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Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Getriebe für Fahrzeuge, und insbesondere hydrauliklose Mehrstufengetriebe.
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In Motorfahrzeugen, die durch einen Elektromotor angetrieben werden, besteht Bedarf an der Verwendung von Mehrstufengetrieben, um den Elektromotor mit hoher Effizienz bzw. hohem Wirkungsgrad zu betreiben. Das Betreiben des Elektromotors mit hoher Effizienz kann einen Leistungsvorteil in Sachen Gewicht, Beschleunigung oder Reichweite des Fahrzeugs bringen.
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Bisherige Versuche, Mehrstufengetriebe in Fahrzeugen mit Elektromotoren zu verwenden, umfassten das Verwenden von Getrieben, welche Gänge bzw. Schaltstufen unter Verwendung hydraulisch betätigter Kupplungselemente schalten. Die Verwendung einer hydraulisch betätigten Kupplung bedingt üblicherweise eine Zunahme der Größe des Getriebes, um die Kupplungsmerkmale aufzunehmen. Zudem kommt es zu signifikanten parasitären Verlusten für die mit Hydraulikpumpen verbundene Maschine, die notwendig sind, die um Kupplungselemente zu bedienen. Diese parasitären Verluste verschlechtern üblicherweise die Kraftstoffersparnis des Fahrzeugs.
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Dementsprechend besteht Bedarf an einem Getriebeaufbau oder Fahrzeugstrang, der hydrauliklose Mehrstufengetriebe für Fahrzeuge mit Elektromotoren zulässt, sowie an Systemen zum Schalten derselben.
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Gemäß einer Ausführungsform weist ein Mehrstufengetriebe auf: ein Sonnenrad und zumindest ein Hochgeschwindigkeitsplanetenrad in Dauereingriff mit dem Sonnenrad und einem Hochgeschwindigkeitshohlrad, wobei das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad um das Sonnenrad dreht. Das Mehrstufengetriebe hat ferner zumindest ein Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad, das mit dem Hochgeschwindigkeitsplanetenrad verbunden ist und in Dauereingriff mit einem Niedriggeschwindigkeitshohlrad steht, und einen Träger, der drehbar mit dem Hochgeschwindigkeitsplanetenrad und dem Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad in Eingriff steht, so dass entweder das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad oder das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad die Rotation des Trägers steuert. Das Mehrstufengetriebe umfasst weiter ein Getriebegehäuse, welches das Hochgeschwindigkeitshohlrad und das Niedriggeschwindigkeitshohlrad umgibt, und eine Kupplung, die benachbart zum Hochgeschwindigkeitshohlrad und zum Niedriggeschwindigkeitshohlrad angeordnet ist, wobei die Kupplung selektiv das Hochgeschwindigkeitshohlrad oder das Niedriggeschwindigkeitshohlrad mit dem Getriebegehäuse verbindet
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Gemäß einer anderen Ausführungsform hat ein Antriebsstrangsystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug einen Elektromotor und ein Mehrstufengetriebe. Das Mehrstufengetriebe weist auf: ein Getriebegehäuse, das mit dem Elektromotor verbunden ist, ein Sonnenrad, das in dem Getriebegehäuse angeordnet ist und mit dem Elektromotor verbunden ist, einen Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz in Dauereingriff mit dem Sonnenrad, einen Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatz, der mit dem Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz verbunden ist, und eine Kupplung, die derart angeordnet und ausgebildet ist, um Betriebsmodi des Mehrstufengetriebes selektiv von einem Betriebsmodus zu einem anderen Betriebsmodus zu ändern. Die Betriebsmodi umfassen einen Hochgeschwindigkeitsmodus, einen Niedriggeschwindigkeitsmodus und einen Neutralzustand. Die Kupplung verbindet den Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatz mit dem Getriebegehäuse, um das Mehrstufengetriebe in den Niedriggeschwindigkeitsmodus zu bringen
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Bei einer anderen Ausführungsform weist ein Antriebsstrangsystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einem Mehrstufengetriebe auf: einen Elektromotor, ein Getriebegehäuse, das mit dem Elektromotor verbunden ist, und ein Sonnenrad, das in dem Getriebegehäuse angeordnet ist und mit dem Elektromotor verbunden ist. Das Antriebsstrangsystem umfasst weiter einen Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz in Dauereingriff mit dem Sonnenrad, einen Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatz, der mit dem Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz verbunden ist, und eine Kupplung, die derart angeordnet und ausgebildet ist, um selektiv den Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz und den Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatz mit dem Getriebegehäuse in Eingriff zu bringen, um die Steuerung eines Trägers zu ändern, der mit einer Ausgangwelle des Fahrzeugs in Wirkverbindung steht.
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Diese und weitere Merkmale, die durch die hier beschriebenen Ausführungsformen dargestellt werden, werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung klar verständlich.
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Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen sind dabei nur anschaulich und beispielhafter Natur und nicht dazu gedacht, den durch die Ansprüche definierten Gegenstand zu beschränken. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen kann unter Hinzuziehung der beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in welchen gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind; hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangsystems für ein Fahrzeug nach einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
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2 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangsystems für ein Fahrzeug. nach einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
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3 eine schematische Darstellung eines Drehzahldiagramms eines Getriebes nach einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
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4 eine schematische Darstellung eines Motoreffizienzkennfeldes nach einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
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5 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangsystems für ein Fahrzeug nach einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
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6 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangsystems mit einer elektromagnetischen Klauenkupplung für ein Fahrzeug nach einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
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7 eine schematische Darstellung einer Kupplung nach einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
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8 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangsystems mit einer elektromagnetischen Kugelrampenklauenkupplung (ball ramp dog clutch) für ein Fahrzeug nach einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
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9 eine schematische Darstellung einer Kupplung nach einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen; und
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10 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangsystems mit einem wählbaren bzw. ansteuerbaren Freilauf für ein Fahrzeug nach einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen.
