DE102021006071B4 - Distributor hybrid drive - Google Patents
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- F16H1/22—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion involving more than two intermeshing members with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts
Abstract
Ein Verteiler-Hybrid Antrieb für ein Fahrzeug, der, im Wesentlichen, aus einem Verbrennungsmotor VM, zwei Elektromotor/Generatoren E1, E2, einem Vierwellen Verteiler-Getriebe und einer Steuereinheit besteht, bei dem der erforderliche Teil des Drehmoments des Verbrennungsmotors VM mithilfe des Vierwellen Verteiler-Getriebes über einen mechanischen Antriebsstrang auf eine Antriebsachse AA des Fahrzeugs übertragen wird und der überschüssige Teil des Drehmoments des Verbrennungsmotors VM von den Elektromotor/Generatoren E1, E2aufgenommen wird um den Fahrzeugakkumulator zu laden; wobei, unabhängig von den Drehmoment Anforderungen der Antriebsachse AA, der Verbrennungsmotor VM mit einer konstanten Drehzahl und einem konstanten Drehmoment mit seinem höchstmöglichen Wirkungsgrad läuft.Der höchstmögliche Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors VM wird mithilfe einer Steuereinheit durch die Zusammenwirkung der drei Regler gewährleistet:- einen ersten Regler für eine konstante Drehzahl des Verbrennungsmotors VM, der auf die Zufuhr des Brennstoffs an den Verbrennungsmotor VM wirkt;- einen zweiten Regler für ein konstantes Drehmoment des Verbrennungsmotors VM,der durch die Änderung des Drehmoments des Elektromotor/Generators E1das konstante Drehmoment an der Motorwelle WMhält;- einen dritten Regler, dieser den Drehmoment Anteil des Verbrennungsmotors VM für die Übertragung auf die Antriebsachse AA bestimmt, indem er eine Änderung der Drehmoment Verteilung bei dem Verteiler-Hybrid Antrieb durch die Änderung des Drehmoments des Elektromotor/Generators E2bewirkt.Die Verteilung des Drehmoments des Verbrennungsmotors VM erfolgt mithilfe eines Vierwellen Verteiler-Getriebes, bei diesem:- das Drehmoment des Verbrennungsmotors VM über die Welle W1dem Getriebe zugeführt wird und mithilfe von Zahnrädern auf zwei Antriebszweige verteilt wird;- in jedem Antriebszweig ein Verteiler Käfig VK1, VK2vom Typ eines Planetenzahnradgetriebes eingebaut ist, mit dessen Hilfe das zugeführte Drehmoment in jedem Antriebszweig, in einem bestimmten Verhältnis, in einen kleineren und einen größeren Teil aufgeteilt wird;- ein Teil des Drehmoments der beiden Verteiler Käfige VK1, VK2wird über die Wellen W2, W3jeweils auf einen Elektromotor/Generator E1, E2übertragen, diesen Drehmomente jeweils mithilfe des zweiten und des dritten Reglers in der Steuerung des Verteiler-Hybrid Antriebs wie oben definiert geregelt werden;- der zweite Teil des Drehmoments der beiden Verteiler Käfige VK1, VK2wird auf das Zahnrad Z4übertragen, wobei diese zwei Drehmoment Teile am Zahnrad Z4in die Gegenrichtung wirken;- die Drehmoment Differenz am Zahnrad Z4bestimmt das Drehmoment an der Welle W4und wird auf die Antriebsachse AA des Fahrzeugs übertragen;- wobei jeder Verteiler Käfig VK1, VK2drei rotierenden Elemente enthält: Der Käfig selber und die zwei seiner Wellen; in beiden Antriebszweigen darf das Drehmoment wahlweise an jedes rotierende Element der Verteiler Käfige VK1, VK2angelegt und wahlweise von jedem der zwei verbliebenen Elemente kann das Drehmoment für die Antriebsachse AA abgeleitet werden, an das dritte rotierende Element wird jeweils einer der Elektromotor/Generatoren E1, E2angeschlossen; durch die Wahl der verschiedenen Verbindung Kombinationen der rotierenden Elemente in beiden Antriebszweigen werden verschiedene Drehmoment Übersetzungen zwischen den vier Wellen W1, W2, W3, W4des Getriebes erzielt um den Verteiler-Hybrid Antrieb für die verschiedenen Anwendungen anzupassen.A distributor hybrid drive for a vehicle, which essentially consists of an internal combustion engine VM, two electric motor/generators E1, E2, a four-shaft distributor gearbox and a control unit in which the required part of the torque of the internal combustion engine VM is generated using the four-shaft Distributor transmission is transmitted via a mechanical drive train to a drive axle AA of the vehicle and the excess part of the torque of the internal combustion engine VM is absorbed by the electric motor/generators E1, E2 in order to charge the vehicle accumulator; whereby, regardless of the torque requirements of the drive axle AA, the internal combustion engine VM runs at a constant speed and a constant torque with its highest possible efficiency. The highest possible efficiency of the internal combustion engine VM is ensured using a control unit through the interaction of the three controllers: - a first controller for a constant speed of the internal combustion engine VM, which acts on the supply of fuel to the internal combustion engine VM; - a second regulator for a constant torque of the internal combustion engine VM, which maintains the constant torque on the motor shaft WM by changing the torque of the electric motor/generator E1; - a third controller, which determines the torque portion of the internal combustion engine VM for transmission to the drive axle AA by causing a change in the torque distribution in the distributor hybrid drive by changing the torque of the electric motor/generator E2. The distribution of the torque of the The internal combustion engine VM is carried out using a four-shaft distributor gearbox, in which: - the torque of the internal combustion engine VM is supplied to the transmission via the shaft W1 and is distributed to two drive branches using gears; - a distributor cage VK1, VK2 of the type of a planetary gear transmission is installed in each drive branch is, with the help of which the supplied torque in each drive branch is divided into a smaller and a larger part in a certain ratio; - part of the torque of the two distributor cages VK1, VK2 is transferred via the shafts W2, W3 to an electric motor/generator E1, E2, these torques are respectively regulated using the second and third regulators in the control of the distributor hybrid drive as defined above; - the second part of the torque of the two distributor cages VK1, VK2 is transmitted to the gear Z4, these two torque Parts on the gear Z4 act in the opposite direction; - the torque difference on the gear Z4 determines the torque on the shaft W4 and is transmitted to the drive axle AA of the vehicle; - each distributor cage VK1, VK2 contains three rotating elements: the cage itself and the two of its shafts ; In both drive branches, the torque can be applied either to each rotating element of the distributor cages VK1, VK2 and the torque for the drive axle AA can be derived from each of the two remaining elements. One of the electric motors/generators E1, E2 is connected to the third rotating element ; By choosing the different connection combinations of the rotating elements in both drive branches, different torque ratios are achieved between the four shafts W1, W2, W3, W4 of the transmission in order to adapt the distributor hybrid drive for the different applications.
