DE102013212028A1

DE102013212028A1 - Hybrid-Antriebsstrang mit zentrifugal betätigter Motortrennkupplung und Verfahren zur Steuerung

Info

Publication number: DE102013212028A1
Application number: DE102013212028.1A
Authority: DE
Inventors: Alan G. Holmes; Min-Joong Kim; Steven A. Tarnowsky
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2014-01-02
Also published as: US9180765B2; CN103522889A; CN103522889B; US20140005864A1

Abstract

Ein Hybridfahrzeug umfasst einen Elektromotor mit einem drehbaren Rotor. Eine zentrifugal betätigte Kupplung weist ein erstes drehbares Element, ein zweites drehbares Element und mindestens ein Aktuatorelement, das am ersten drehbaren Element befestigt ist, auf. Eines des ersten drehbaren Elements und des zweiten drehbaren Elements ist mit den Rädern wirksam verbunden. Das andere des ersten drehbaren Elements und des zweiten drehbaren Elements ist mit dem Rotor wirksam verbunden. Das Aktuatorelement ist dazu konfiguriert, ein Drehmoment zwischen dem ersten drehbaren Element und dem zweiten drehbaren Element in einem Ausmaß zu übertragen, das aufgrund der Zentrifugalkraft, die auf das Aktuatorelement wirkt, wenn die Drehzahl des ersten drehbaren Elements zunimmt, abnimmt. Ein Verfahren zur Steuerung wird auch geschaffen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegenden Lehren umfassen im Allgemeinen ein Hybridfahrzeug mit einer zentrifugal betätigten Kupplung zum Abtrennen eines Elektromotors.
HINTERGRUND
Elektrische Antriebsmodule für Hybridfahrzeuge umfassen einen Elektromotor, der mit einer Antriebsachse des Fahrzeugs durch eine Verzahnungsanordnung verbunden ist. Der Elektromotor schafft in bestimmten Fahrzeugbetriebsmodi eine Antriebsunterstützung. Ein höheres Übersetzungsverhältnis der Verzahnungsanordnung ermöglicht, dass der Motor ein relativ niedriges maximales Drehmoment aufweist, da das vom Motor bereitgestellte Drehmoment mit dem Übersetzungsverhältnis multipliziert wird. Ein elektrisches Antriebsmodul kann hinsichtlich des Übersetzungsverhältnisses durch eine Anzahl von Faktoren begrenzt sein, insbesondere durch die Höchstdrehzahl des Motors. Das heißt, bei hohen Achsdrehzahlen ist die Drehzahl des Elektromotors noch größer mit einem hohen Übersetzungsverhältnis, so dass das Übersetzungsverhältnis unter jenem gehalten werden muss, das verursachen würde, dass der Motor seine maximale Drehzahl überschreitet.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Hybridfahrzeug mit einer zentrifugal betätigten Kupplung zum Abtrennen eines Elektromotors von Fahrzeugrädern, wenn die Raddrehzahl zunimmt, geschaffen. Insbesondere weist ein Hybridfahrzeug einen Elektromotor mit einem drehbaren Rotor auf. Eine zentrifugal betätigte Kupplung weist ein erstes drehbares Element, ein zweites drehbares Element und mindestens ein Aktuatorelement, das am ersten drehbaren Element befestigt ist, auf. Eines des ersten drehbaren Elements und des zweiten drehbaren Elements ist wirksam mit den Rädern verbunden. Das andere des ersten drehbaren Elements und des zweiten drehbaren Elements ist wirksam mit dem Rotor verbunden. Das Aktuatorelement ist dazu konfiguriert, ein Drehmoment zwischen dem ersten drehbaren Element und dem zweiten drehbaren Element in einem Ausmaß zu übertragen, das aufgrund einer Zentrifugalkraft, die auf das Aktuatorelement wirkt, wenn eine Drehzahl des ersten drehbaren Elements zunimmt, abnimmt.
In einer Ausführungsform kann der Motor, wenn die Kupplung einrückt, wenn die Raddrehzahl abnimmt und die Zentrifugalkraft daher abnimmt, gesteuert werden, um eine Drehmomentstörung zu verhindern, wenn die Kupplung sich zu schließen beginnt. Ein Verfahren zum Steuern eines Hybridfahrzeugs umfasst daher die Überwachung einer Drehzahl eines Rotors eines Elektromotors und das Verändern einer oder beider der Drehzahl des Rotors und des Drehmoments des Rotors, wenn die überwachte Drehzahl des Rotors darauf hinweist, dass die zentrifugal betätigte Kupplung schleift, wie z. B. beim erneuten Einrücken der Kupplung, wenn die Raddrehzahl abnimmt.