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1 zeigt allgemein eine Ausführungsform eines Systems zum Schalten eines Mehrstufengetriebes eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs oder eines Brennstoffzellenhybridfahrzeugs. Das System umfasst allgemein einen Elektromotor und einen Satz von Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsplanetenrädern, die in Dauereingriff mit dem Motor stehen. Die Planetenräder sind an einem Träger montiert, der mit einem Differenzial verbunden ist, das ein Moment auf die Räder des Fahrzeugs durch einen Satz Ausgangswellen überträgt. Ein Hochgeschwindigkeits- und ein Niedriggeschwindigkeitshohlrad sind jeweils in Dauereingriff mit den Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsplanetenrädern angeordnet. Eine Kupplung ist zwischen den Hohlrädern und dem Getriebegehäuse angeordnet. Hierbei wird, als Kupplungsmittel, eine mechanische Vorrichtung verwendet, die zwei Elemente miteinander durch in Eingriff bringen (interference) anstatt durch Reibung verbindet, um eine relative Rotation zueinander zu vermeiden. Beispiele für derartige Kupplungen umfassen eine Sperrklauenkupplung, mechanische Synchronisierer und wählbare bzw. ansteuerbare Freiläufe (SOWC), sind hierauf jedoch nicht beschränkt. Die hier verwendete Kupplung verwendet keine Vorrichtung mit Reibungsplatten, um zwei Elemente die relativ zueinander drehen, zu verbinden.
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Bei Betrieb in einem gewählten Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlmodus, bringt die Kupplung ein Hohlrad mit dem Getriebegehäuse in Eingriff und hält das Hohlrad bei einer Rotationsgeschwindigkeit von Null. Wenn ein Schalten gefordert wird, löst sich die Kupplung vom vorher gewählten Hohlrad. Der Elektromotor beschleunigt oder verzögert dann derart, dass die Rotationsgeschwindigkeit des neu gewählten Hohlrades gegen Null geht. Wenn das neu gewählte Hohlrad eine Geschwindigkeit von Null erreicht, greift die Kupplung in das neu gewählte Hohlrad ein und verbindet dieses mit dem Getriebegehäuse, wodurch das Mehrstufengetriebe in einem zweiten Geschwindigkeitsmodus betrieben wird. Hierbei bedeutet das Eingreifen das Verbinden von zumindest einem Element des genannten Getriebesatzes mit dem Getriebegehäuse derart, dass der Getriebesatz mechanisch am Drehen gehindert wird, so dass das Mehrstufengetriebe in einem bestimmten Betriebsmodus arbeitet, der mit dem in Eingriff stehenden bzw. eingerückten Getriebesatz verbunden ist. Durch Verwenden des Elektromotors zum Senken der Rotationsgeschwindigkeit des geeigneten Hohlrades kann das Getriebe Schaltstufen weich ohne die Verwendung einer Reibungskupplung schalten. Verschiedene Ausführungsformen von Systemen und Verfahren zum Schalten von Mehrstufengetrieben für elektrische Fahrzeuge und Brennstoffzellenhybridfahrzeuge werden hier nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Bezug nehmend auf 1 wird eine Ausführungsform eines Antriebsstrangsystems 100 zur Verwendung mit einem Elektrofahrzeug bzw. elektrischen Fahrzeug oder einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug schematisch dargestellt. Das Antriebs strangsystem 100 umfasst allgemein einen Elektromotor 110 und ein Mehrstufengetriebe 120.
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Der Elektromotor 110 ist mit einem Sonnenrad 130 des Mehrstufengetriebes 120 verbunden. Das Sonnenrad 130 ist im Dauereingriff mit einem Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz 135 der zumindest ein Hochgeschwindigkeitsplanetenrad 140 umfasst. Das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad 140 ist mit einem Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatz 137, der zumindest ein Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 umfasst, verbunden. Das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad 140 und das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 drehen mit der gleichen Geschwindigkeit. In der Ausführungsform von 1 sind das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad 140 und das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 Teile des gleichen Getriebesatzes. In dieser Ausführungsform sind das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad 140 und das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 an einem Träger 160 montiert und drehen um das Sonnenrad 130. Der Träger 160 ist mit einem Differenzial 170 verbunden, das ein Drehmoment an zumindest eine Ausgangswelle 180 anlegt. Das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad 140 ist in Dauereingriff mit einem Hochgeschwindigkeitshohlrad 150, das Teil des Hochgeschwindigkeitsgetriebesatzes 135 ist. Das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 ist in Dauereingriff mit einem Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152, das Teils des Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatzes 137 ist.
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Eine Kupplung 200 kann in der Nähe des Getriebegehäuses 300 angeordnet sein, so dass die Kupplung 200 selektiv entweder das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 oder das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 mit dem Getriebegehäuse 300 in Eingriff bringen kann. Im Schubbetrieb, wenn das Hochgeschwindigkeits- oder Niedriggeschwindigkeitshohlrad 150, 152 mit dem Getriebegehäuse 300 verbunden ist, dreht sich das andere des Hochgeschwindigkeits- oder Niedriggeschwindigkeitshohlrades 150, 152 unbeschränkt. Wenn beispielsweise die Kupplung 200 das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 mit dem Getriebegehäuse 300 verbindet bzw. in Eingriff bringt, dreht das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 um das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 ohne Beschränkung. Wenn die Kupplung 200 das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 am Getriebegehäuse 300 festlegt, dreht das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 ohne Beschränkung um das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad 140.
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Da das Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 140, 142 miteinander verbunden und am Träger 160 montiert sind, drehen das Hochgeschwindigkeits- und das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 140, 142 ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit um das Sonnenrad 130, wie die Ausgangswelle 180 dreht. Die Rotationsgeschwindigkeit der Ausgangswelle 180 korreliert zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Bei einer konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit können der Träger 160 und das Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 140, 142 mit einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit drehen.