Description
Die Umstellung des Autoverkehrs vom Verbrennungsmotor auf den elektrischen Antrieb hat sich nicht einfach erwiesen. Das größte Problem bei den elektrischen Autos ist die niedrige Energiedichte des Autoakkumulators. Bei der gleichen Energie Menge ist ein Autoakkumulator um das 10-fache schwerer als ein Benzintank. Um eine längere Strecke zu fahren können übersteigt das Gewicht des Autoakkumulators das Gewicht der Nutzlast, die das Auto transportieren kann. Nach dem heutigen Entwicklungsstand ist ein elektrischer Autoantrieb für die kürzeren Strecken geeignet, für die längeren Strecken werden Kompromisslösungen gesucht. Es wurden verschiedene Hybrid Antriebe entwickelt die einen elektrischen Antrieb mit einem Verbrennungsmotor zur einen Antriebseinheit verbinden.Switching automobile traffic from combustion engines to electric drives has not proven easy. The biggest problem with electric cars is the low energy density of the car battery. For the same amount of energy, a car battery is 10 times heavier than a gasoline tank. In order to be able to drive a longer distance, the weight of the car battery exceeds the weight of the payload that the car can carry. Based on the current state of development, an electric car drive is suitable for shorter journeys, but compromise solutions are sought for longer journeys. Various hybrid drives have been developed that combine an electric drive with an internal combustion engine to form a drive unit.
Die meisten Hybrid Antriebe lassen sich der einen von zwei Gruppen der Hybrid Antriebe zuordnen, einem Parallel-Hybrid Antrieb oder einem Seriell-Hybrid Antrieb. Bei einem Parallel-Hybrid Antrieb wird der Antrieb mit einem Verbrennungsmotor mit ein oder zwei Elektromotor/Generatoren ergänzt um den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu steigern; sprich, die Energieeffizienz des Antriebs zu verbessern. Bei den Technischen Daten eines Verbrennungsmotors werden traditionell seine höchste Leistung, sein größtes Drehmoment und sein bester Wirkungsgrad angegeben. Im realen Betrieb wird der Verbrennungsmotor weit entfernt von seinen bestmöglichen technischen Werten betrieben.Most hybrid drives can be assigned to one of two groups of hybrid drives, a parallel hybrid drive or a series hybrid drive. In a parallel hybrid drive, the drive is supplemented with an internal combustion engine with one or two electric motors/generators in order to increase the efficiency of the internal combustion engine; i.e. to improve the energy efficiency of the drive. The technical data of an internal combustion engine traditionally indicates its highest power, its highest torque and its best efficiency. In real operation, the combustion engine is operated far from its best possible technical values.