Da die zentrifugal betätigte Kupplung so konfiguriert sein kann, dass der Motor von den Rädern bei einer Geschwindigkeit getrennt wird, die gut unter der Fahrzeughöchstgeschwindigkeit liegt, wird folglich das Übersetzungsverhältnis irgendeiner Verzahnungsanordnung, die wirksam zwischen dem Motor und den Rädern verbunden sein kann, als Einschränkung für den Elektromotor beseitigt. Das heißt, die zentrifugal betätigte Trennkupplung kann ein höheres Übersetzungsverhältnis und einen kleineren Motor mit niedrigerem Drehmoment ermöglichen, um dasselbe Ausgangsdrehmoment und dieselbe Fahrzeughöchstgeschwindigkeit wie mit einem Motor, der sich nicht von den Rädern trennen kann, zu schaffen. Der Motor kann für die Antriebsunterstützung verwendet werden, wie z. B. für einen elektrischen Allrad-Antriebsbetriebsmodus bei niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten (z. B. 0 bis 80 Kilometer pro Stunde) in einem Fahrzeug, das durch einen primären Antriebsstrang bei niedrigen bis hohen Geschwindigkeiten (z. B. 0 bis 200 Kilometer pro Stunde) angetrieben werden kann. Die Motorgröße kann beispielsweise um 50 Prozent im Vergleich zu einem Motor, der außerstande ist, sich bei hohen Drehzahlen abzutrennen, und mit einem niedrigeren Übersetzungsverhältnis einer Verzahnungsanordnung verringert werden. Da der Motor von den Rädern bei relativ hohen Drehzahlen getrennt wird, kann er bei hohen Drehzahlen verlangsamt oder gestoppt werden, was Drehverluste verringert. Außerdem ist die Kupplung durch Zentrifugalkraft selbstbetätigend, was den Bedarf an einem Betätigungssystem wie z. B. einem elektrischen oder hydraulischen Aktuator und zugehörige Leistungsanforderungen und Drehverluste beseitigt.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren sind leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Antriebsstrang, der ein elektrisches Antriebsmodul mit einer zentrifugal betätigten Kupplung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lehren umfasst.
2 ist eine schematische Darstellung der zentrifugal betätigten Kupplung von 1 in einer Seitenansicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In den Zeichnungen, in denen sich in allen verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, stellt 1 schematisch ein Hybrid-Elektrofahrzeug 10 mit einem Rahmen 11 (in Durchsicht gezeigt) mit einer ersten Achse 12, die mit einem ersten Paar von Rädern 14 verbunden ist, und einer zweiten Achse 16, die mit einem zweiten Paar von Rädern 18 verbunden ist, dar. In einer Ausführungsform sind die Räder 14 Vorderräder und die Räder 18 sind Hinterräder. In 1 sind die Räder 14, 18 an Reifen 19 befestigt gezeigt. Jede Achse 12, 16 weist zwei separate Achsabschnitte auf, die über ein jeweiliges Differential 15, 17 verbunden sind, wie für den Fachmann auf dem Gebiet leicht verständlich ist. Jedes Rad 14, 18 weist einen Reibungsbremsmechanismus 20 auf, der als Scheibenbremse gezeigt ist. Die erste Achse 12 ist mit einem Getriebe 22 verbindbar und die zweite Achse 16 ist mit einem elektrischen Antriebsmodul 24 verbindbar. Das Getriebe 22 kann ein Automatikgetriebe sein und kann einen Motor/Generator umfassen oder nicht, so dass das Getriebe 22 ein Hybridgetriebe sein kann oder nicht. Das Getriebe 22 ist mit einer Kraftmaschine 26 verbunden, die eine Ausgangswelle (nicht dargestellt) aufweist, die mit einer Eingangswelle (nicht dargestellt) des Getriebes 22 wirksam verbunden ist, und ein Drehmoment durch das Getriebe 22 zur ersten Achse 12 über das Differential 15 für den Antrieb des Fahrzeugs 10 liefert. Das Getriebe 22, die Kraftmaschine 26, eine Energiespeichervorrichtung 28, ein Controller 30 und das elektrische Antriebsmodul 24 legen zusammen einen Hybridantriebsstrang 31 fest, der verschiedene Betriebsmodi für den Vorwärtstrieb des Fahrzeugs 10 schafft.
Das elektrische Antriebsmodul 24 umfasst einen Elektromotor 32, der selektiv mit der Achse 16 und den Rädern durch eine zentrifugal betätigte Kupplung 34 und eine Verzahnungsanordnung 37 wirksam verbunden wird, um ein Antriebsdrehmoment zu den Rädern 18 zu liefern. Der Elektromotor 32 weist einen ringförmigen Stator 35 und einen Rotor 36, der vom Stator 35 umgeben ist, innerhalb eines nicht drehbaren Motorgehäuses 38 auf. Der Stator 35 und der Rotor 36 sind mit verborgenen Linien innerhalb des Gehäuses 38 angegeben. Der Stator 35 ist am Gehäuse 38 befestigt und kann elektrischen Strom durch Übertragungsleiter 40 von Energie empfangen, die in der Energiespeichervorrichtung 28 gespeichert ist. Der Controller 30 steuert den Leistungsfluss zum Motor 32 auf der Basis von Fahrzeugbetriebsbedingungen, wie hier erörtert. Der Controller 30 kann auch einen integrierten Stromrichter aufweisen, um Gleichstrom, der von der Energiespeichervorrichtung 28 zugeführt wird, in Wechselstrom umzusetzen, der erforderlich ist, um den Stator 34 zu betreiben, wenn der Motor 32 Wechselstrom verwendet, wie z. B. wenn er Drei-Phasen-Wicklungen aufweist. Alternativ kann ein separater Stromrichter mit dem Controller 30 und dem Stator 35 wirksam verbunden sein, wenn kein Stromrichter in den Controller 30 integriert ist.