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Wenn das Mehrstufengetriebe 120 im Niedriggeschwindigkeitsmodus betrieben wird, verbindet die Kupplung 200 das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 mit dem Getriebegehäuse 300, so dass der Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatz 137 die Rotation des Trägers 160 steuert. Es kann ein Hochschalten verlangt werden, um das Mehrstufengetriebe 120 aus dem Niedriggeschwindigkeitsmodus in einen Betrieb im Hochgeschwindigkeitsmodus zu verändern. Die Kupplung 200 löst sich vom Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 derart, dass das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 nicht länger mit dem Getriebegehäuse 300 in Eingriff steht. Wenn weder das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 noch das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 mit dem Getriebegehäuse 300 in Eingriff stehen, legt der Elektromotor 110 kein Moment an den Träger 160 und die Ausgangswelle 180 an, und das Antriebsstrangssystem 100 ist im „Neutralzustand”, oder einem Betriebszustand in welchem der Elektromotor 110 kein Moment auf die Ausgangswellen 180 übertragen kann. Solange es sich in diesem Neutralzustand befindet, kann der Elektromotor 110 gesteuert werden, um das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 zu verlangsamen, so dass die Rotationsgeschwindigkeit des Hochgeschwindigkeitshohlrades 150 gegen Null geht. Der Elektromotor 110 verringert die Rotationsgeschwindigkeit des Hochgeschwindigkeitshohlrades 150 durch Verringern der Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors 110 und des Sonnenrades 130. Wenn das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 auf eine geeignete Geschwindigkeit verringert wurde, kann die Kupplung 200 in das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 eingreifen, und das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 mit dem Getriebegehäuse 300 verbinden, so dass der Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz 135 die Rotation des Trägers 160 steuert, und dadurch das Getriebe im Hochgeschwindigkeitsmodus betrieben wird.
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Wenn das Mehrstufengetriebe 120 im Hochgeschwindigkeitsmodus betrieben wird, verbindet die Kupplung 200 das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 derart mit dem Getriebegehäuse 300, dass der Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz 135 die Rotation des Trägers 160 steuert. Es kann ein Herunterschalten gefordert werden, um die Änderung des Mehrstufengetriebes 120 vom Betrieb im Hochgeschwindigkeitsmodus in einen Niedriggeschwindigkeitsmodus zu fordern. Die Kupplung 200 löst das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 derart, dass das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 nicht länger mit dem Getriebegehäuse 300 verbunden ist. Wenn weder das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 noch das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 mit dem Getriebegehäuse 300 verbunden ist, überträgt der Elektromotor 110 kein Moment auf den Träger 160 und die Ausgangswelle 180, und das Antriebsstrangsystem 100 befindet sich wiederum im Neutralzustand. Während dieses Neutralzustandes kann der Elektromotor 110 gesteuert werden, um das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 zu verlangsamen, so dass die Rotationsgeschwindigkeit des Niedriggeschwindigkeitshohlrades 152 gegen Null geht. Der Elektromotor 110 verringert die Rotationsgeschwindigkeit des Niedriggeschwindigkeitshohlrades 152 durch Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors 110 und des Sonnenrades 130. Sobald das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 auf eine geeignete Geschwindigkeit verlangsamt wurde, kann die Kupplung 200 das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 150 greifen und das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 mit dem Getriebegehäuse 300 verbinden, so dass der Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatz 137 die Rotation des Trägers 160 steuert, und dadurch das Getriebe in einem Niedriggeschwindigkeitsmodus betreibt.
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Wenn das Fahrzeug im Neutralzustand ist, kann der Elektromotor 110 die Rotationsgeschwindigkeit von sowohl dem Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 als auch dem Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 ändern, da das Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitshohlrad 150, 152 im Dauereingriff mit den Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsplanetenrädern 140, 142 und dem Sonnenrad 130 stehen. Der Träger 160 verursacht, dass das Hochgeschwindigkeits- und das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 140, 142 mit einer konstanten Geschwindigkeit für eine vorgegebene Rotationsgeschwindigkeit der Ausgangswelle 180 um das Sonnenrad dreht, während das Antriebsstrangsystem 100 im Neutralzustand ist. Bei einer gegebenen Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 160 kann, wenn das Antriebsstrangsystem 100 im Neutralzustand ist, der Elektromotor 110 somit die Rotationsgeschwindigkeit sowohl der Hochgeschwindigkeits- als auch Niedriggeschwindigkeitshohlräder 150, 152 steuern.
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Die Möglichkeit der Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit des Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitshohlrades 150, 152 ermöglicht die Auswahl des Niedriggeschwindigkeitsmodus und Hochgeschwindigkeitsmodus des Mehrstufengetriebes 120 ohne Verwendung einer Reibungskupplung. Dies kann deutliche Vorteile für die gesamte Fahrzeugeffizienz nach sich ziehen, insbesondere da Reibungskupplungen üblicher Weise mit hydraulischem Druck betrieben werden. Um dem Kupplungsaktuator einen hydraulischen Druck zuzuführen, muss der Motor des Fahrzeugs Leistung für eine Hydraulikpumpe zur Verfügung stellen, um zumindest einen minimalen Hydraulikdruck aufrecht zu erhalten. Diese Leistung kann einen parasitären Verlust des Motors darstellen, was zu einer verringerten Effizienz des Antriebsstrangsystems 100 führt. Der Fahrer kann diesen parasitären Verlust als erhöhten Energieverbrauch sehen. Die Verwendung eines Hydrauliksystems kann insbesondere bei Elektrofahrzeugen und Brennstoffzellenhybridfahrzeugen problematisch sein, da, während diese gestoppt sind, die Antriebsmotoren derartiger Fahrzeuge üblicherweise gestoppt sind. Um einer Hydraulikpumpe Leistung zuzuführen muss somit ein zweiter Motor in dem Fahrzeug vorgesehen sein, was die Kosten und die Komplexität des Fahrzeugs erhöht.
