DE10225659B4

DE10225659B4 - Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis und zwei Betriebsarten

Info

Publication number: DE10225659B4
Application number: DE10225659A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Bodley Ann Arbor Wehking
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: US6561942B2; DE10225659A1; US20020187872A1

Abstract

Antriebsstrang (10) mit einem Motor (12) und einem stufenlosen Getriebe, umfassend:
ein stufenlos verstellbares Teilgetriebe (22), das einen Bereich von Drehzahlverhältnissen von einem Verhältnis ins Langsame bis zu einem Verhältnis ins Schnelle aufweist und das ein Antriebselement (34, 36) in drehfester Verbindung mit dem Motor (12) sowie ein Abtriebselement (38) aufweist;
ein Planetenradgetriebe (28), das zwei Planetenradgetriebestufen (52, 54) mit jeweils einem Sonnenrad (56, 66), einem Hohlrad (58, 68) und einem Planetenträger (64, 74) und zwei selektiv betätigbare Kupplungen (30, 32) aufweist, die mit dem Planetenradgetriebe (28) verbunden sind, wobei
– das Hohlrad (68) der ersten Planetenradgetriebestufe (54) in drehfester Verbindung mit dem Planetenträger (60) der zweiten Planetenradgetriebestufe (52) sowie mit der Abtriebswelle (20),
– der Planetenträger (74) der ersten Planetenradgetriebestufe (54) in drehfester Verbindung mit dem Hohlrad (58) der zweiten Planetenradgetriebestufe (52), und
– der Motor (12) in drehfester Verbindung mit dem Sonnenrad...