Die von einer rotierenden Welle übertragene Leistung (P), auch die von einer rotierenden Motorwelle, wird in physikalischen Einheiten Watt als Produkt berechnet: Zwei Mal die Zahl Pi Mal die Drehzahl (N) in Umdrehungen pro Sekunde Mal das Drehmoment (M) in Newton*Meter,
Um die Drehzahl N konstant zu halten werden bei den Verbrennungsmotoren die Drehzahlregler verbreitet eingesetzt. Läuft der Verbrennungsmotor im Leerlauf mit einer konstanten Drehzahl N aber ohne einen Widerstand mit dem Drehmoment M = 0, sind seine Leistung P und sein Wirkungsgrad gleich Null. Mit der Erhöhung des Drehmoments M steigen seine Leistung P und sein Wirkungsgrad bis zu einem bestimmten Lastpunkt M. Bei einem Verbrennungsmotor wird die zugeführte Wärmeenergie zu einem Teil in die mechanische Energie umgewandelt; nach der Übersteigung eines bestimmten Lastpunktes M bzw. bei einer Überlastung des Motors sinkt diese Umwandlungsquote, auch Wirkungsgrad genannt, der Motor ist weiterhin in der Lage mehr mechanische Leistung zu erzeugen aber mit einem niedrigeren Wirkungsgrad und überhitzt. Für jede Drehzahl des Motors existiert der Lastpunkt M mit dem höchsten Wirkungsgrad. Die Menge dieser höchsten Wirkungsgrad Punkte bezüglich der Drehzahl des Motors bildet in einem Diagramm die Wirkungsgradkurve des Verbrennungsmotors. Dieser Kurve ist bei einer bestimmten Drehzahl der höchstmögliche Wirkungsgrad des Motors abzulesen, der bei den Technischen Daten des Motors angegeben wird. Die Wirkungsgrad Kurve bezüglich der Drehzahl des Motors weist keine Bergspitze auf sondern zeigt einen sanften verlauf; für jeden Verbrennungsmotor lässt sich ein effizienter Drehzahlbereich ermitteln innerhalb diesen der Wirkungsgrad des Motors von seinem höchsten Wert unwesentlich unterscheidet. Bei einem Auto mit Verbrennungsmotor wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors in den effizienten Drehzahlbereich mithilfe eines Schaltgetriebes gebracht. Gemäß der Formel (1) soll für die Leistung Berechnung des Motors das Drehmoment M berücksichtigt werden, der von dem Straßenwiderstand bestimmt wird. Die meisten Autos auf der Straße sind übermotorisiert und fahren mit einem Bruchteil ihrer höchsten Leistung unter dem Lastpunkt M des Motors mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad. An diese Leistungsdifferenz knüpft der Parallel-Hybrid Antrieb an.In order to keep the speed N constant, speed controllers are widely used in internal combustion engines. If the internal combustion engine runs idle at a constant speed N but without resistance with torque M = 0, its power P and its efficiency are equal to zero. As the torque M increases, its power P and its efficiency increase up to a certain load point M. In an internal combustion engine, some of the thermal energy supplied is converted into mechanical energy; After a certain load point M is exceeded or if the motor is overloaded, this conversion rate, also called efficiency, drops; the motor is still able to generate more mechanical power but with a lower efficiency and overheats. For each engine speed, there is a load point M with the highest efficiency. The set of these highest efficiency points in relation to the speed of the engine forms the efficiency curve of the internal combustion engine in a diagram. This curve shows the highest possible efficiency of the engine at a certain speed, which is stated in the engine's technical data. The efficiency curve with regard to the speed of the motor does not have a peak but shows a gentle progression; An efficient speed range can be determined for each internal combustion engine within which the efficiency of the engine differs insignificantly from its highest value. In a car with an internal combustion engine, the speed of the internal combustion engine is brought into the efficient speed range using a manual transmission. According to formula (1), the torque M, which is determined by the road resistance, should be taken into account when calculating the power of the engine. Most cars on the road are overpowered and operate at a fraction of their peak power under the load point M of the engine at its highest possible efficiency. The parallel hybrid drive builds on this performance difference.
Bei einem Parallel-Hybrid Antrieb werden an den Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor ein oder zwei Elektromotor/Generatoren angeschlossen welche die überschüssige Leistung des Verbrennungsmotors aufnehmen und in die elektrische Energie umwandeln können, diese im Autoakkumulator gespeichert wird und, beim Bedarf, benutzt werden kann. Die Zahl der Elektromotor/Generatoren ist durch die konstruktive Zusammensetzung und durch die elektrische Steuerung des Parallel-Hybrid Antriebs bestimmt. Die Elektromotor/Generatoren funktionieren quasi wie elektrische Bremsen um bei geringem Straßenwiderstand den Verbrennungsmotor auszulasten; nebenbei können sie die Bremsenergie des Autos beim Bremsen oder im Schiebebetrieb bergab aufnehmen und im Autoakkumulator abspeichern.In a parallel hybrid drive, one or two electric motors/generators are connected to the drive train with an internal combustion engine, which can absorb the excess power of the internal combustion engine and convert it into electrical energy, which is stored in the car battery and can be used when needed. The number of electric motors/generators is determined by the structural composition and the electrical control of the parallel hybrid drive. The electric motor/generators function like electric brakes to utilize the combustion engine when road resistance is low; In addition, they can absorb the braking energy of the car when braking or when coasting downhill and store it in the car accumulator.
Die Auslastung des Verbrennungsmotors bei geringem Straßenwiderstand mithilfe von Elektromotor/Generatoren hat einen höheren Spritverbrauch zufolge als es für das Befahren dieses Straßenabschnitts notwendig wäre. Diese Eigenschaft des Parallel-Hybrid Antriebs wird damit rechtfertigt, dass die mechanische Energie des Verbrennungsmotors, die von den Elektromotor/Generatoren aufgenommen ist, nicht verloren geht sondern im Autoakkumulator gespeichert wird. Diese Rechtfertigung stimmt nur teilweise. Die mechanische Energie des Verbrennungsmotors wird zunächst in den Elektromotor/Generatoren in elektrische Energie umgewandelt, die elektrische Energie wird im Autoakkumulator in die chemische Energie umgewandelt, anschließend, beim Bedarf, wird die chemische Energie zurück in die elektrische Energie umgewandelt und von den Elektromotor/Generatoren als mechanische Energie an die Antriebsachse des Autos abgegeben. Jede dieser Umwandlungsstufen hat einen eigenen Wirkungsgrad und ist mit Energieverlusten verbunden. Anstatt der genannten Umwandlungen könnte diese Energie im Benzintank des Autos auf seinen Gebrauch abwarten. Bei dem Parallel-Hybrid Antrieb funktioniert der elektrische Antriebsstrang parallel zu dem mechanischen Antriebsstrang; wobei im elektrischen Antriebsstrang bis zu 20% der mechanischen Energie in die Wärme umgewandelt wird, während im mechanischen Antriebsstrang nur bis zu 2% der mechanischen Energie verloren geht. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors wird auf übliche weise mithilfe eines Schaltgetriebes geändert und kann bei dem Parallel-Hybrid Antrieb nicht konstant gehalten werden. Eine Sprit Ersparung bei einem Auto mit dem Parallel-Hybrid Antrieb wird erreicht wenn der Autoakkumulator vor der Fahrt vollgeladen ist.Utilizing the combustion engine at low road resistance with the help of electric motors/generators results in higher fuel consumption than would be necessary to drive on this section of road. This property of the parallel hybrid drive is justified by the fact that the mechanical energy of the combustion engine, which is absorbed by the electric motor/generators, is not lost but is stored in the car battery. This justification is only partially true. The mechanical energy of the internal combustion engine is first converted into electrical energy in the electric motor/generators, the electrical energy is converted into the car battery chemical energy is converted, then, when required, the chemical energy is converted back into electrical energy and delivered by the electric motor/generators as mechanical energy to the drive axle of the car. Each of these conversion stages has its own efficiency and is associated with energy losses. Instead of the conversions mentioned, this energy could wait in the car's gas tank to be used. With the parallel hybrid drive, the electric drive train works in parallel to the mechanical drive train; Up to 20% of the mechanical energy is converted into heat in the electrical drive train, while only up to 2% of the mechanical energy is lost in the mechanical drive train. The speed of the combustion engine is usually changed using a manual transmission and cannot be kept constant with the parallel hybrid drive. Fuel savings in a car with a parallel hybrid drive are achieved if the car battery is fully charged before driving.