Der Rotor 36 weist eine Rotorwelle 42 auf, die mit dem Rotor 36 verbunden ist und die sich gemeinsam mit dem Rotor 36 dreht (d. h. mit derselben Drehzahl wie der Rotor 36). Wie hier verwendet, sind zwei Komponenten dazu konfiguriert, sich ”gemeinsam zu drehen”, oder sind für eine ”gemeinsame Drehung” verbunden, wenn die zwei Komponenten miteinander verbunden sind, um sich mit derselben Drehzahl zu drehen. Die Rotorwelle 42 verbindet mit einer Trommel 44 der zentrifugal betätigten Kupplung 34. Ein Drehzahlsensor 46 ist an der Rotorwelle 42 angebracht und sendet Sensorsignale, die die Drehzahl des Rotors 36 angeben, über einen Übertragungsleiter 48 zum Controller 30. Der Drehzahlsensor 46 ermöglicht folglich, dass der Controller 30 die Drehzahl des Rotors 36 überwacht. Der Drehzahlsensor 46 kann ein Motordrehmelder oder ein Motorcodierer sein. Alternativ kann die Drehzahl des Rotors 36 durch den Controller 30 unter Verwendung eines Algorithmus, der in einem Prozessor des Controllers gespeichert ist, auf der Basis des elektrischen Stroms, der durch den Controller 30, die Übertragungsleiter 40 und den Stator 35 fließt, und auf der Basis der zugehörigen Spannung bestimmt werden. Das Drehmoment des Rotors 36 kann durch den Controller 30 unter Verwendung eines Algorithmus, der in einem Prozessor des Controllers gespeichert ist, auf der Basis der Menge an Strom, der zum Stator 35 fließt, bestimmt werden.
Wie in 2 am besten gezeigt, weist die zentrifugal betätigte Kupplung 34 auch einen ringförmigen Kranz 50 auf, der die Trommel 44 radial umgibt. Wie hier verwendet, wird der ringförmige Kranz 50 als erstes drehbares Element bezeichnet und die Trommel 44 wird als zweites drehbares Element bezeichnet. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Trommel 44 mit der Rotorwelle 42 verbunden und dreht sich gemeinsam mit dieser und daher mit derselben Drehzahl wie der Rotor 36. In der in 1 gezeigten Ausführungsform dreht sich der Kranz 50 mit einem Element 60 der Verzahnungsanordnung 37. Insbesondere erstreckt sich eine Nabe 62 radial nach innen vom Kranz 50 und ist durch eine Welle 64 verbunden, um sich mit dem Element 60 zu drehen.
Wie in 2 gezeigt, weist die zentrifugal betätigte Kupplung 34 ein Paar von Aktuatorelementen 70, 72 auf, die in dieser Ausführungsform gewichtete Backen 70, 72 sind und als solche bezeichnet werden können. In anderen Ausführungsformen könnte die Kupplung 34 ein einzelnes Aktuatorelement oder mehr als zwei Aktuatorelemente aufweisen. In anderen Ausführungsformen können die Aktuatorelemente Abschnitte einer Klauenkupplung sein, die dazu konfiguriert sind, die Kupplung aufgrund einer Zentrifugalkraft auszurücken, wenn die Drehzahl des ersten drehbaren Elements zunimmt.
Jede gewichtete Backe 70, 72 weist jeweils einen äußeren Abschnitt 74A, 74B und einen inneren Abschnitt 76A, 76B auf, die mit dem jeweiligen äußeren Abschnitt 74A, 74B verbunden und beweglich sind. Die äußeren Abschnitte 74A, 74B sind am Kranz 50 durch Stifte 78A, 78B befestigt. Der Stift 78A erstreckt sich durch eine Öffnung 80A im äußeren Abschnitt 74A, nahe einem Ende des äußeren Abschnitts 74A und in den Kranz 50, so dass die Backe 70 relativ zum Kranz 70 schwenkbar ist, wobei die Mittelachse des Stifts 78A als Drehachse der Backe 70 dient. Ebenso erstreckt sich der Stift 78B durch eine Öffnung 80B im äußeren Abschnitt 74B, nahe einem Ende des äußeren Abschnitts 74B und in den Kranz 50, so dass die Backe 72 relativ zum Kranz 50 schwenkbar ist, wobei die Mittelachse des Stifts 78B als Drehachse der Backe 72 dient. In 2 sind die Backen 70, 72 in einer vollständig eingerückten Position gezeigt, in der die inneren Abschnitte 76A, 76B vollständig mit der Trommel 44 in Kontakt stehen. Das heißt, die ganzen inneren Oberflächen 75A, 75B der inneren Abschnitte 76A, 76B stehen mit der Trommel 44 in Kontakt. Wie hier erläutert, sind die Backen 70, 72 so konfiguriert, dass sie sich in der vollständig eingerückten Position befinden, die in 2 gezeigt ist, wenn die Drehzahl des Kranzes 50 in einer ersten Richtung (im Uhrzeigersinn in 2) nicht größer ist als eine erste vorbestimmte Drehzahl.
Jede Backe 70, 72 weist eine jeweilige Öffnung 82A, 82B nahe einem Ende der Backe entgegengesetzt zum jeweiligen Stift 78A, 78B auf. Ein Ende einer Feder 84A ist am Stift 78A der Backe 70 befestigt und das andere Ende ist an der Backe 72 durch die Öffnung 82B befestigt. Ebenso ist ein Ende einer Feder 84B am Stift 78B der Backe 72 befestigt und das andere Ende ist an der Backe 70 durch die Öffnung 82A befestigt. Die Feder 84A ist dazu konfiguriert, das Ende der Backe 72 ohne Stift in Richtung des Endes der gegenüberliegenden Backe 70 mit Stift vorzubelasten. Ebenso ist die Feder 84B dazu konfiguriert, das Ende der Backe 70 ohne Stift in Richtung des Endes der gegenüberliegenden Backe 72 mit Stift vorzubelasten. Die Backen 70, 72 weisen jedoch jeweils ein ausreichendes Gewicht auf, so dass, wenn sich der Kranz 50 in einer ersten Drehrichtung dreht, die die Richtung im Uhrzeigersinn in 2 ist, eine Zentrifugalkraft verursacht, dass die Enden ohne Stift von jeder der Backen 70, 72 sich radial nach außen bewegen, wobei die Vorbelastungskraft der Federn 84A, 84B überwunden wird, so dass bei einer zweiten vorbestimmten Drehzahl des Kranzes 50 die Backen 70, 72 sich in vollständig gelöste Positionen 70A, 72A bewegt haben, die in Durchsicht gezeigt sind. Die Durchsichtlinien zeigen auch die gelösten Positionen der Federn 84A, 84B. In den vollständig gelösten Positionen 70A, 72A besteht kein Kontakt zwischen den Backen 70, 72 und der Trommel 44 und daher keine Drehmomentübertragung über die Kupplung 34.