Description

Diese Erfindung betrifft Getriebe, die eine mit einem Planetenradgetriebe kombinierte Einheit mit einem stufenlos verstellbaren Übersetzungsverhältnis aufweisen.
Stufenlose Lastschaltgetriebe sind seit mehr als einhundert Jahren zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen vorgeschlagen worden. Diese vorgeschlagenen Getriebe umfassen ein stufenlos verstellbares Teilgetriebe, gewöhnlich ein Reibantrieb oder V-Riementrieb, der mit einer Getriebeanordnung kombiniert ist, die entweder ein Planetenradgetriebe oder ein Getriebe mit Parallelachsenanordnung oder eine Kombination davon sein kann. Das Planetenradgetriebe kann einen oder mehrere Planetenradgetriebestufen aufweisen. Die meisten Vorschläge sind für Anordnungen des Typs mit einer einzigen Betriebsart gemacht worden, bei dem die gesamte Leistung durch das stufenlos verstellbare Teilgetriebe (CVU) in einer einzigen Vorwärtsbetriebsart und in einer Rückwärtsbetriebsart hindurchtritt. Es ist ebenfalls ein speziell entworfener Getriebemechanismus erforderlich, um einen Rückwärtsbereich bereitzustellen. Es ist im Allgemeinen eine Ingangsetzungseinrichtung, wie beispielsweise eine Kupplung oder eine Anfahrkupplung, erforderlich.
Einige der jüngeren Vorschläge sind für ein Getriebe vom Typ mit einer einzigen oder zwei Betriebsarten und über Zahnräder hergestelltem neutralen Zustand gemacht worden. Um einen über Zahnräder hergestellten neutralen Zustand zu erzielen, muss mindestens eine Planetenradgetriebestufe als ein Summierdifferenzial verwendet werden, wobei die Drehzahl von dem Antrieb des Getriebes und dem Abtrieb des CVU als zwei Knoten der Zahnradgetriebestufe angewandt werden, um eine resultierende Drehzahl am dritten Knoten der Zahnradgetriebestufe zu erhalten. Der dritte Knoten ist der Abtriebsknoten, der mit dem Abtrieb des Getriebes verbunden ist. Wenn das CVU auf ein besonderes Übersetzungsverhältnis relativ zur Antriebsdrehzahl des Getriebes eingestellt ist, wird der Abtrieb des Getriebes ungeachtet der Antriebsdrehzahl des Getriebes feststehend sein. Dieser über Zahnräder hergestellte neutrale Zustand beseitigt die Notwendigkeit für eine Anfahreinrichtung, wie beispielsweise einen Drehmomentwandler, wenn das Fahrzeug gestoppt ist. Das Fahrzeug wird aus diesem durch Zahnräder hergestellten neutralen Zustand in Gang gesetzt, indem das Übersetzungsverhältnis des CVU allmählich verändert wird, um die resultierende Drehzahl des Abtriebs des Getriebes ohne die Notwendigkeit für eine Start- oder Anfahreinrichtung auf entweder die Rückwärtsrichtung oder die Vorwärtsrichtung zu zu verändern.
Eine weitere Funktion des Summierdifferenzials ist es, den Leistungsfluss von zwei parallelen Leistungswegen innerhalb des Getriebes zu kombinieren. Ein Weg verläuft durch das CVU, und der andere verläuft durch ein Getriebe mit festem Übersetzungsverhältnis, der im Allgemeinen der effizientere Weg ist.
Getriebe mit einem über Zahnräder hergestellten neutralen Zustand sind in der niedrigen Betriebsart aufgrund der umlaufenden Leistung durch das CVU an sich uneffizient, wobei bei den meisten bekannten Getrieben mit CVU die gesamte Leistung in der hohen Betriebsart durch das CVU hindurchtritt, was auch den Wirkungsgrad des Getriebes begrenzt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Antriebsstrang mit stufenlos verstellbarem Übersetzungsverhältnis bereitzustellen, der zwei Betriebsbereiche aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einem Antriebsstrang gelöst, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs, der die vorliegende Erfindung enthält, und
2 ein Hebeldiagramm des Lastschaltgetriebeabschnittes des in 1 veranschaulichten Antriebsstranges.
Ein Antriebsstrang 10, der in 1 gezeigt ist, umfasst einen Motor oder eine Kraftmaschine 12, ein stufenloses Lastschaltgetriebe 14 und eine Achsantriebsanordnung 16. Das stufenlose Lastschaltgetriebe 14 weist eine Antriebswelle 18 auf, die von dem Motor 12 kontinuierlich angetrieben wird, und eine Abtriebswelle 20, die kontinuierlich mit der Achsantriebsanordnung 16 verbunden ist. Das stufenlose Lastschaltgetriebe 14 umfasst auch eine Reibantriebseinheit mit stufenlos verstellbarem Übersetzungsverhältnis (CVU) 22, eine Verteilerzahnradstufe 24, eine Verteilerkettenkettenradstufe 26, ein Planetenradgetriebe 28 mit vier Knoten, eine erste Kupplung 30 und eine zweite Kupplung 32.
Das CVU 22 umfasst zwei Antriebsscheiben 34 und 36, die kontinuierlich mit der Antriebswelle 18 verbunden sind, und zwei Abtriebsscheiben, die zu einem einzigen Element 38 kombiniert sind, das über mehrere Rollen 40 bzw. 42 in einer Reibantriebsbeziehung mit den jeweiligen Antriebsscheiben 34 und 36 angeordnet ist. Die Abtriebsscheibe 38 steht mit einem Zahnradelement 44 in Eingriff, das über eine Welle 46 in drehfester Verbindung mit einem Verteilerzahnrad 48 steht, das ein Bauteil der Verteilerzahnradstufe 24 ist. Die Verteilerzahnradstufe 24 umfasst auch ein Verteilerzahnrad 50, das mit dem Verteilerzahnrad 48 kämmt.