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Wie schematisch in 1 dargestellt ist, kann das Antriebsstrangsystem 100 in einem Fahrzeug in einer „1-Achsen-Anordnung” integriert sein. Der Elektromotor 110 und das Sonnenrad 130 können koaxial mit den Ausgangswellen 180 angeordnet sein. Dieses Layout des Antriebsstrangsystems 100 kann beispielsweise bei Fahrzeugen mit Frontantrieb verwendet werden, in welchen das Antriebstrangsystem 100 zulässt, dass der Elektromotor 110 entlang der Ausgangswellen 180 montiert wird. Wie schematisch in 2 dargestellt ist, kann das Antriebsstrangsystem 100 derart konfiguriert sein, dass die Ausgangswelle 180 ein Moment an die Antriebsräder an einer Stelle entfernt vom Elektromotor 110 überträgt. Dieses Layout des Antriebsstrangsystems 100 kann beispielsweise bei heckbetriebenen Fahrzeugen verwendet werden.
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Die vorstehend beschriebenen Planetengetriebeanordnungen können in geeigneter Weise modifiziert werden, um eine Mehrzahl von Anwendungs- und Bauraumbeschränkungen zu erfüllen. Bei einer Ausführungsform des Mehrstufengetriebes 120 kann das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 derart konfiguriert sein, um direkt mit dem Sonnenrad 130 zu kämmen. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Mehrstufengetriebe 120 mit einer Mehrzahl von Hohlrädern ausgebildet sein, so dass das Mehrstufengetriebe 120 eine den Hohlrädern entsprechende Anzahl von Betriebsgeschwindigkeiten aufweist.
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3 zeigt schematisch die Darstellung eines Geschwindigkeits- bzw. Drehzahldiagramms einer Ausführungsform des Antriebsstrangsystems 100 für ein Fahrzeug mit einem Zweistufenplanetengetriebesatz. Das Drehzahldiagramm zeigt graphisch den Betrieb des Antriebsstrangsystems 100 an einer Vielzahl von Betriebspunkten. Wie hierbei gezeigt ist, sind die vertikalen Linien beabstandet von der vertikalen Linie 130A gezogen, welche dem Geschwindigkeitsverhältnis des Planetengetriebesatzes entspricht. Die Schnittpunkte der Linien, die mit „A”, „B” und „C” gekennzeichnet sind, mit den vertikalen Linien stellen die Rotationsgeschwindigkeit der Komponenten des Planetengetriebesatzes dar.
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Das in 3 gezeigte Drehzahldiagramm kann dazu verwendet werden, um anzuzeigen, wie die internen Bestandteile des Mehrstufengetriebes 120 sich während des Schubbetriebs verhalten. Beispielsweise kann, bei einer Ausführungsform des Mehrstufengetriebes 120, das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 am Drehen gehindert werden, beispielsweise durch Eingriff mit dem Getriebegehäuse 300. Eine Drehzahllinie „A” kann derart gezeichnet sein, dass diese durch den Schnittpunkt der Linie 152A läuft, welche das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 darstellt, und die Nullgeschwindigkeitslinie, die horizontale Linie mit der Kennzeichnung 0. Dieser Punkt, der als „Betriebspunkt 1” in 3 gekennzeichnet ist, stellt dar, dass das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 eine Rotationsgeschwindigkeit von 0 hat. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors 110 zunimmt, wird die Drehzahllinie derart gezeichnet, dass diese in positive y-Richtung entlang der Linie 130A zunimmt, während sie weiterhin durch den Betriebspunkt 1 geht. Die Schnittpunkte zwischen dieser Drehzahllinie und den vertikalen Linien, welche die anderen Zahnräder darstellen, geben die Rotationsgeschwindigkeit dieser Zahnräder wieder. Insbesondere ist die Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 160, und damit des Differenzials 170 und der Ausgangswelle 180 durch die vertikale Linie mit der Kennzeichnung 160A dargestellt. Dieser Schnittpunkt kann direkt mit der Fahrzeuggeschwindigkeit korreliert werden, unabhängig davon, ob das Mehrstufengetriebe 120 im Hochgeschwindigkeitsmodus oder Niedriggeschwindigkeitsmodus ist. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors zunimmt, und die Drehzahllinie weiterhin durch den Betriebspunkt 1 geht, kann die Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 160, und damit die Fahrzeuggeschwindigkeit, in einem festen Verhältnis zunehmen.
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Das Drehzahldiagramm kann auch dazu verwendet werden, um anzuzeigen, wie die internen Bestandteile des Mehrstufengetriebes 120 sich während einer Schaltbetätigung verhalten. Eine Ausführungsform einer Schaltstufenänderung ist in 3 gezeigt. Zunächst wird das Mehrstufengetriebe 120 im Niedriggeschwindigkeitsmodus betrieben. Bei dieser Ausführungsform ist das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 im Niedriggeschwindigkeitsmodus daran gehindert, sich zu drehen, und die Geschwindigkeits- bzw. Drehzahllinie geht durch den Betriebspunkt 1. Wenn der Elektromotor 110 mit maximaler Rotationsgeschwindigkeit (Linie A) arbeitet, wird ein Schalten befohlen. Die Kupplung 200 löst das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152, wodurch das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 vom Getriebegehäuse 300 gelöst, und ein Drehen des Niedriggeschwindigkeitshohlrades 152 ermöglicht wird, wodurch das Antriebstrangsystem 100 in einen Neutralzustand versetzt wird. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform wird angenommen, dass das Fahrzeug weiter mit konstanter Geschwindigkeit fährt, während das Antriebsstrangsystem 100 im Neutralzustand ist. Da sich das Fahrzeug mit konstanter Trägheit weiter bewegt, fährt der Träger 160, dargestellt durch die Linie 160A, fort, sich mit einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit zu drehen, wie durch „Schaltpunkt” dargestellt ist. Der Elektromotor 110 verringert dann seine Rotationsgeschwindigkeit. Wenn der Elektromotor 110 seine Rotationsgeschwindigkeit verringert, „kippt” die Drehzahllinie durch den Schaltpunkt bis zu einem Punkt, bei welchem die Drehzahllinie durch den „Betriebspunkt 2” geht, den Schnittpunkt der Linie 150A, die das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 darstellt, und die Nullgeschwindigkeitslinie (dargestellt mit Linie B). Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Hochgeschwindigkeitshohlrades 150 annähernd 0 ist, kann das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 durch die Kupplung 200 gegriffen werden, welche das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 mit dem Getriebegehäuse 300 verbindet, so dass das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 am Drehen gehindert ist. Das Mehrstufengetriebe 120 wird nun im Hochgeschwindigkeitsmodus betrieben. Der Elektromotor 110 kann seine Rotationsgeschwindigkeit erhöhen, bis er seine maximale Motorrotationsgeschwindigkeit (dargestellt mit Linie C) erreicht. Bei einer gegebenen Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors 110 kann die Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 160 größer sein, wenn das Getriebe im Hochgeschwindigkeitsmodus betrieben wird, als wenn das Getriebe im Niedriggeschwindigkeitsmodus betrieben wird (d. h. ein Vergleich der Schnittpunkte der Linien A und C mit der Linie 160A).