Die gewichteten Backen 70, 72 übertragen ein Drehmoment zwischen dem Kranz 50 und der Trommel 44, wenn eine Drehzahl des Kranzes 50 in einer ersten Richtung (im Uhrzeigersinn in 2) unter einer ersten vorbestimmten Drehzahl liegt, bei der die Zentrifugalkraft nicht groß genug ist, um die Backen 70, 72 von ihren vollständig eingerückten Positionen weg zu bewegen. Die gewichteten Backen 70, 72 sind dazu konfiguriert, sich so zu bewegen, dass sie in den gelösten Positionen 70A, 72A, die in Durchsicht gezeigt sind, vollständig mit der Trommel 34 außer Kontakt stehen, um eine Drehmomentübertragung zwischen dem Kranz 50 und der Trommel 44 zu verhindern, wenn die Drehzahl des Kranzes 50 in der ersten Drehrichtung größer ist als eine zweite vorbestimmte Drehzahl. Die zweite vorbestimmte Drehzahl ist größer als die erste vorbestimmte Drehzahl. Wenn sich der Kranz 50 mit einer Drehzahl zwischen der ersten vorbestimmten Drehzahl und der zweiten vorbestimmten Drehzahl dreht, könnte ein gewisser Abschnitt der Backen 70, 72 mit der Trommel 44 in Kontakt stehen. Das heißt, die Abschnitte der Backen 70, 72, die näher an den Stiften 78A, 78B liegen, könnten immer noch mit der Trommel in Kontakt stehen, selbst wenn die Abschnitte nahe den Öffnungen 82A, 82B sich von der Trommel 34 radial nach außen bewegt haben können. In diesem Drehzahlbereich besteht ein Potential, dass eine gewisse Drehmomentübertragung über die Kupplung 34 stattfindet. Das heißt, die Kupplung 34 kann eine gewisse Drehmomentkapazität aufweisen, die geringer ist als ihre Drehmomentkapazität, wenn sie sich im vollständig eingerückten Zustand befindet. Im Fall einer Reibungskupplung wie z. B. der in der Ausführungsform in 2 gezeigten nimmt die Drehmomentkapazität der zentrifugal betätigten Kupplung 34 ab, wenn der Kranz 50 in der Drehzahl zunimmt und die Zentrifugalkraft, die auf die Backen 70, 72 wirkt, zunimmt, um der Vorbelastungskraft der Federn 84A, 84B entgegenzuwirken.
Zusätzlich zum ersten Element 60, das ein außen mit Zähnen versehenes Zahnrad ist, das sich mit dem Kranz 50 dreht, umfasst die Verzahnungsanordnung 37 von 1 auch ein zweites Element 61, das ein weiteres außen mit Zähnen versehenes Zahnrad ist, das mit dem ersten Element 60 verzahnt. Die Elemente 60, 61 können hier als Zahnräder bezeichnet werden. Das Element 61 ist an der Achse 16 angebracht und dazu konfiguriert, sich gemeinsam mit dieser zu drehen. Obwohl in der gezeigten Ausführungsform die Verzahnungsanordnung 37 ein Paar von miteinander verzahnenden Zahnrädern ist, könnte die Verzahnungsanordnung 37 in anderen Ausführungsformen statt dessen irgendein anderer kinematischer Rädertrieb sein, wie z. B. eine Planetengetriebeanordnung, und kann selektiv einrückbare Kupplungen und Bremsen umfassen, so dass verschiedene Übersetzungsverhältnisse durch die Verzahnungsanordnung hergestellt werden können. In der gezeigten Ausführungsform stellt jedoch die Verzahnungsanordnung 37 ein einzelnes Übersetzungsverhältnis vom Kranz 50 zur Achse 16 her. Das Übersetzungsverhältnis ist gleich der Anzahl von Zähnen des zweiten Elements 61, dividiert durch die Anzahl von Zähnen des ersten Elements 60. Wie in 1 ersichtlich ist, weist das zweite Element 61 einen größeren Durchmesser auf als jenen des ersten Elements 60, so dass das Übersetzungsverhältnis der Verzahnungsanordnung 37 größer ist als eins. Die Verzahnungsanordnung 37 multipliziert folglich das Drehmoment und verringert die Drehzahl vom Rotor 36 zur Achse 16.
Die Kupplung 34 ist ”selbstbetätigend”, da die Zentrifugalkraft allein verursacht, dass sie ausrückt, und das Verlangsamen der Drehzahl des Kranzes 50 die Zentrifugalkraft verringert, um zu ermöglichen, dass die Kupplung 34 einrückt. Folglich wird Hydraulikfluid nicht verwendet, um die Kupplung 34 einzurücken, und ihre zugehörigen Pumpverluste und Drehverluste werden nicht erlitten. Der Einrückzustand der Kupplung 34 hängt von der Drehzahl des Kranzes 50 und von der relativen Drehzahl des Kranzes 50 und der Trommel 44 ab und ist von der Drehzahl des Rotors 36 unabhängig, wenn die Drehzahl des Kranzes 50 über der zweiten vorbestimmten Drehzahl liegt.