Das Planetenradgetriebe 28 umfasst zwei Planetenradgetriebestufen 52 und 54. Die Planetenradgetriebestufe 52 umfasst ein Sonnenrad 56, das drehfest mit der Antriebswelle 18 verbunden ist, ein Hohlrad 58 und eine Planetenträgerbaugruppe 60, die mehrere Planetenräder 62 umfasst, die mit dem Sonnenrad 56 und dem Hohlrad 58 kämmen und auf einem Planetenträger 64 drehbar montiert sind, der kontinuierlich mit der Abtriebswelle 20 verbunden ist.
Die Planetenradgetriebestufe 54 umfasst ein Sonnenrad 66, ein Hohlrad 68 und eine Planetenträgerbaugruppe 70. Die Planetenträgerbaugruppe 70 umfasst mehrere Planetenräder 72, die drehbar auf einem Planetenträger 74 montiert sind und in kämmender Beziehung mit dem Sonnenrad 66 und dem Hohlrad 68 angeordnet sind. Der Träger 74 ist drehfest mit dem Hohlrad 58 verbunden. Das Hohlrad 68 ist drehfest mit dem Träger 64 und somit mit der Abtriebswelle 20 verbunden.
Das Verteilerzahnrad 50 steht über eine Hohlwelle 76 mit der Kupplung 30 in drehfester Verbindung. Die Kupplung 30 ist eine herkömmliche fluidbetätigte Kupplung, die, wenn sie in Eingriff steht, wahlweise die Hohlwelle 76 mit dem Sonnenrad 66 verbinden wird, so dass das Sonnenrad 66 und das Verteilerzahnrad 50 gemeinsam rotieren werden. Somit wird das Sonnenrad 66 in der gleichen Richtung wie die Abtriebsscheibe 38 des CVU 22 rotieren.
Die Welle 46 ist auch mit einem Kettenrad 78 verbunden, das über eine herkömmliche Antriebskette 82 in Antriebsverbindung mit einem Kettenrad 80 steht. Das Kettenrad 80 steht in Antriebsverbindung mit der Kupplung 32. Die Kupplung 32 ist eine herkömmliche fluidbetätigte, wahlweise in Eingriff bringbare Kupplung, die, wenn sie in Eingriff steht, eine drehfeste Verbindung zwischen dem Kettenrad 80 und dem Hohlrad 58 über eine Nabe 84 herstellen wird. Das Hohlrad 58 wird in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung der Abtriebsscheibe 38 rotieren, wenn die Kupplung 32 in Eingriff steht.
Während der niedrigen Betriebsart steht die Kupplung 30 in Eingriff und die Kupplung 32 steht außer Eingriff. Wenn diese Betriebsart hergestellt ist, wird die Antriebsleistung von dem Motor sowohl mit dem CVU 22 als auch mit dem Sonnenrad 56 in Verbindung gebracht. Der Abtrieb der CVU über das Zahnrad 44 und die Verteilerzahnradstufe 24 und die Kupplung 30 ist mit dem Sonnenrad 66 verbunden. Das Sonnenrad 66 rotiert in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung des Sonnenrades 56. Abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Sonnenrades 66 kann die Abtriebswelle 20 entgegengesetzt zur Motordrehung gedreht werden, in der gleichen Richtung, wie die Motordrehung gedreht werden, oder in einem neutralen Zustand Null betragen.
Um die hohe Betriebsart herzustellen, wird die Kupplung 32 in Eingriff gebracht, während die Kupplung 30 außer Eingriff gebracht wird. Bei dieser Anordnung werden das Sonnenrad 56 und die Antriebsscheiben 34 und 36 in der gleichen Richtung wie die Antriebswelle 18 gedreht, und das Zahnradelement 44 wird auch in der gleichen Richtung wie die Antriebswelle 18 gedreht. Der Kettenantrieb 26 überträgt die Drehgeschwindigkeit des Zahnrades 44 zum Hohlrad 58 in einer Richtung, die gleich ist wie die Drehrichtung der Antriebswelle 18. Somit werden in dem hohen Bereich oder der hohen Betriebsart das Hohlrad 58 und das Sonnenrad 56 in der gleichen Richtung gedreht. Dies wird dazu führen, dass die Abtriebswelle 20 auch in dieser Richtung mit einer Drehzahl gedreht wird, die von der Drehzahl des Sonnenrades 56, der Drehzahl des Hohlrades 58 und dem Zähneverhältnis von Hohlrad 58 und Sonnenrad 56 abhängt.
Wenn die Drehgeschwindigkeit der Abtriebsscheibe 38 aufgrund der Positionierung der Rollen 40 und 42 verändert wird, wird auch die Drehzahl des Hohlrades 58 verändert. Die Drehzahl des Sonnenrades 56 wird so lange konstant bleiben, wie die Motordrehzahl konstant bleibt. Durch Erhöhen der Drehzahl des Hohlrades 58 wird die Drehzahl der Abtriebswelle 20 zunehmen, und durch Verringern der Drehzahl des Hohlrades 58 wird die Drehzahl der Abtriebswelle 20 abnehmen.
Die in 2 gezeigte Hebeldarstellung weist mehrere Knoten und Hebeldrehpunkte auf. Den Knoten ist die gleiche Zahlenbezeichnung gegeben worden, die den Bauteilen in 1 entspricht, mit dem Zusatz eines Suffixes ”A”. Beispielsweise ist in dem CVU 22 die Bezeichnung 22A verwendet worden, die Knoten 34A, 36A stellen die Antriebsscheiben 34 und 36 dar, und der Knoten 38A stellt die Abtriebsscheibe 38 dar. Der Verteilerzahnradknoten 44A ist mit seiner Verbindung mit dem Verteilerzahnradknoten 48A gezeigt. Der Hebel 24A stellt die Verteilerzahnradstufe 24 dar und der Hebel 26A stellt die Verteilerkettenradstufe 26 dar. Den Kupplungen 30 und 32 sind die Bezeichnungen 30A bzw. 32A gegeben worden. Die Planetenradgetriebestufen 52 und 54 sind jeweils durch Hebel 52A bzw. 54A dargestellt.
