Kraftmaschine 12 Drehmoment liefern, kann ein relativ starker Vorwärtsantrieb erreicht werden.
3 ist eine andere Ausführungsform eines Antriebsstrangs 210, der viele der gleichen Komponenten wie der Antriebsstrang 10 aufweist. Der Antriebsstrang 210 weist ein Getriebe 216 mit einem zusätzlichen Motor/Generator 280 auf, der als der zweite Motor/Generator bezeichnet wird. Der Motor/Generator 280 weist einen Rotor 282 auf, der zur Rotation mit der ersten Eingangswelle 18 durch eine Verlängerung 286 der ersten Eingangswelle 18 verbunden ist. Der Motor/Generator 280 weist auch einen ringförmigen Stator 284, der den Rotor 282 umgibt und funktional mit dem Controller 100 verbunden ist, Batterie 102 und Stromrichter 104 auf, um Leistung von der Batterie 102 aufzunehmen oder Leistung an die Batterie 102 zu liefern. In anderen Ausführungsformen könnte der Motor/Generator 280 angeordnet sein, um ein Zahnrad anzutreiben, das entweder mit dem Zahnrad 36 oder mit dem Zahnrad 38 kämmt und dadurch indirekt Drehmoment an die erste Eingangswelle 18 durch die kämmenden Zahnradsätze liefert oder Drehmoment von dort aufnimmt.
4 ist eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs 210 in Hebeldiagrammform, die die funktionelle Verbindung der Kraftmaschine 12 mit dem Trägerelement 96 (wenn eine Kraftmaschinen-Trennkupplung 206 eingerückt ist), des ersten Motors/Generators 80 mit dem Sonnenradelement 92 und des zweiten Motors/Generators 280 mit dem Hohlradelement 94 veranschaulicht. Das Getriebe 216 ist mit einem ersten Abschnitt 220, der in dem Rückwärts-, ersten, dritten und fünften Gang einen Leistungsflussweg zu dem Ausgangselement 74 bereitstellt, und einem zweiten Abschnitt 222, der in dem zweiten, vierten und sechsten Gang einen separaten Leistungsflussweg zu dem Ausgangselement 74 bereitstellt, dargestellt. Der erste Abschnitt 220 umfasst die erste Eingangswelle 18, den ersten Satz Eingangszahnräder 26, 28 und Zahnräder 36, 38, 44 und den umkehrenden Zahnradsatz 48, 50, 52. Der zweite Abschnitt 222 umfasst die zweite Eingangswelle 20, den zweiten Satz Eingangszahnräder 30, 32 und die Zahnräder 34, 40 und 42.
Mit dem Zusatz des Motors/Generators 280 kann das Hohlradelement 94 des Differenzials 90 verändert werden, indem die Drehzahl des Rotors 282 gesteuert wird und indem der Motor/Generator 280 gesteuert wird, um als Motor oder als Generator zu fungieren. Leistung fließt auf den gleichen Wegen, wie es für jedes Drehzahlverhältnis bzw. jeden Gang mit Bezug auf den Antriebsstrang 10 beschrieben wurde. Synchrones Schalten zwischen aufeinander folgenden Gängen, wie es oben mit Bezug auf den Antriebsstrang 10 beschrieben wurde, wird erreicht, indem die Drehzahlen eines jeden der Elemente des Differenzialzahnradsatzes 90 gesteuert werden (d. h. des Sonnenradelements 92, indem die Drehzahl des Motors/Generators 80 gesteuert wird, des Hohlradelements 94, indem die Drehzahl des Motors/Generators 280 gesteuert wird, und des Trägerelements 96, indem die Drehzahl der Kraftmaschine 12 gesteuert wird).
Der Antriebsstrang 210 kann einen effektiven rein elektrische Betriebsmodus erreichen, indem die Motoren/Generatoren 80, 280 als Motoren oder Generatoren paarweise verwendet werden, um die notwendigen Drehzahlen an dem Ausgangselement 74 und an jeder der Eingangswellen 18, 20 und Gegenwellen 22, 24 zu erreichen, wie es notwendig ist, um synchrone Einrückungen und Ausrückungen der Drehmomentübertragungsmechanismen 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72 zu bewerkstelligen. Weil es zwei Motoren/Generatoren 80, 280 gibt, können die Drehzahlen des Sonnenradelements 92 und des Hohlradelements 94 durch Motoren/Generatoren 80 bzw. 280 verändert werden, und das synchrone Schalten kann in dem rein elektrischen Betriebsmodus sowie in dem Hybrid-Betriebsmodus erreicht werden.