Die Nachteile eines Parallel-Hybrid Antriebs sollen mit dem Seriell-Hybrid Antrieb beseitigt werden. Das Auto mit einem elektrischen Antrieb wird zum Zweck der Gewichtsreduzierung mit einem vergleichsweise kleineren Autoakkumulator ausgestattet; auf Basis der entstandenen Gewichtsersparung wird der elektrische Antrieb mit einer Einheit, bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Generator, ergänzt um den Autoakkumulator während der Fahrt, beim Bedarf, zu laden. Bei einem Seriell-Hybrid Antrieb ist der Verbrennungsmotor von der Antriebsachse des Autos abgekoppelt und läuft mit einer konstanten Drehzahl in einem Lastpunkt mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad. Zu den Nachteilen des Seriell-Hybrid Autos zählt, dass die Verbrennungsmotor-Generator Einheit ständig mitgefahren werden muss, was für die kürzeren Strecken nicht notwendig wäre. Zudem wird die gesamte mechanische Leistung des Verbrennungsmotors über den elektrischen Antriebsstrang mit den entsprechenden Umwandlungsverlusten an die Antriebsachse des Autos gebracht, während bei dem Parallel-Hybrid Antrieb nur ein Teil der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors über den elektrischen Antriebsstrang geleitet wird. Eine Kompromiss Ausführung für den Seriell-Hybrid Antrieb ist das Elektroauto, das zum Zweck der Gewichtsreduzierung mit einer kleinen Verbrennungsmotor-Generator Einheit, auch Range Extender genannt, ausgestattet ist; womit das Auto, beim Bedarf, ohne einer Fremdhilfe zur nächsten Ladesäule fahren kann. In folgenden Patent Schriften sind einige relevante Beispiele der Hybrid Antriebe für Kraftfahrzeuge beschrieben:
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US 2009 / 209 381 A1 - -
JP 2005- 9 514 A - -
US 2010 / 0 190 604 A1 - -
DE 100 21 025 A1
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US 2009 / 209 381 A1 - -
JP 2005-9 514 A - -
US 2010 / 0 190 604 A1 - -
DE 100 21 025 A1
Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.This briefly describes the state of the art.
Ein Hybrid Antrieb für das Auto bei dem der Verbrennungsmotor mit einer konstanten Drehzahl in einem Lastpunkt mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad läuft und die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors über einen mechanischen Antriebsstrang ohne die elektrische Umwandlungsverluste an die Antriebsachse des Autos geleitet wird ist heutzutage nicht bekannt. Einen Hybrid Antrieb mit genannten Eigenschaften vorzuschlagen ist die Aufgabe dieser Anmeldung. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, mit dieser ein konstantes Drehmoment des Verbrennungsmotors gehalten wird; wobei der erforderliche Teil des Drehmoments des Verbrennungsmotors über den mechanischen Antriebsstrang auf die Antriebsachse des Autos übertragen wird, der Drehmoment Überschuss des Verbrennungsmotors wird an die zwei Elektromotor/Generatoren verteilt womit ein konstantes Drehmoment des Verbrennungsmotors gewährleistet wird. Durch diese Verteilung Funktion des Drehmoments wird die Vorrichtung als Vierwellen Verteiler-Getriebe genannt und der Antrieb heißt Verteiler-Hybrid Antrieb. Verschiedene Ausführungen des Vierwellen Verteiler-Getriebes sind auf den
Die meisten Auto Antriebe sind mit einem Verteiler Getriebe ausgestattet. Das Drehmoment des Antriebs wird mithilfe eines Differenzialgetriebes an die Antriebsräder einer Antriebsachse in gleichen Teilen verteilt, weil es keinen Grund gibt ein Rad gegenüber dem Anderen zu bevorzugen. Durch die Unebenheiten der Straße und in den Kurven bekommen die Antriebsräder verschiedene Drehzahlen; unabhängig von der Drehzahl bekommt jedes Rad an der Antriebsachse vom Differenzialgetriebe das gleiche Drehmoment. Diese technische Lösung ist nur solange gut bis die beiden Antriebsräder ausreichend Grip mit dem Boden haben. Verliert ein Rad den Grip mit dem Boden und dreht durch, dann ist das Drehmoment bei diesem Rad gering, durch die Ausgleichsfunktion des Differenzialgetriebes bekommt das Gegenrad an der Antriebsachse das gleiche geringe Drehmoment und das Auto bleibt stehen. Die Betrachtung der Mittel zur Beseitigung dieses Nachteils liegt außerhalb dieses Schreibens. Das Drehmoment des Antriebs wird im Differenzialgetriebe mithilfe eines Verteiler Käfigs, auch Differenzial Käfig genannt, an die getriebenen Wellen in einem Verhältnis 50:50 bzw. 1:1 verteilt. Mit der Berücksichtigung des Drehmoments des Verteiler Käfigs wird die Drehmoment Verteilung aufgeschrieben: 100 = 50 + 50 bzw. 2 = 1 + 1; die Zahl 2 zeigt die relative Größe des Drehmoments am Differenzialkäfig bezüglich des Drehmoments an einem Rad. Der Verteiler Käfig im Differenzialgetriebe wird meistens mithilfe eines Kegelzahnradgetriebes, bestehend aus einem Kegelzahnrad, auch Ritzel genannt, und einem Tellerzahnrad, angetrieben. Die Übersetzung am Kegelzahnradgetriebe wird auch als die Endübersetzung genannt. Beträgt, beispielsweise, die Endübersetzung den Wert 10:1, dann wird die Drehmoment Verteilung für das gesamte Differenzialgetriebe an der Antriebsachse aufgeschrieben: 0,2·10 = 1 + 1; die Zahl 0,2 zeigt die relative Größe des Drehmoments an der Antriebswelle des Differenzialgetriebes an der Antriebsachse bezüglich des Drehmoments an einem Rad. Das Differenzialgetriebe an der Antriebsachse stellt eine Art dreiwellen Verteiler Getriebe dar mit einer konstanten Drehmoment Verteilung zwischen den drei Wellen. Wird, beispielsweise, an einem Rad gedreht, dann schreibt man die