In einer Ausführungsform können das Gewicht der Backen 70, 72 und die Steifigkeit der Federn 84A, 84B so konfiguriert sein, dass die zweite vorbestimmte Drehzahl, bei der sich die Backen 70, 72 in der vollständig ausgerückten Position befinden, über einer Fahrzeuggeschwindigkeit auftritt, bei der eine Motorunterstützung nicht erforderlich ist und die Kraftmaschine 26 allein den Antrieb schafft. Die Kupplung 34 kann folglich ausrücken und eine Verschiebung des Betriebsmodus von einem ersten Bereich von Fahrzeuggeschwindigkeiten, bei denen die Kupplung 34 vollständig eingerückt ist, so dass der Motor 32 eine Antriebskraft zur Achse 16 liefert, zu einem zweiten Bereich von Fahrzeuggeschwindigkeiten, die höher sind als die Geschwindigkeiten des ersten Bereichs als der erste, bei denen die Kupplung 34 vollständig ausgerückt ist, bewirken. Da der Kranz 50 mit den Rädern 18 über die Achse 16 wirksam verbunden ist, wirkt sich die Drehzahl der Räder 18 auf die Anwendungskraft der Kupplung 34 aus, aber die Drehzahl des Rotors 36 hat keine Auswirkung auf die Anwendungskraft der Kupplung 34, nachdem die Kupplung 34 den Motor 32 durch Selbstbetätigung aufgrund der Zentrifugalkraft wirksam von den Rädern 18 getrennt hat. Der Controller 30 kann den Kraftfluss zum Stator 35 stoppen oder kann einen Kraftfluss vorsehen, um ein Rückwärtsdrehmoment auf den Stator 35 aufzubringen, um zu bewirken, dass der Rotor 36 verlangsamt und stoppt, während die Kraftmaschine 26 allein eine Antriebskraft an der Achse 12 bei Drehzahlen über der zweiten vorbestimmten Drehzahl bereitstellt.
Raddrehzahlsensoren 88 können mit dem Controller 30 wirksam verbunden sein und Sensorsignale zum Controller 30 liefern, die die Drehzahl der Räder 18 und der Achse 16 angeben. Der Controller 30 setzt die Drehzahl der Achse 16 zur Drehzahl des Kranzes 50 unter Verwendung des Übersetzungsverhältnisses der Verzahnungsanordnung 37 in Beziehung. Die Raddrehzahlsensoren 88 können Antiblockierbremssensoren sein. Die Raddrehzahlsensoren 88 liefern Sensorsignale zum Controller 30, die die Drehzahl der Achse 16 und die Drehzahl des Kranzes 50 angeben, und geben folglich die Drehmomentkapazität der Kupplung 34 an, wie z. B. ob die Kupplung 34 vollständig eingerückt, vollständig gelöst ist oder sich zwischen den zwei Zuständen befindet und potentiell ein gewisses Drehmoment trägt. Eine oder beide der Drehzahl des Rotors 36 und der Drehzahl der Achse 16 können mit Daten verglichen werden, die in einer Nachschlagetabelle im Controller 30 gespeichert sind, um drei verschiedene Geschwindigkeitsbereiche des Fahrzeugs 10 festzulegen. Ein erster Geschwindigkeitsbereich kann identifiziert werden, in dem die Kupplung 34 eingerückt ist und die Kupplungskapazität die Drehmomentkapazität des Motors 32 übersteigt. Die Motorkapazität wäre auch in der Nachschlagetabelle gespeichert. Die Motordrehmomentkapazität ist typischerweise durch die Leistung begrenzt, die das Produkt von Drehmoment und Drehzahl ist, und vermindert sich daher mit der Drehzahl. Ein Synchronisationsbereich kann identifiziert werden, in dem der Motor 32 am Drehen gehalten wird, um einen Schlupf zwischen dem Rotor 36 und den Backen 70, 72 zu verhindern. Schließlich kann ein vollständig ausgerückter (d. h. vollständig gelöster) Bereich identifiziert werden, in dem durch die Kupplung 34 kein Drehmoment übertragen wird (d. h. der Kranz 50 befindet sich auf einer Drehzahl, die größer ist als die zweite vorbestimmte Drehzahl), und der Motor 32 kann daher auf eine Drehzahl von null oder eine Gleichgewichtsdrehzahl mit der Kupplung 34 verlangsamt werden, wie nachstehend erörtert.
Da die Drehzahl des Kranzes 50 anders sein kann als die Drehzahl der Trommel 44, besteht, wenn von einem ausgerückten in einen eingerückten Zustand der Kupplung 34 übergegangen wird, das heißt, wenn die Drehzahl des Kranzes 50 sich verlangsamt, das Potential für einen Schlupf der Kupplung 34 zwischen den Backen 70, 72 und der Trommel 44. Der Controller 30 besitzt jedoch einen gespeicherten Algorithmus, der die Drehzahl des Rotors 36 und das durch den Rotor 36 aufgebrachte Drehmoment steuert, um den Schlupf zu verringern oder zu beseitigen, so dass die Drehenergie nicht als Wärme verschwendet wird oder plötzlich von den Rädern 18 entfernt wird, um den Rotor 36 zu beschleunigen. Der Schlupf kann zumindest teilweise auf der Basis der Drehzahl des Rotors 36 berechnet werden, wie durch die Sensorsignale angegeben, die vom Motordrehzahlsensor 46 empfangen werden. Eine Änderung der Drehzahl des Rotors 36 kann beispielsweise auf einen anfänglichen Kontakt der Backen 70, 72 mit der Trommel 44 oder ein Lösen der Backen 70, 72 von der Trommel 44 hinweisen.