Fachleute werden erkennen, dass die Antriebswelle 18A einen Vektor 90 an dem Knoten 56A liefern oder einleiten wird, der sich in 2 nach rechts erstreckt. Wenn die Kupplung 30A geschlossen wird, werden die Hebel 22A und 24A einen Vektor 92 nach links an dem Knoten 66A erzwingen. Wenn die Kupplung 32A in Eingriff steht, werden die Hebel 22A und 26A einen Vektor 94 an dem Knoten 70A erzwingen.
Wenn die Kupplung 30A in Eingriff steht, wird sich der Vektor 92 von einem Minimalwert zu einem Maximalwert verändern, da das Übersetzungsverhältnis des CVU 22 von einer Übersetzung ins Langsame zu einer Übersetzung ins Schnelle verändert wird. Während dieser Betriebsart erzwingen die Vektoren 90 und 92 einen variablen Vektor 96 an dem Knoten 60A. Wenn der Vektor 92 auf einem Minimalwert liegt, werden sich die Vektoren 90 und 92 kombinieren, um einen Vektor nach rechts an dem Knoten 60A zu erzwingen, und wenn der Vektor 92 auf einem Maximalwert liegt, werden sich die Vektoren 90 und 92 kombinieren, um einen Vektor nach links oder einen negativen Vektor 96 an dem Knoten 60A zu erzwingen.
An einem Punkt zwischen den minimalen und maximalen Werten des Vektors 92 wird der Vektor an dem Knoten 60A Null sein, wodurch ein neutraler Zustand hergestellt wird. Es wird auch ein Punkt an dem Minimalwert von Vektor 92 auftreten, wo der Vektor 94 und ein Vektor 98, die an dem Knoten 80A erzwungen werden, gleich sind, wodurch zugelassen wird, dass die Kupplung 32A ohne jegliche Drehzahldifferenz über die Kupplungsscheiben hinweg in Eingriff gebracht wird. An diesem Punkt kann das stufenlose Lastschaltgetriebe 14 von einer niedrigen Betriebsart zu einer hohen Betriebsart gewechselt werden, indem die Kupplungen 30A und 32A ausgetauscht werden, ohne dass von dem Bediener irgendeine Unterbrechung des Leistungsflusses wahrgenommen wird.
Nach dem Austausch kann das Übersetzungsverhältnis des CVU 22 von dem Zustand einer maximalen Übersetzung ins Langsame in Richtung des Zustandes einer maximalen Übersetzung ins Schnelle erhöht werden, um dadurch die Größe oder Länge des Vektors, der an dem Knoten 70A und dem Knoten 58A erzwungen wird, zu erhöhen. Wenn dieser Vektor größer wird, wird der Vektor 96 an dem Knoten 60A ebenfalls größer, was zu einer Zunahme der Vorwärtsdrehzahl für den Antriebsstrang 10 führt.
Fachleute werden erkennen, dass das Planetenradgetriebe 28 eine Hebelanordnung mit vier Knoten bereitstellt, bei der die Hebelanordnung zwei Antriebsvektoren 92 und 90 bei einer niedrigen Betriebsart und zwei Antriebsvektoren 90 und 94 bei einer hohen Betriebsart aufweist. Durch Steuern des Wertes der Vektoren 92 und 94 wird die Abtriebsdrehzahl oder der Abtriebsvektor 96 sowie der Wechsel zwischen den beiden Betriebsarten gesteuert.
Es ist wichtig anzumerken, dass während der hohen Betriebsart nur ein Teil der Leistung zu dem stufenlos verstellbaren Teilgetriebe 22 übertragen wird und der Rest der Leistung direkt an die Planetenradgetriebestufe 52 geliefert wird. Dies verbessert den Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs bei dieser Betriebsart stark.
Während des Rückwärtsbetriebes läuft in der niedrigen Betriebsart Leistung innerhalb des stufenlos verstellbaren Teilgetriebes 22 auf eine Weise um, die bewirkt, dass die CVU 22 mehr Leistung als die Antriebsleistung des Getriebes transportiert, während im Vorwärtsbetrieb der niedrigen Betriebsart die Leistung in der entgegengesetzten Richtung umläuft. Somit ist der Wirkungsgrad in der Rückwärtsbetriebsart niedriger als der Wirkungsgrad in der niedrigen Vorwärtsbetriebsart. Dies ist in gewisser Weise ähnlich wie bei dem stufenlosen Getriebe nach dem Stand der Technik.
Da jedoch der Großteil des Betriebes des Antriebsstrangs während der hohen Vorwärtsbetriebsart auftreten wird, ist der Gesamtwirkungsgrad der Einheit gegenüber Einheiten nach dem Stand der Technik verbessert.
Zusammengefasst umfasst ein Antriebsstrang eine stufenlos verstellbares Teilgetriebe, ein Planetenradgetriebe mit zwei Betriebsarten und ein Verteilergetriebe zwischen dem stufenlos verstellbaren Teilgetriebe (CVU) und dem Planetenradgetriebe. Das Planetenradgetriebe ist im Wesentlichen ein Verbindungsmechanismus mit vier Knoten, bei dem zwei Elemente jeder Zahnradgetriebestufe miteinander verbunden sind. Ein Element von einem der Zahnradgetriebestufen ist mit der CVU über eine Niedrigbereichskupplung verbunden, und eines der miteinander verbundenen Elemente ist mit der CVU über eine Hochbereichskupplung verbindbar, und ein weiteres Element steht in drehfester Verbindung mit einer Kraftmaschine, wie einem Motor. Das Planetenradgetriebe wird derart gesteuert, dass eine niedrige Betriebsart bereitstellt wird, die über das Übersetzungsverhältnis der CVU steuerbar ist, um einen Rückwärtsbereich, einen neutralen Zustand und einen Vorwärtsbereich herzustellen. Das Planetenradgetriebe ist auch derart steuerbar, dass eine hohe Betriebsart bereitstellt wird, wenn der Abtrieb der CVU und ein mechanischer Weg an einer Zahnradgetriebestufe kombiniert werden, um einen geteilten Antrieb bereitzustellen, wobei ein Teil der Leistung von der CVU übertragen wird und ein Teil der Leistung von dem effizienteren mechanischen Weg übertragen wird.