Drehmoment Verteilung für das Differenzialgetriebe um: 1 = 0,2·10 - 1; das Zeichen Minus zeigt, dass das Drehmoment am Gegenrad in die Gegenrichtung wirkt.Most car drives are equipped with a transfer gearbox. The torque of the drive is distributed equally to the drive wheels of a drive axle using a differential gear, because there is no reason to favor one wheel over the other. Due to the unevenness of the road and in the curves, the drive wheels get different speeds; Regardless of the speed, each wheel on the drive axle receives the same torque from the differential gear. This technical solution is only good until the two drive wheels have sufficient grip on the ground. If a wheel loses grip with the ground and spins, then the torque for this wheel is low. Due to the compensating function of the differential gear, the opposite wheel on the drive axle receives the same low torque and the car stops. The consideration of the means of eliminating this disadvantage lies outside the scope of this letter. The drive torque is distributed to the driven shafts in a ratio of 50:50 or 1:1 in the differential gear using a distributor cage, also known as a differential cage. With the torque of the distributor taken into account The torque distribution is written down in the cage: 100 = 50 + 50 or 2 = 1 + 1; The
Bei den Allradgetriebenen Autos wird das Drehmoment des Antriebs an die zwei Antriebsachsen mithilfe eines Mittendifferenzialgetriebes verteilt. Bei den meisten Autos ist der Motor vorne angebracht, somit ist die vordere Antriebsachse mehr belastet und hat einen besseren Grip mit dem Boden als die Hinterachse. Logischerweise soll die vordere Antriebsachse ein größeres Drehmoment bekommen als die Hinterachse. Die ungleiche Verteilung des Drehmoments im Mittendifferenzialgetriebe erfolgt üblicherweise mithilfe eines Verteiler Käfigs in der Ausführung eines Planetenzahnradgetriebes. Bei einem Planetenzahnradgetriebe wird der Planetenradträger angetrieben; die Planetenzahnräder verteilen das Drehmoment an das Sonnenrad in der Mitte des Getriebes und an das Hohlrad, das am Verteiler Käfig befestigt ist. Beispielsweise, wird das Drehmoment in einem Verhältnis 60:40 bzw. 1,5:1 verteilt, dies bedeutet, dass der Durchmesser des Hohlrades um anderthalb Mal größer als der Durchmesser des Sonnenrades ist; im Ringspalt zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenrad rollen die Planetenzahnräder. Das Mittendifferenzialgetriebe stellt eine Art dreiwellen Verteiler Getriebe dar mit einer konstanten Drehmoment Verteilung zwischen den drei Wellen: 100 = 60 + 40 bzw. 2,5 = 1,5 + 1; diese Drehmoment Verteilung bleibt bei allen Drehzahlen des Verteiler Käfigs und seinen Wellen bestehen; die Zahl 2,5 zeigt die relative Größe des Drehmoments am Planetenzahnradträger des Verteiler Käfigs bezüglich des Drehmoments am Sonnenrad. Die ungleiche Verteilung des Drehmoments an die zwei Antriebsachsen wirkt nur solange gut bis alle vier Räder am Auto ausreichend Grip mit dem Boden haben. Verliert, beispielsweise, ein Rad an der Hinterachse den Grip mit dem Boden und dreht durch, dann ist das Drehmoment an diesem Rad und an der Hinterachse insgesamt gering; dabei bekommt die vordere Antriebsachse vom Mittendifferenzialgetriebe ein anderthalb Mal größeres Drehmoment als das geringe Drehmoment der Hinterachse, dies für die Fortbewegung des Autos keinen wesentlichen Vorteil bringt. Die Betrachtung der Mittel zur Beseitigung dieses Nachteils liegt außerhalb dieses Schreibens.In all-wheel drive cars, the drive torque is distributed to the two drive axles using a center differential. In most cars, the engine is mounted at the front, so the front drive axle is more loaded and has better grip on the ground than the rear axle. Logically, the front drive axle should receive more torque than the rear axle. The unequal distribution of the torque in the center differential gear is usually done using a distributor cage in the form of a planetary gear gear. In a planetary gear transmission, the planet carrier is driven; The planetary gears distribute the torque to the sun gear in the center of the gearbox and to the ring gear attached to the distributor cage. For example, the torque is distributed in a ratio of 60:40 or 1.5:1, which means that the diameter of the ring gear is one and a half times larger than the diameter of the sun gear; The planetary gears roll in the annular gap between the ring gear and the sun gear. The center differential gear is a type of three-shaft distributor gear with a constant torque distribution between the three shafts: 100 = 60 + 40 or 2.5 = 1.5 + 1; this torque distribution remains at all speeds of the distributor cage and its shafts; The number 2.5 shows the relative magnitude of the torque on the planetary gear carrier of the distributor cage with respect to the torque on the sun gear. The unequal distribution of torque between the two drive axles only works well until all four wheels on the car have sufficient grip on the ground. For example, if a wheel on the rear axle loses grip with the ground and spins, then the torque on this wheel and on the rear axle as a whole is low; The front drive axle receives one and a half times more torque from the center differential gear than the low torque of the rear axle, which does not have any significant advantage for the movement of the car. The consideration of the means of eliminating this disadvantage lies outside the scope of this letter.