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Die Verwendung eines Mehrstufengetriebes 120 mit einem Elektromotor 110 macht es möglich, den Elektromotor 110 mit größerer Effizienz zu betreiben, als dies bei einem Einstufengetriebe möglich wäre. Wie bei dem in 4 dargestellten Beispielmotor gezeigt ist, kann ein Elektromotor 110 bei gewissen Betriebsbedingungen effektiver sein als bei anderen. Effizienter zu arbeiten ermöglicht dem Elektromotor 110 die gleiche Leistung (Drehmoment multipliziert mit Drehzahl) unter Verwendung von weniger elektrischer Energie auszugeben. Wie hierin beschrieben ist, ermöglicht das Vorsehen eines Fahrzeugs mit Mehrstufengetriebe 120 das Betreiben eines Elektromotors 110 mit einer geringeren Rotationsgeschwindigkeit und einem höheren Drehzahlmoment, als wenn der Elektromotor 110 bei einem Einstufengetriebe angeordnet wäre. Bei einer Ausführungsform kann die erhöhte Effizienz des Antriebsstrangsystems 100 die Verwendung einer kleineren Batterie oder eines kleineren Elektromotors 110 mit den gleichen Leistungseigenschaften des Fahrzeugs zulassen. Bei einer anderen Ausführungsform kann die erhöhte Effizienz des Antriebsstrangsystems 100 eine verbesserte Beschleunigungsleistung und/oder Fahrzeugreichweite des Fahrzeugs bei Verwendung des gleichen Elektromotors 110 ermöglichen.
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Eine schematische Zeichnung des Antriebsstrangsystems 100 ist in 5 dargestellt. Das Antriebsstrangsystem 100 umfasst einen Kontroller 400, der eine Logik hat, um den Elektromotor 110 und das Mehrstufengetriebe 120 zu steuern, wenn eine Schaltstufenänderung bzw. Schaltung benötigt wird. Der Kontroller 400 gibt Kommandos bzw. Befehle an den Elektromotor 110 aus, um die Rotationsgeschwindigkeit zu verändern, sowie Befehle an das Mehrstufengetriebe 120, um im Hochgeschwindigkeitsmodus oder Niedriggeschwindigkeitsmodus zu arbeiten. Wenn ein Schalten gefordert ist, befiehlt der Kontroller 400 der Kupplung 200, dass augenblicklich gewählte Hohlrad des Hochgeschwindigkeitsgetriebesatzes 135 oder Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatzes 137 vom Getriebegehäuse 300 zu lösen. Wenn das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 und das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 vom Getriebegehäuse 300 gelöst sind, ist das Antriebsstrangsystem 100 im Neutralzustand. Der Kontroller 400 befiehlt dem Elektromotor 110, seine Rotationsgeschwindigkeit derart zu verändern, dass die Rotationsgeschwindigkeit des neu zu wählenden Hohlrades des Hochgeschwindigkeitsgetriebesatzes 135 oder Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatzes 137 gegen Null geht. Der Kontroller 400 ist geeignet, die Rotationsgeschwindigkeit des neu gewählten Hohlrades basierend auf einer Eingabe von zumindest einem Geschwindigkeitssensor 402 zu bestimmen. Wenn der Kontroller 400 bestimmt, dass die Rotationsgeschwindigkeit des neu gewählten Hohlrades gegen Null geht, befiehlt der Kontroller 400 der Kupplung 200 das neu gewählte Hohlrad mit dem Getriebegehäuse 300 in Eingriff zu verbringen. Auf diese Weise arbeitet das Mehrstufengetriebe 120 in einem neuen Geschwindigkeitsmodus.
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Bei einer Ausführungsform kann der Kontroller 400 die Steuerung des Elektromotors 110 zum Verbessern der Schaltleistung des Mehrstufengetriebes 120 ermöglichen. Der Kontroller 400 kann geeignet sein, die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors 110 zu steuern, um das Auftreten eines „Schaltstoßes” im Mehrstufengetriebe 120, oder eine Unterbrechung des Drehmoments durch das Antriebsstrangsystem 100, zu verringern und zu minimieren. Durch die Fähigkeit, präzise die Rotationsgeschwindigkeit des neu gewählten Hohlrades zu bestimmen, ist der Kontroller 400 in der Lage, das neu gewählte Hohlrad bei einer Rotationsgeschwindigkeit, welche gegen Null geht, zu halten, während die Kupplung 200 das neu gewählte Hohlrad mit dem Getriebegehäuse 300 verbindet. Hierdurch ist die Kupplung 200 geeignet, das neugewählte Hohlrad mit dem Getriebegehäuse 300 ohne Unterbrechung des Drehmomentsflusses durch das Antriebsstrangsystem 100 zu verbinden, und dadurch den Schaltstoß für das Mehrstufengetriebe 120 zu verringern.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann der Kontroller 400 geeignet sein, der Kupplung 200 beim Lösen des vorher gewählten Hohlrades zu helfen. Bei bestimmten Betriebsbedingungen können die Zahnräder des Mehrstufengetriebes 120 nur leicht belastet sein, beispielsweise wenn das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit auf einer ebenen Straße fährt. Bei diesen Betriebsbedingungen kann sich die Kupplung 200 leicht vom vorher gewählten Hohlrad lösen, um ein Schalten des Mehrstufengetriebes 120 zu verursachen. Der Kontroller 400 kann den Betriebszustand des Fahrzeugs evaluieren und die Kupplung 200 anweisen, das vorher gewählte Hohlrad zu lösen, während die Trägheit des Fahrzeugs das Fahrzeug weiter trägt. Bei Betriebsbedingungen, wo die Bestandteile des Mehrstufengetriebes 120 unter hoher Last liegen (z. B. während einer maximalen Fahrzeugbeschleunigung oder Verzögerung), kann die Kupplung 200 nicht ausreichend Kraft aufbringen, um die Belastung der Bestandteile zu überwinden. Bei diesen Betriebszuständen kann der Kontroller 400 eine kurze Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors 110 veranlassen. Diese Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors 110 kann bei der Verwendung der Trägheit des Fahrzeugs helfen, um zumindest teilweise die Belastung des Getriebes zu mindern, da die Trägheit das Fahrzeug weiter trägt.