Die Festlegungskupplung 106 des Antriebsstrangs 10 kann durch eine Kraftmaschinen-Trennkupplung 206 ersetzt werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern, indem die Kraftmaschine 12 von dem elektrischen Drehmomentwandler 14 und dem Getriebe 216 während des rein elektrischen Betriebsmodus getrennt wird. Darüber hinaus können die Motoren/Generatoren 80, 280 während des rein elektrischen Betriebsmodus verwendet werden, um die Drehzahl des Trägerelements 96 auf null zu verlangsamen, was zulässt, dass die Trennkupplung 206 mit null Energie ohne Schlupf eingerückt werden kann. Die Motoren/Generatoren 80, 280 können dann gesteuert werden, um die Drehzahl des Trägerelements 96 zu erhöhen, um die Kraftmaschine 12 zu starten.
Obwohl der Antriebsstrang 10 in 1 so gezeigt ist, dass er eine Festlegungskupplung 106 aufweist, und der Antriebsstrang 210 von 3 so gezeigt ist, dass er eine Kraftmaschinen-Trennkupplung 206 aufweist, könnte stattdessen eine Kraftmaschinen-Trennkupplung mit der Ein-Motor-Ausführungsform von 1 verwendet werden, und eine Festlegungskupplung könnte mit der Zwei-Motor-Ausführungsform von 3 verwendet werden. In diesen alternativen Ausgestaltungen wäre dennoch ein synchrones Schalten, das die Einrückung von Drehmomentübertragungsmechanismen in zwei aufeinander folgenden Gängen gleichzeitig mit null Schlupf zulässt, erreichbar.
Obgleich die besten Arten zur Ausführung der vielen Aspekte der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, werden jene, die mit dem Gebiet, das diese Lehren betrifft, vertraut sind, verschiedene alternative Aspekte zur praktischen Ausführung der vorliegenden Lehren, die im Umfang der beigefügten Ansprüche liegen, erkennen.

Claims

Antriebsstrang, umfassend: einen Elektromotor/Generator; einen Differenzialzahnradsatz, der ein erstes Element, ein zweites Element und ein drittes Element aufweist, ein Gegenwellengetriebe, das ein erstes Eingangselement, das mit dem ersten Element verbunden ist, und ein zweites Eingangselement, das mit dem zweiten Element verbunden ist, und eine Mehrzahl von selektiv einrückbaren Drehmomentübertragungsmechanismen aufweist, von denen jeder selektiv einrückbar ist, um einen unterschiedliches Gang durch das Getriebe herzustellen; und zumindest einen Controller; wobei der Motor/Generator zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Element verbunden ist und durch den zumindest einen Controller gesteuert wird, um eine Drehzahl des dritten Elements herzustellen, die eine synchrone Einrückung und Ausrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen gestattet, um von einem der jeweiligen Gänge in einen darauf folgenden der jeweiligen Gänge zu schalten.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei der Motor/Generator der einzige Motor/Generator ist, der funktional mit dem Gegenwellengetriebe verbunden ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein feststehendes Element; und eine Kupplung, die selektiv einrückbar ist, um das zweite Element mit dem feststehenden Element zu verbinden, wodurch ein rein elektrischer Betriebsmodus ermöglicht wird, wenn der Motor/-Generator gesteuert wird, um als Motor zu fungieren, und irgendeiner der Drehmomentübertragungsmechanismen eingerückt ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 3, wobei die Kupplung und die Drehmomentübertragungsmechanismen Klauenkupplungen sind.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Kraftmaschine; und eine Kraftmaschinen-Trennkupplung, die selektiv einrückbar ist, um die Kraftmaschine zur gemeinsamen Rotation mit dem zweiten Element zu verbinden, und ausrückbar ist, um die Kraftmaschine von dem zweiten Element zu trennen.
Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei die Kraftmaschinen-Trennkupplung eine Klauenkupplung ist; und wobei der Motor/Generator gesteuert wird, um das zweite Element zu verlangsamen und somit eine Einrückung der Kraftmaschinen-Trennkupplung zuzulassen.
Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei der Motor/Generator ein erster Motor/Generator ist, und ferner umfassend: einen zweiten Motor/Generator, der funktional mit dem ersten Eingangselement verbunden und durch den zumindest einen Controller steuerbar ist; wobei der erste Motor/Generator und der zweite Motor/Generator gesteuert werden, um einen rein elektrischen Betriebsmodus bereitzustellen, wenn die Kraftmaschinen-Trennkupplung ausgerückt ist und einer der Drehmomentübertragungsmechanismen eingerückt ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Reibplattenkupplung, die selektiv einrückbar ist, um das zweite Element zur gemeinsamen Rotation mit dem Motor/Generator zu verbinden.
Antriebsstrang, umfassend: eine Kraftmaschine; ein Getriebe, das aufweist: eine erste Eingangswelle; eine zweite Eingangswelle konzentrisch mit der ersten Eingangswelle; eine erste Gegenwelle; eine zweite Gegenwelle; wobei die erste und zweite Gegenwelle im Wesentlichen parallel zu der ersten und zweiten Eingangswelle sind; eine Mehrzahl von kämmenden Zahnrädern, die einen ersten Satz Eingangszahnräder, die zur gemeinsamen Rotation mit der ersten Eingangswelle montiert sind, einen zweiten Satz Eingangszahnräder, die zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten Eingangswelle montiert sind, einen ersten Satz Gegenwellen-Zahnräder, die zur Rotation um die erste Gegenwelle montiert sind, und einen zweiten Satz Gegenwellen-Zahnräder zur Rotation um die zweite Gegenwelle montiert sind, umfassen; einen Achsantrieb, der funktional mit sowohl der ersten Gegenwelle als auch der zweiten Gegenwelle verbunden ist; eine Mehrzahl von Drehmomentübertragungsmechanismen, die jeweils selektiv einrückbar sind, um ein jeweiliges der Gegenwellen-Zahnräder zur gemeinsamen Rotation mit einer jeweiligen der Gegenwellen zu verbinden, wobei die aufeinander folgende Einrückung eines jeden der Drehmomentübertragungsmechanismen aufeinander folgende Gänge zwischen der Kraftmaschine und dem Achsantrieb herstellt; wobei jeder der Drehmomentübertragungsmechanismen eine Klauenkupplung ist; einen elektrischen Drehmomentwandler, der einen Motor/Generator und einen Differenzialzahnradsatz umfasst, der ein erstes Element, ein zweites Element und ein drittes Element aufweist; wobei das erste Element zur gemeinsamen Rotation mit der ersten Eingangswelle verbunden ist, das zweite Element zur gemeinsamen Rotation mit der zweiten Eingangswelle verbunden ist und mit der Kraftmaschine verbunden oder verbindbar ist, und das dritte Element zur gemeinsamen Rotation mit dem Motor/Generator verbunden ist; zumindest einen Controller; und wobei der Motor/Generator und die Drehmomentübertragungsmechanismen durch den zumindest einen Controller gesteuert werden, um synchrones Schalten zwischen den aufeinander folgenden Gängen herzustellen.
Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs, umfassend: Steuern sowohl der Drehzahl eines Motors/Generators, der funktional mit einem Getriebe verbunden ist, als auch der Einrückung von Drehmomentübertragungsmechanismen, so dass die Drehmomentübertragungsmechanismen synchron eingerückt und ausgerückt werden, um zwischen aufeinander folgenden Gängen zu schalten; wobei der Antriebsstrang umfasst: einen Differenzialzahnradsatz, der ein erstes Element, ein zweites Element und ein drittes Element aufweist, ein Gegenwellengetriebe, das ein erstes Eingangselement, das mit dem ersten Element verbunden ist, und ein zweites Eingangselement aufweist, das mit dem zweiten Element verbunden ist; und wobei der Motor/Generator zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Element verbunden ist.