Für die Drehmoment Verteilung des Drehmoments des Verbrennungsmotors in einem Verteiler-Hybrid Antrieb an die Antriebsachse des Autos und an die zwei Elektromotor/Generatoren wird hier das Vierwellen Verteiler-Getriebe vorgeschlagen. Das Vierwellen Verteiler-Getriebe wird, im Wesentlichen, aus zwei Verteiler Käfige vom Typ des Planetenzahnradgetriebes zusammengebaut. Jeder der zwei Verteiler Käfige enthält drei rotierenden Elemente: Der Käfig selber und die zwei seiner Wellen. Die zwei rotierenden Elemente eines Verteiler Käfigs werden jeweils mit den zwei rotierenden Elementen des zweiten Verteiler Käfigs mithilfe von Zahnräder oder über eine Muffe in verschiedenen Kombinationen paarweise miteinander verbunden, wodurch die zwei rotierenden Verbindung Stellen entstehen und bei jedem Verteiler Käfig ein rotierendes Element frei bleibt. An die zwei rotierenden Verbindung Stellen wird jeweils eine Welle angeschlossen; diese zwei Wellen zur jeweils zwei verschiedenen Verbindung Stellen und die zwei freie rotierenden Elemente der Verteiler Käfige stellen die vier Wellen des Vierwellen Verteiler-Getriebes dar. An eine Welle zur einen Verbindung Stelle wird der Verbrennungsmotor angeschlossen, von der zweiten Welle zur zweiten Verbindung Stelle wird das Drehmoment auf die Antriebsachse des Autos übertragen. An die zwei freie rotierende Elemente der Verteiler Käfige wird jeweils ein Elektromotor/Generator angeschlossen, mit diesen die Drehmoment Verteilung unter den vier genannten Wellen gesteuert wird. Bekommt die Antriebsachse des Autos das Drehmoment von den Zahnrädern der damit verbundenen Verteiler Käfige, dann heißt dieses Vierwellen Verteiler-Getriebe vom Typ A. Bekommt die Antriebsachse des Autos das Drehmoment von den Zahnrädern der damit verbundenen zwei Wellen der Verteiler Käfige, dann heißt dieses Vierwellen Verteiler-Getriebe vom Typ B. Falls das Drehmoment an die Antriebsachse des Autos von der rotierenden Verbindung Stelle eines Verteiler Käfigs mit einer der Wellen des zweiten Verteiler Käfigs abgeleitet wird, dann heißt dieses Vierwellen Verteiler-Getriebe vom Typ C.The four-shaft distributor gearbox is proposed here for distributing the torque of the combustion engine in a distributor hybrid drive to the drive axle of the car and to the two electric motors/generators. The four-shaft distributor gearbox is, essentially, assembled from two distributor cages of the planetary gear transmission type. Each of the two distributor cages contains three rotating elements: the cage itself and the two of its shafts. The two rotating elements of a distributor cage are each connected in pairs to the two rotating elements of the second distributor cage using gears or a sleeve in various combinations, which creates the two rotating connection points and leaves one rotating element free for each distributor cage. A shaft is connected to each of the two rotating connection points; These two shafts, each to two different connection points, and the two free rotating elements of the distributor cages represent the four shafts of the four-shaft distributor gearbox. The internal combustion engine is connected to one shaft to one connection point, and from the second shaft to the second connection point transmit the torque to the drive axle of the car. An electric motor/generator is connected to the two free rotating elements of the distributor cages, with which the torque distribution among the four shafts mentioned is controlled. If the drive axle of the car gets the torque from the gears of the connected distributor cages, then this is called a four-shaft type A distributor gearbox. If the drive axle of the car gets the torque from the gears of the two shafts of the distributor cages connected to it, then this is called a four-shaft Transfer gearbox of type B. If the torque to the drive axle of the car is derived from the rotating connection point of one distributor cage with one of the shafts of the second distributor cage, then this four-shaft transfer gearbox is called type C.