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Bei einer Ausführungsform kann der Kontroller 400 ausgebildet sein, um Hoch- oder Runterschaltbewegungen bzw. -vorgänge des Mehrstufengetriebes 120 basierend auf einer gegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit zu befehlen. Der Kontroller 400 kann das Antriebsstrangsystem 100 derart betreiben, dass der Elektromotor 110 eine Maximalmenge an Zeit in seinem effizientesten Betriebszustand verbringt. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Kontroller 400 ausgebildet sein, um Hoch- und Runterschaltvorgänge des Mehrstufengetriebes 120 basierend auf bekannten Fahrzuständen zu befehlen, um das Schalten von Geschwindigkeitsmodi bei gleichen Fahrgeschwindigkeiten zu vermeiden. Beispielsweise kann der Kontroller 400 konfiguriert sein, um Hoch- oder Runterschaltvorgänge bei Fahrzeuggeschwindigkeiten zu befehlen, die geringfügig kleiner als Autobahngeschwindigkeiten sind, um Hoch- und Runterschaltvorgänge zu minimieren, während das Fahrzeug bei dieser Geschwindigkeit fährt, und um das Ansprechverhalten des Fahrzeugs bei diesen Zuständen zu verbessern.
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Bei einer Ausführungsform kann der Kontroller 400 eine einzelne Kontrolleinheit sein, die dafür ausgebildet ist, den Betrieb des Mehrstufengetriebes 120 zu steuern. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Kontroller 400 in eine Motorsteuereinheit integriert sein. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Kontroller 400 in ein Fahrzeugsteuermodul integriert sein.
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Bei einer Ausführungsform kann das Antriebsstrangsystem 100 zumindest einen Geschwindigkeitssensor 402 umfassen, der dazu verwendet wird, um die Rotationsgeschwindigkeit eines jeden Hohlrades zu berechnen. Bei einer Ausführungsform kann das Antriebsstrangsystem 100 einen Geschwindigkeitssensor umfassen, der die Rotationsgeschwindigkeit des Sonnenrades 130 und des Trägers 160 erfasst. Ein Geschwindigkeitssensor 402 zum Messen der Rotationsgeschwindigkeit des Sonnenrades 130 kann die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors 110, der mit dem Sonnenrad 130 verbunden ist, messen. Ein Geschwindigkeitssensor 402 zum Messen der Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 160 kann die Rotationsgeschwindigkeit des Differenzials 170 oder der Ausgangswelle 180, welche beide mit dem Träger 160 verbunden sind, messen. Durch Messen der Rotationsgeschwindigkeiten dieser Bestandteile können die Rotationsgeschwindigkeiten des Hochgeschwindigkeitshohlrades 150 und des Niedriggeschwindigkeitshohlrades 152 berechnet werden.
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Nachfolgend Bezug nehmend auf die Ausführungsform des Antriebsstrangsystems 100, welches schematisch in 6 dargestellt ist, umfasst das Antriebsstrangsystem 100 einen Elektromotor 110, der mit dem Getriebegehäuse 300 verbunden ist. Der Elektromotor 110 ist mit einer Ausgangswelle 112, die wiederum mit einem Mehrstufengetriebe 120 durch ein Sonnenrad 130 verbunden ist, verbunden. Die Zähne am Sonnenrad 130 kämmen mit den Zähnen des Hochgeschwindigkeitsplanetenrades 140 eines Hochgeschwindigkeitsgetriebesatzes 135, der mit einem Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 eines Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatzes 137 verbunden ist. Das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad 140 und das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 sind in Dauereingriff mit dem Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 und dem Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152. Das Hochgeschwindigkeits- und das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 140, 142 sind an einem Träger 160 montiert und über einem Lager 146, beispielsweise einem Gleitlager, angeordnet, um die Rotation der Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsplanetenräder 140, 142 am Träger 160 zuzulassen. Der Träger 160 ist mit einem Differenzial 170 verbunden, welches Drehmoment an zumindest eine Ausgangswelle 180 anlegt.