Da ein Betriebsmodus, in dem nur die Kraftmaschine 26 das Fahrzeug 10 antreibt, über der zweiten vorbestimmten Drehzahl des Kranzes 50 erwünscht ist, kann, wenn der Controller 30 feststellt, dass die Drehzahl des Kranzes 50 über der zweiten vorbestimmten Drehzahl liegt, und die gewichteten Backen 70, 72 daher vollständig ausgerückt sind, der Controller 30 bewirken, dass die Drehzahl des Rotors 36, wie durch den Motordrehzahlsensor 46 angegeben, verlangsamt oder stoppt. Da der Rotor 36 sich nicht drehen muss, wenn die Drehzahl des Kranzes 50 über der zweiten vorbestimmten Drehzahl liegt, kann das Verhältnis der Verzahnungsanordnung 60 größer sein und der Motor 32 kann eine kleinere Größe aufweisen als es ansonsten erforderlich wäre, um dieselbe Menge an Drehmoment zur Achse 16 zu liefern.
Der Controller 30 kann folglich die Drehmomentkapazität der zentrifugal betätigten Kupplung 34 unter Verwendung des gespeicherten Algorithmus, auf der Basis zumindest teilweise der Drehzahl des Rotors 36, der Drehzahl der Achse 16 und des Drehmoments des Motors 32 bestimmen. Das Drehmoment des Motors 32 kann durch Überwachen des Stromflusses zum Stator 35 bestimmt werden. Auf der Basis der Drehmomentkapazität der Kupplung 34, wie so bestimmt, kann der Controller 30 dann Steuersignale liefern, so dass der zum Rotor 36 gelieferte Strom die Drehzahl oder das Drehmoment des Rotors 36 oder beide auf der Basis der Drehmomentkapazität der zentrifugal betätigten Kupplung 34 anpasst, um den Schlupf zu verringern oder zu vermeiden.
Wenn der Motor 32 wirksam mit den Rädern 18 über die Kupplung 34 und die Verzahnungsanordnung 37 verbunden werden muss, wenn die Räder 18 verlangsamen, kann folglich die Drehzahl des Rotors 36 auf der Basis der Sensorsignale vom Motorsensor 46 verwendet werden, um den Beginn des Schließens der Kupplung 34 zu detektieren, und kann auf die Motorbewegung durch Hinzufügen des Drehmoments zum Motor 32 reagieren, um die Ausgangsdrehmomentstörung zu beseitigen oder zu verringern (z. B. Synchronisieren des Schlupfs der Kupplung 34 auf null).
Das Steuern des Schlupfs der Kupplung 34 vermeidet oder minimiert die von der Nutzarbeit in Wärme transformierte Energie in der Kupplung 34 während der Verwendung des Motors 32 und vermeidet oder minimiert die Ausgangsstörung, wenn die Kupplung 34 von einem ausgerückten in einen eingerückten Zustand übergeht. Der Beginn des Schließens der Kupplung 34 und die Drehmomentkapazität der Kupplung 34 können nur auf der Basis von anderen Kupplungsbetriebseigenschaften bestimmt werden, wie z. B. der Drehzahl der Kupplung 34 sowie der Drehrichtung des Kranzes 50 relativ zur Trommel 44 oder des Aufbringens eines Drehmoments zwischen dem Kranz 50 und der Trommel 44. Um einen Zustand zu vermeiden, in dem sich der Motor 32 drehen muss, um einen Widerstand zu vermeiden, aber kein signifikantes Drehmoment aufbringen kann, kann die Zentrifugalkupplung 34 selbstanwendend mit Drehmoment sein, was ein positives Motordrehmoment bewirkt, um die Kapazität einer Reibungsverbindung über die Kupplung 34 zu verstärken.
Wie in 1 gezeigt, ist der Rotor 36 an der Trommel 44 befestigt, und wie in 2 gezeigt, würde ein Drehmoment im Uhrzeigersinn vom Motor 32 zur Achse 16 die Anwendung der Kupplung 34 verstärken, und ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn vom Motor 32 würde die Kapazität der Kupplung 34 verringern. Dies führt zu einer asymmetrischen Drehmomentkapazität bei derselben Drehzahl für den Vorwärtsantrieb und regeneratives Bremsen des Fahrzeugs unter Verwendung des Motors 32. Das regenerative Bremsen kann üblicherweise stattfinden, wenn das Fahrzeug verlangsamt und die Kupplung 34 sich schließt.
Wenn der Kranz 50 mit den gewichteten Backen 70, 72 mit dem ersten Element 60 der Verzahnungsanordnung 37 wirksam verbunden wäre, wie in 1, und der Kupplung 34 ermöglicht wäre, sich zu schließen, wobei der Rotor 36 des Motors 32 stationär ist, dann würde die Kupplung 34 versuchen den Rotor 36 bis zu ihrer eigenen Drehzahl zu schleppen, was potentiell eine Drehmomentspitze oder einen Drehmomentstoß verursacht. Um dieses Potential für einen Stoß beim Einrücken der Kupplung 34 zu beseitigen, könnte eine Motordrehzahlerfassung wie z. B. durch den Drehzahlsensor 46 oder durch Überwachung des Stroms für den Rotor 36 verwendet werden, um zu detektieren, dass der Rotor 36 durch den Beginn des Kupplungswiderstandes gedreht wird. Der Controller 30 weist einen gespeicherten Algorithmus auf, der den Strom und dadurch das durch den Rotor 36 aufgebrachte Drehmoment verändert, um die Schlupfdrehzahl der Kupplung 34, die Drehmomentstörung und die Energie zum Einrücken zu verringern oder zu beseitigen.