Auf der
- VM
- Verbrennungsmotor,
- WM
- Motorwelle,
- W1, W2, W3, W4
- Verteiler-Getriebes Wellen,
- S1, S2, S3, S4
- Wellen Sperren,
- VK1, VK2
- Verteiler Käfige,
- Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6,
- Zahnräder,
- SG
- Schaltgetriebe,
- E1, E2
- Elektromotor/Generatoren,
- AA
- Autos Antriebs Achse.
- VM
- internal combustion engine,
- WM
- motor shaft,
- W1, W2, W3, W4
- distributor gear shafts,
- S1, S2, S3, S4
- blocking waves,
- VK1, VK2
- distributor cages,
- Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6,
- gears,
- SG
- manual transmission,
- E1, E2
- electric motor/generators,
- AA
- Cars drive axle.
Im Absatz [0003] wurde erwähnt, dass bei einem Auto mit Verbrennungsmotor die Drehzahl des Verbrennungsmotors mithilfe eines Schaltgetriebes in den effizienten Drehzahlbereich gebracht wird. Auf den
Ein Auto mit einem Hybrid Antrieb soll auch nur elektrisch oder nur mit dem Verbrennungsmotor fahren können. Die vier Wellen W1, W2, W3, W4 des Vierwellen Verteiler-Getriebes können mithilfe der jeweiligen Wellen Sperren S1, S2, S3, S4 wahlweise einzeln oder in verschiedenen Kombinationen gesperrt werden. Beispielsweise, wenn auf den
Das Drehmoment des Verbrennungsmotors VM wird auf der
Für die verschiedenen Anwendungen des Verteiler-Hybrid Antriebs können die Verteiler Käfige VK1, VK2 mit einer gleichen oder mit verschiedener Verteilung des Drehmoments eingesetzt werden. Zum Beispiel, die schwache Welle des Verteiler Käfigs VK1 auf der
Auf der
Auf der
Die Steuerung des Verteiler-Hybrid Antriebs enthält drei Regler. Mithilfe eines Drehzahlreglers wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors VM konstant gehalten, der auf die Brennstoff Zufuhr zum Verbrennungsmotor VM wirkt. Mithilfe eines Drehmomentreglers wird das Drehmoment an der Motorwelle WM konstant gehalten, der durch die Änderung des Drehmoments des Elektromotor/Generators E1 funktioniert. Mithilfe eines Drehmomentreglers wird die Drehmoment Differenz am Zahnrad Z4 für die Welle W4 geregelt, der durch die Änderung des Drehmoments des Elektromotor/Generators E2 funktioniert. Nach einer Vorgabe vom Gaspedal wird das Drehmoment des Elektromotor/Generators E2 auf der
Der Verteiler-Hybrid Antrieb wird durch die Zusammenwirkung von drei Regler gesteuert: Ein Drehzahl Regler für den Verbrennungsmotor VM und zwei Drehmoment Regler die jeweils auf die zwei Elektromotor/Generatoren E1, E2 wirken. Angenommen, auf der Abb.
1 wird die Drehmoment Differenz am Zahnrad Z4 mithilfe der zwei Drehmoment Regler beim stehenden Auto auf null geregelt. Durch die kleinen Störungen in Regelkreisen kann eine kleine Drehmoment Differenz am Zahnrad Z4 entstehen und das Auto kann in Bewegung kommen. Diesem vorzubeugen soll die Wellen Sperre S4 an der Welle W4 beim stehenden Auto von der Steuerung des Verteiler-Hybrid Antriebs geschlossen gehalten werden; dies entspricht etwa der Funktion der Handbremse, die zur Sicherung eines stehenden Autos angezogen wird. Für den Fall das Auto zu schieben oder zu schleppen müssen soll eine Entsperrung aller Wellen Sperren S1, S2, S3, S4 vorgesehen werden. Wird die Wellen Sperre S1 gesperrt, dann wird der Verteiler-Hybrid Antrieb zu einem elektrischen Antrieb mit zwei Elektromotor/Generatoren E1, E2. Wird eine von Wellen Sperren S2, oder S3 gesperrt dann wird der Verteiler-Hybrid Antrieb zu einem Parallel-Hybrid Antrieb mit wahlweise einem Elektromotor/Generator E1 oder E2. Für das Fahren im Modus eines Parallel-Hybrid Antriebs oder, beim Bedarf, nur mit dem Verbrennungsmotor VM soll eine stufenlose Änderung der Drehzahlvorgabe am Drehzahl Regler für den Verbrennungsmotor VM vorgesehen werden um die Geschwindigkeit des Autos zu ändern können, weil der Regler für die Einhaltung der Drehmoment Differenz am Zahnrad Z4 entfällt.The distributor hybrid drive is controlled by the interaction of three controllers: a speed controller for the combustion engine VM and two torque controllers, which each act on the two electric motors/generators E 1 , E 2 . Suppose that in the fig.
1, the torque difference on gear Z 4 is regulated to zero using the two torque controllers when the car is stationary. The small disturbances in control loops can create a small torque difference on gear Z 4 and the car can start moving. To prevent this, the shaft lock S 4 on the shaft W 4 should be kept closed by the control of the distributor hybrid drive when the car is stationary; This roughly corresponds to the function of the handbrake, which is applied to secure a stationary car. In the event that the car has to be pushed or towed, an unlocking of all shaft locks S 1 , S 2 , S 3 , S 4 should be provided. If the shaft lock S 1 is blocked, then the distributor hybrid drive becomes an electric drive with two electric motors/generators E 1 , E 2 . If one of the shaft locks S 2 or S 3 is locked then the distributor hybrid drive becomes a parallel hybrid drive with either an electric motor/generator E 1 or E 2 . For driving in the mode of a parallel hybrid drive or, if necessary, only with the combustion engine VM, a stepless change in the speed setting on the speed controller for the combustion engine VM should be provided in order to be able to change the speed of the car because the controller ensures compliance the torque difference on gear Z 4 is eliminated.