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Die Kupplung 200 kann die Hochgeschwindigkeits- oder Niedriggeschwindigkeitshohlräder 150, 152 mit den Getriebegehäuse 300 verbinden, wodurch verschiedene Schaltstufen oder Geschwindigkeitsmodi des Mehrstufengetriebes 120 realisiert werden. Die Kupplung 200, die in 6 gezeigt ist, nutzt einen elektromagnetischen Aktuator 220 um die axiale Position eines Ankers bzw. Läufers 202 zu verändern. Außenkeile 204 am Anker bzw. Läufer 202 sind mit einer Reihe von Innenkeilen 304 im Getriebegehäuse 300 in Eingriff. Die zueinander passenden äußeren und inneren Keile 204, 304 lassen eine axiale Verschiebung des Läufers 202 zu, verhindern jedoch ein Drehen des Läufers 202. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Anker bzw. Läufer 202 vom Drehen im Getriebegehäuse 3 durch zumindest einen in einer Keilnut angeordneten Keil am Drehen gehindert werden. Wenn der Anker 202 an einer rechten Stelle (wie in 6 gezeigt) ist, greifen rechte Keile 206 am Anker 202 in entsprechende Keile 151 am Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 ein. Da der Anker 202 durch die Innenkeile 304 im Getriebegehäuse 300 am Drehen gehindert wird, wird das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 ebenso am Drehen gehindert. Wenn der Anker 202 in dieser Position ist, steuert der Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz 135 die Rotation des Trägers 160, und das Mehrstufengetriebe 120 arbeitet im Hochgeschwindigkeitsmodus. In diesem Betriebsmodus wird ein Drehmoment vom Elektromotor 110 auf das Sonnenrad 130 übertragen, was verursacht, dass das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad 140 dreht und rotiert. Diese rotierende Bewegung verursacht eine Rotation des Trägers, was wiederum eine Drehung des Differenzials 170 nach sich zieht, und die Übertragung des Drehmoments auf die Ausgangswelle 180.
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Wenn der Anker an einer linken Stelle ist (nicht dargestellt) greifen linksseitige Keile 208 am Anker 202 in Keile 158 am Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 ein. Wenn der Anker 202 in dieser Position ist, steuert der Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatz 137 die Rotation des Trägers 160, und das Mehrstufengetriebe 120 arbeitet im Niedriggeschwindigkeitsmodus. In diesem Betriebsmodus wird Drehmoment vom Elektromotor 110 auf das Sonnenrad 130 übertragen, was eine Rotation des Hochgeschwindigkeitsgetriebesatzes 140 verursacht. Das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 dreht mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Hochgeschwindigkeitsplanetenrad 140. Da das Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 mit dem Getriebegehäuse 300 verbunden ist, dreht das Niedriggeschwindigkeitsplanetenrad 142 das Sonnenrad 130. Diese Drehbewegung verursacht eine Drehung des Trägers 160, was wiederum zur Drehung des Differenzials 170 führt und die Übertragung eines Drehmoments auf die Ausgangswelle 180 veranlasst.
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Wie in 7 dargestellt ist, bwegt bzw. verlagert der elektromagnetische Aktuator 220 den Anker 202 in eine Richtung nach links. Während der elektromagnetische Aktuator 220 bestromt ist, legt der elektromagnetische Aktuator 220 eine Anziehungskraft an den Anker 202 an und zieht den Anker 202 in Richtung des Pfeils „L” nach links. Der elektromagnetische Aktuator 220 erzeugt einen magnetischen Flusspfad, der durch „Pfad M” gezeigt ist. Eine Rückstellfeder bringt den Anker 202 nach rechts zurückt, wenn der elektromagnetische Aktuator 220 nicht bestromt ist.
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Nachfolgend Bezug nehmend auf das Antriebsstrangsystem 100, das schematisch in den 8 und 9 gezeigt ist, kann das Mehrstufengetriebe 120 eine Kugelrampenkupplung 240 als Kupplung 200 verwenden. Die Kugelrampenkupplung 240 nutzt einen Rotationsaktuator 244 zum ändern der Rotationsrichtung einer Steuerrampenplatte 242. Die Steuerrampenplatte 242 kann eine Mehrzahl von Öffnungen aufweisen, die teilweise spiralförmig sind. Eine Mehrzahl von Kugeln 246 ist in diese Öffnungen eingefügt und steht mit einer Wahlscheibe bzw. Auswahlplatte 241 in Kontakt. Die Außenkeile 204 an der Auswahlplatte 241 kämmen mit Innenkeilen 304 am Getriebegehäuse 300. Die zueinander passenden Außen- und Innenkeile 204, 304 ermöglichen eine axiale Verlagerung der Auswahlplatte 241, verhindern aber eine Rotation der Auswahlplatte 241. Wenn der Rotationsaktuator 240 die Steuerrampenplatte 242 in eine Richtung dreht, ändern die Kugeln 246 ihre Position in der Steuerrampenplatte 242 und bewegen sich enger in den spiralförmigen Öffnungen. Wenn die Kugeln 246 in den spiralförmigen Öffnungen der Steuerrampenplatte 242 oberflächlich positioniert sind, ist die Auswahlplatte 241 in einer rechten Position. In dieser Position können die rechten Keile 206 der Auswahlplatte 241 in die Keile 151 am Hochgeschwindigkeitshohlrad eingreifen. In dieser Ausrichtung verursacht die Auswahlplatte 241 den Betrieb des Mehrstufengetriebes 120 im Hochgeschwindigkeitsmodus, so dass der Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz 135 die Rotation des Trägers 160 steuert.
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Wenn der Rotationsaktuator 244 die Steuerrampenplatte 242 in die entgegen gesetzte Richtung dreht, bewegen sich die Kugeln zu einem tieferen Abschnitt in den spiralförmigen Öffnungen. Wenn die Kugeln 246 tief in den spiralförmigen Öffnungen der Steuerrampenplatte 242 angeordnet sind, gleitet eine Rückstellfeder 305 die Auswahlplatte 241 nach links, so dass die Auswahlplatte 241 in einer linken Position ist. In dieser Position können die linken Keile 208 der Auswahlplatte 241 mit Keilen 158 am Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 kämmen. Bei dieser Ausrichtung verursacht die Auswahlplatte 241 den Betrieb des Mehrstufengetriebes 120 im Niedriggeschwindigkeitsmodus, so dass der Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatz 137 die Rotation des Trägers 160 steuert.