Die zentrifugal betätigte Kupplung 34 kann so angeordnet sein, dass der Kranz 50 am Rotor 36 befestigt ist und die Trommel 44 am ersten Element 60 der Verzahnungsanordnung 37 befestigt ist. In diesem Fall kann die zentrifugal betätigte Kupplung 34 durch Hochdrehen des Rotors 36 betätigt werden, wenn die Drehzahl der Achse 16 auf eine Drehzahl fällt, bei der die Kupplung 34 aktiv ist. In diesem Fall könnte das Motordrehmoment (z. B. auf der Basis der Stromerfassung) verwendet werden, um das Einrücken der Kupplung zu detektieren. Ob die gewichteten Backen 70, 72 zur Drehung mit entweder dem ersten Element 60, wie in 1 gezeigt, oder dem Rotor 34 wie in einer alternativen Ausführungsform verbunden sind, kann in diesem Fall ebenso das Motordrehmoment und die Detektion des Kupplungsschlupfs durch Überwachung der Drehzahl des Rotors 36 und der Drehzahl der Achse 16 oder der Räder 18 wie z. B. über die Raddrehzahlsensoren 88 verwendet werden, um die Drehmomentkapazität der Kupplung 34 oder das Ausrücken zu finden. Auf der Basis der überwachten Informationen kann der Controller 30 die drei Drehzahlbereiche identifizieren: einen aktiven Bereich, in dem die Drehmomentkapazität der Kupplung 34 das Drehmoment des Rotors 36 übersteigt (das typischerweise mit der Drehzahl abnimmt), einen Synchronisationsbereich, in dem der Controller 30 die Drehzahl des Rotors 36 steuert, um einen Schlupf zu vermeiden, aber kein Drehmoment hinzuzufügen, und einen Bereich, in dem der Controller 30 den Stromfluss steuert, wie z. B. durch Stoppen des Stromflusses zum Motor 32, um zu ermöglichen, dass der Rotor 36 auf eine stationäre (null) Drehzahl oder eine Drehzahl herunterdreht, bei der der Widerstand des Rotors 36 an der Kupplung 34 gleich dem Widerstand der Kupplung 34 am Rotor 36 ist, was als Gleichgewichtdrehzahl bezeichnet wird.
Ein Verfahren zum Steuern eines Hybridfahrzeugs wie z. B. des Fahrzeugs 10 umfasst folglich die Überwachung einer Drehzahl eines Rotors 36 eines Elektromotors 32 und das Verändern entweder der Drehzahl des Rotors 36 oder des Drehmoments des Rotors 36, wenn die überwachte Drehzahl des Rotors 36 darauf hinweist, dass die zentrifugal betätigte Kupplung 34 schleift. Die Überwachung der Drehzahl des Rotors 36 kann durch Empfangen von Sensorsignalen vom Motordrehzahlsensor 46 stattfinden. Das Verfahren kann auch das Überwachen der Drehzahl der Achse 16 über die Raddrehzahlsensoren 88 umfassen.
Das Verfahren kann das Bestimmen der Drehmomentkapazität der zentrifugal betätigten Kupplung 34 auf der Basis der Drehzahl des Rotors 36 und der Drehzahl der Achse 16 und das Verändern der Drehzahl des Rotors 36 auf der Basis der Drehmomentkapazität der zentrifugal betätigten Kupplung 34 umfassen, um den Schlupf der Kupplung zu verringern, wenn die Drehzahl der Achse 16 geringer ist als eine vorbestimmte Drehzahl. Das heißt, wenn die Drehzahl der Achse 16 der Drehzahl des Kranzes 50 entspricht, die geringer ist als die zweite vorbestimmte Drehzahl, dann kann der Rotor 36 hinsichtlich der Drehzahl eingestellt werden, um die Drehmomentkapazität der Kupplung 34 zu erhöhen oder zu verringern, wie es erwünscht ist.
Das Verfahren kann auch das Überwachen des Stromflusses zum Motor 32 und das Bestimmen des Drehmoments des Rotors 36 auf der Basis des überwachten Stromflusses umfassen. Der Controller 30 kann dann den Stromfluss zum Motor 32 stoppen, wenn die Drehzahl des Rotors 36, die Drehzahl der Achse 16 und das Drehmoment des Rotors 36 darauf hinweisen, dass die zentrifugal betätigte Kupplung 34 nicht eingerückt ist.
Obwohl die zentrifugal betätigte Kupplung 34 mit gewichteten Backen 70, 72 gezeigt ist, die von einem Ende nach außen schwenken, und folglich einen Schlupf während eines Bereichs von Drehzahlen verursachen kann, wenn die Backen nicht vollständig außer Kontakt mit der Trommel 44 geschwenkt sind, könnte die Kupplung 34 in einer anderen Ausführungsform eine zentrifugal betätigte Kupplung vom Klauentyp sein, in der die gewichteten Backen auch als Klauen bezeichnet werden können. Die gewichteten Backen würden in einer solchen Ausführungsform nicht nach außen schwenken, sondern würden sich vom Kranz 50 direkt radial nach außen bewegen, was gegen Federn wirkt, wenn eine Vorbelastungskraft der Federn überwunden wird, wie z. B. wenn eine vorbestimmte Drehzahl erfüllt oder überschritten wird. Die Backen in einer solchen Ausführungsform werden sauberer eingerückt und ausgerückt und weisen keinen Bereich von Drehzahlen zwischen vollständig gelöst und vollständig eingerückt auf, bei denen ein Schlupf auftreten kann.