Die Funktionsweise des Verteiler-Hybrid Antriebs lässt sich wie folgt beschreiben. Das Drehmoment des Verbrennungsmotors VM auf der
Auf der
Eine mögliche Ausführung des Vierwellen Verteiler-Getriebes für Verteiler-Hybrid Antrieb vom Typ B ist auf der
Für die Unterbringung des Vierwellen Verteiler-Getriebes in bestehenden Auto Karosserien können die Bestandteile des Getriebes anstatt in einem Gehäuse in kleineren Teilgehäsen verbaut werden. Eine mögliche Aufteilung des Getriebes ist auf der
Auf der
Im Absatz [0006] wurde ein Seriell-Hybrid Antrieb mit einem kleinen Verbrennungsmotor als Range Extender erwähnt. Der Verteiler-Hybrid Antrieb ist für den Einsatz eines kleinen Verbrennungsmotors gut geeignet. Das kleine Drehmoment von einem kleinen Verbrennungsmotor soll logischerweise an die Verbindung Stelle von zwei schwachen Wellen der Verteiler Käfige VK1 und VK2 angebracht werden um in einem Antrieb mit den größeren Drehmomenten der Elektromotor/Generatoren E1, E2 mitzuwirken. Eine mögliche Ausführung des Vierwellen Verteiler-Getriebes für Verteiler-Hybrid Antrieb vom Typ A mit einem kleinen Verbrennungsmotor als Range Extender ist auf der
Auf der
Im Absatz [0010] wurde definiert, dass das Vierwellen Verteiler-Getriebe, im Wesentlichen, aus zwei Verteiler Käfige vom Typ des Planetenzahnradgetriebes zusammengebaut wird. Der Einbau des Verteiler Käfigs VK1 im Vierwellen Verteiler-Getriebe auf der
Das Drehmoment von der Welle W4 auf den
Für den Einsatz des Verteiler-Hybrid Antriebs bei einem Fahrzeug mit drei Antriebsachsen wird das Sechswellen Verteiler-Getriebe, wie auf der
Auf den Abbildungen von
- VM
- Verbrennungsmotor;
- WM
- Motorwelle;
- W1, W2, W3, W4, W5, W6, W7, W8
- Verteiler-Getriebes Wellen;
- S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8
- Wellen Sperren;
- VK1, VK2, VK3, VK4
- Verteiler Käfige;
- Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8, Z9
- Zahnräder;
- SG
- Schaltgetriebe;
- E1, E2, E3, E4
- Elektromotor/Generatoren;
- AA1, AA2, AA3
- Autos Antriebs Achsen;
- Ra
- Rahmen im Verteiler Käfig;
- WPa, WPb, WPc, WPd
- Planetenzahnrad Wellen;
- PZ1a - PZ2a, PZ1b - PZ2b, PZ1c - PZ2c, PZ1d - PZ2d
- Planetenzahnrad Paare;
- HZ1, HZ2
- Hohl Zahnräder;
- K -
- Kupplung.
- VM
- internal combustion engine;
- WM
- motor shaft;
- W1, W2, W3, W4, W5, W6, W7, W8
- distributor gear shafts;
- S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8
- Lock Waves;
- VK1, VK2, VK3, VK4
- distributor cages;
- Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8, Z9
- gears;
- SG
- manual transmission;
- E1, E2, E3, E4
- electric motor/generators;
- AA1, AA2, AA3
- cars drive axles;
- Ra
- frame in distributor cage;
- WPa, WPb, WPc, WPd
- planetary gear shafts;
- PZ1a - PZ2a, PZ1b - PZ2b, PZ1c - PZ2c, PZ1d - PZ2d
- planetary gear pairs;
- HZ1, HZ2
- hollow gears;
- K-
- Coupling.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021006071.7A DE102021006071B4 (en) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | Distributor hybrid drive |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021006071.7A DE102021006071B4 (en) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | Distributor hybrid drive |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021006071A1 DE102021006071A1 (en) | 2023-06-15 |
DE102021006071B4 true DE102021006071B4 (en) | 2024-01-25 |
Family
ID=86498930
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021006071.7A Active DE102021006071B4 (en) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | Distributor hybrid drive |
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---|---|
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10021025A1 (en) | 2000-05-02 | 2001-11-15 | Bosch Gmbh Robert | Gearboxes, in particular for motor vehicles |
JP2005009514A (en) | 2003-06-16 | 2005-01-13 | Toyota Motor Corp | Controller of vehicle |
US20090209381A1 (en) | 2006-06-19 | 2009-08-20 | Xiaolin Ai | Two mode electro-mechanical transmission and control |
US20100190604A1 (en) | 2006-11-22 | 2010-07-29 | Lawson Jr T Towles | Transmission |
-
2021
- 2021-12-09 DE DE102021006071.7A patent/DE102021006071B4/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2005009514A (en) | 2003-06-16 | 2005-01-13 | Toyota Motor Corp | Controller of vehicle |
US20090209381A1 (en) | 2006-06-19 | 2009-08-20 | Xiaolin Ai | Two mode electro-mechanical transmission and control |
US20100190604A1 (en) | 2006-11-22 | 2010-07-29 | Lawson Jr T Towles | Transmission |
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Publication number | Publication date |
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DE102021006071A1 (en) | 2023-06-15 |
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