Claims

Antriebsstrang (10) mit einem Motor (12) und einem stufenlosen Getriebe, umfassend: ein stufenlos verstellbares Teilgetriebe (22), das einen Bereich von Drehzahlverhältnissen von einem Verhältnis ins Langsame bis zu einem Verhältnis ins Schnelle aufweist und das ein Antriebselement (34, 36) in drehfester Verbindung mit dem Motor (12) sowie ein Abtriebselement (38) aufweist; ein Planetenradgetriebe (28), das zwei Planetenradgetriebestufen (52, 54) mit jeweils einem Sonnenrad (56, 66), einem Hohlrad (58, 68) und einem Planetenträger (64, 74) und zwei selektiv betätigbare Kupplungen (30, 32) aufweist, die mit dem Planetenradgetriebe (28) verbunden sind, wobei – das Hohlrad (68) der ersten Planetenradgetriebestufe (54) in drehfester Verbindung mit dem Planetenträger (60) der zweiten Planetenradgetriebestufe (52) sowie mit der Abtriebswelle (20), – der Planetenträger (74) der ersten Planetenradgetriebestufe (54) in drehfester Verbindung mit dem Hohlrad (58) der zweiten Planetenradgetriebestufe (52), und – der Motor (12) in drehfester Verbindung mit dem Sonnenrad (56) der zweiten Planetenradgetriebestufe (52) steht; eine Verteilerzahnradstufe (48), die in Antriebsverbindung zwischen dem Abtriebselement (38) des stufenlos verstellbaren Teilgetriebes (22) und einer ersten (30) der Kupplungen (30, 32) steht, die sich in drehfester Verbindung mit dem Sonnenrad (66) der ersten Planetenradgetriebestufe (54) befindet; eine Verteilerkettenradstufe (78), die in Antriebsverbindung zwischen dem Abtriebselement (38) des stufenlos verstellbaren Teilgetriebes (22) und einer zweiten (32) der Kupplungen (30, 32) steht, die sich in drehfester Verbindung mit dem Planetenträger (74) der ersten Planetenradgetriebestufe (54) sowie mit dem Hohlrad (58) der zweiten Planetenradgetriebestufe (52) befindet; wobei ausschließlich die erste Kupplung (30) in Eingriff bringbar ist, um einen niedrigen Betriebsbereich bereitzustellen, der einen Rückwärtsbereich, einen neutralen Zustand und einen Vorwärtsbereich umfasst; und wobei ausschließlich die zweite Kupplung (32) in Eingriff bringbar ist, um einen Antrieb für das Planetenradgetriebe (28) in Kombination mit einem Antrieb von dem Motor (12) bereitzustellen und somit einen Antrieb mit geteiltem Drehmoment zwischen der Antriebswelle (18) und einer Abtriebswelle (20) bereitzustellen.