Obwohl die besten Arten zur Ausführung der vielen Aspekte der vorliegenden Lehren im Einzelnen beschrieben wurden, erkennt der Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich diese Lehren beziehen, verschiedene alternative Aspekte zur Ausführung der vorliegenden Lehren, die innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Hybridfahrzeug mit Rädern, das umfasst: einen Elektromotor mit einem drehbaren Rotor; eine zentrifugal betätigte Kupplung mit einem ersten drehbaren Element, einem zweiten drehbaren Element und mindestens einem Aktuatorelement, das am ersten drehbaren Element befestigt ist; wobei eines des ersten drehbaren Elements und des zweiten drehbaren Elements mit den Rädern wirksam verbunden ist und das andere des ersten drehbaren Elements und des zweiten drehbaren Elements mit dem Rotor wirksam verbunden ist; wobei das mindestens eine Aktuatorelement dazu konfiguriert ist, ein Drehmoment zwischen dem ersten drehbaren Element und dem zweiten drehbaren Element in einem Ausmaß zu übertragen, das aufgrund der Zentrifugalkraft an dem mindestens einen Aktuatorelement abnimmt, wenn eine Drehzahl des ersten drehbaren Elements zunimmt.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine Verzahnungsanordnung, die mit den Rädern wirksam verbunden ist und ein Element aufweist, das zur Drehung mit dem einen des ersten drehbaren Elements und des zweiten drehbaren Elements, das mit den Rädern wirksam verbunden ist, verbunden ist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, das ferner umfasst: einen Controller, der mit dem Elektromotor wirksam verbunden ist und betriebsfähig ist, um die Drehzahl des Rotors zu bestimmen; wobei der Controller betriebsfähig ist, um die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Rotors zu verändern, um Schlupf zwischen dem mindestens einen Aktuatorelement und dem anderen des ersten drehbaren Elements und des zweiten drehbaren Elements zu verringern.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 3, wobei der Controller die Drehzahl des Rotors auf der Basis eines Motordrehzahlsensors, eines zum Motor fließenden Stroms und/oder einer dem Strom zugeordneten Spannung bestimmt.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 4, wobei der Controller mit den Rädern wirksam verbunden ist und betriebsfähig ist, um die Drehzahl der Räder zu bestimmen; und wobei der Controller betriebsfähig ist, um die Drehzahl des Rotors und/oder das Drehmoment des Rotors zu verändern, um Schlupf zwischen dem mindestens einen Aktuatorelement und dem anderen des ersten drehbaren Elements und des zweiten drehbaren Elements zu verringern, wie durch sowohl die Drehzahl des Rotors als auch die Drehzahl der Räder angegeben.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 5, wobei der Controller betriebsfähig ist, um die Drehmomentkapazität der zentrifugal betätigten Kupplung auf der Basis zumindest teilweise der Drehzahl des Rotors und der Drehzahl der Räder zu bestimmen; und wobei der Controller dazu konfiguriert ist, die Drehzahl des Rotors und/oder das Drehmoment des Rotors auf der Basis der Drehmomentkapazität der zentrifugal betätigten Kupplung zu verändern.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 5, wobei der Controller betriebsfähig ist, um auf der Basis zumindest teilweise der Drehzahl der Räder festzustellen, ob die zentrifugal betätigte Kupplung ausgerückt ist; und wobei der Controller betriebsfähig ist, um den Stromfluss zum Motor zu stoppen, so dass der Rotor verlangsamt, wenn die zentrifugal betätigte Kupplung ausgerückt ist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, wobei das erste drehbare Element ein Kranz ist, der mit den Rädern wirksam verbunden ist, das zweite drehbare Element eine Trommel ist, die vom Kranz radial umgeben ist und mit dem Rotor wirksam verbunden ist, und das mindestens eine Aktuatorelement eine gewichtete Backe ist, die schwenkbar am Kranz befestigt ist.
Hybridfahrzeug mit einer Achse und Rädern, die mit der Achse verbunden sind, das umfasst: einen Elektromotor mit einem drehbaren Rotor; eine zentrifugal betätigte Kupplung, die aufweist: einen Kranz, eine Trommel, die vom Kranz radial umgeben ist, und eine gewichtete Backe, die schwenkbar am Kranz befestigt ist; wobei die gewichtete Backe dazu konfiguriert ist, ein Drehmoment zwischen dem Kranz und der Trommel zu übertragen, wenn eine Drehzahl des Kranzes in einer ersten Richtung unter einer ersten vorbestimmten Drehzahl liegt, und dazu konfiguriert ist, sich von der Trommel aufgrund der Zentrifugalkraft zu lösen, um eine Drehmomentübertragung zwischen dem Kranz und der Trommel zu verhindern, wenn die Drehzahl des Kranzes in der ersten Drehrichtung größer ist als eine zweite vorbestimmte Drehzahl; eine Verzahnungsanordnung, die mit der Achse wirksam verbunden ist und ein Element aufweist, das zur Drehung mit dem Kranz verbunden ist; wobei die Verzahnungsanordnung ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Kranz und der Achse aufweist; und wobei der Rotor dazu konfiguriert ist, sich mit der Trommel zu drehen, wobei der Elektromotor folglich von der Achse wirksam getrennt wird, wenn die Drehzahl der Achse größer ist als die zweite vorbestimmte Drehzahl, dividiert durch das Übersetzungsverhältnis.
Verfahren zum Steuern eines Hybridfahrzeugs, das umfasst: Überwachen einer Drehzahl eines Rotors eines Elektromotors; und Verändern von einer der Drehzahl des Rotors und des Drehmoments des Rotors, wenn die überwachte Drehzahl des Rotors darauf hinweist, dass eine zentrifugal betätigte Kupplung, die ein Drehmoment vom Rotor auf Fahrzeugräder überträgt, schleift; und wobei die zentrifugal betätigte Kupplung dazu konfiguriert ist, aufgrund einer Zentrifugalkraft auszurücken, wenn die Drehzahl der Fahrzeugräder zunimmt, wodurch der Rotor von den Fahrzeugrädern getrennt wird.