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Nunmehr Bezug nehmend auf die Ausführungsform des Antriebsstrangsystems 100, welches schematisch in 10 dargestellt ist, kann das Mehrstufengetriebe 120 eine SOWC 270 als Kupplung 200 verwenden. Ein Freilauf bzw. eine Einwegkupplung kann als mechanische Diode betrachtet werden, die zueinander benachbarten Teilen erlaubt, sich in lediglich eine Richtung relativ zueinander zu bewegen. Eine SOWC ist ein Freilauf, der angesteuert werden kann, so dass das Bewegen zwischen angrenzenden Teilen zugelassen oder verhindert werden kann. Bei dem hier beschriebenen Antriebsstrangsystem 100 ist ein Beispiel einer SOWC eine steuerbare, mechanische Diode, die von Means Industries in Saginaw, Michigan erhältlich ist. Eine SOWC kann eine Anzahl von Auswahlsperren umfassen, die von einer Taschenplatte bzw. einem Taschenblech vorstehen und mit einer Lochplatte bzw. Rastscheibe verbunden werden, um die Rotation der Rastscheibe zu verhindern. Die Bewegung der Auswahlsperren wird durch eine Wahlscheibe bzw. Auswahlplatte gesteuert. Die Auswahlplatte kann eine Reihe von Öffnungen haben, welche Steuern, ob die Auswahlsperren hervor stehen und dadurch das Taschenblech und die Rastscheibe miteinander verbinden. Wenn die Auswahlsperren zurückgezogen sind, kann die Rastscheibe frei drehen.
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Wie in 10 gezeigt ist, umfasst die SOWC 270 eine Taschenplatte bzw. ein Taschenblech 280, eine Hochgeschwindigkeitsauswahlplatte 276, eine Hochgeschwindigkeitsrastscheibe 274, eine Niedriggeschwindigkeitsauswahlplatte 296 und eine Niedriggeschwindigkeitsrastscheibe 294. Die Hochgeschwindigkeitsrastscheibe 274 hat eine Reihe von Keilen 272 die mit Keilen 151 am Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 des Hochgeschwindigkeitsgetriebesatzes 135 kämmen. Die Niedriggeschwindigkeitsrastscheibe 294 hat eine Reihe von Keilen 292, die mit Keilen 158 am Niedriggeschwindigkeitshohlrad 152 des Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatzes 137 kämmen. Eine Mehrzahl von Auswahlsperren kann von einer Ausnehmung 282 in dem Taschenblech 280 vorstehen. Das Taschenblech 280 hat eine Reihe von Außenkeilen 284, die mit einer Reihe von Innenkeilen 304 am Getriebegehäuse 300 übereinstimmen. Die übereinstimmenden Außen- und Innenkeile 284, 304 verhindern ein Drehen des Taschenblechs 280.
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Wenn das in 10 gezeigte Mehrstufengetriebe 120 im Niedriggeschwindigkeitsmodus betrieben wird, so dass der Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatz 137 die Rotation des Trägers 160 steuert, kann die Niedriggeschwindigkeitsauswahlplatte 296 in einer „offenen” Stellung sein, so dass die Auswahlsperren von der Ausnehmung 282 in dem Taschenblech 280 zur Niedriggeschwindigkeitsrastscheibe 292 stoßen können. Die Hochgeschwindigkeitsauswahlplatte 276 kann in einer „geschlossenen” Stellung sein, so dass die Auswahlsperren nicht von dem Taschenblech 280 zur Hochgeschwindigkeitsrastscheibe 274 gelangen können. Die Hochgeschwindigkeitsrastscheibe 274 und das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 können daher frei drehen.
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Wenn ein Hochschalten des Mehrstufengetriebes 120 gefordert wird, dreht die Niedriggeschwindigkeitsauswahlplatte 296 in einer „geschlossenen” Stellung bzw. Position und zwingt die Auswahlsperren, sich von der Niedriggeschwindigkeitsrastscheibe 292 zu lösen. Der Elektromotor 110 verringert dann seine Rotationsgeschwindigkeit, so dass das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 des Hochgeschwindigkeitsgetriebesatzes 135 und die Hochgeschwindigkeitsrastscheibe 174 eine Geschwindigkeit von Null erreichen. Wenn das Hochgeschwindigkeitshohlrad 150 und die Hochgeschwindigkeitsrastscheibe 274 eine Geschwindigkeit von Null erreichen, dreht die Hochgeschwindigkeitsauswahlplatte 276 in eine „offene” Position, wodurch eine Mehrzahl der Auswahlsperren vorsteht, und dadurch das Taschenblech 280 und die Hochgeschwindigkeitsrastscheibe 274 verbindet, und das Drehen der Hochgeschwindigkeitsrastscheibe 374 und des Hochgeschwindigkeitshohlrades 150 unterbindet. Das Mehrstufengetriebe 120 arbeitet dann im Hochgeschwindigkeitsmodus, so dass der Hochgeschwindigkeitsgetriebesatz 135 die Rotation des Trägers 160 steuert.
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Bei einer Ausführungsform kann die SOWC 270 durch einen Servomechanismus betätigt werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die SOWC 270 durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigt werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die SOWC 270 durch einen hydraulischen Aktuator betätigt werden.
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Das Verwenden der SOWCs 270 macht es möglich, das Antriebsstrangsystem 100 in einer Mehrzahl von Geschwindigkeitsmodi durch das Hinzufügen entsprechender Planetenräder, Hohlräder und SOWC-Komponenten zu betreiben.
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Es ist ersichtlich, dass das hydrauliklose Mehrstufengetriebe für Elektrofahrzeuge und Brennstoffzellenhybridfahrzeuge eine Kupplung zum selektiven Einrücken eines Hochgeschwindigkeitsgetriebesatzes oder eines Niedriggeschwindigkeitsgetriebesatzes mit einem Getriebegehäuse hat. Wenn das Mehrstufengetriebe im Neutralzustand ist, kann die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors erhöht oder gesenkt werden, so dass die Rotationsgeschwindigkeit des Hohlrades des neu gewählten Getriebesatzes gegen Null geht. Durch Verringern der Rotationsgeschwindigkeit des Hohlrades kann ein weiches Schalten durch Verwendung einer Kupplung, aber ohne Verwendung einer Kupplung, welche Reibungselemente nutzt, erzielt werden. Das Fahrzeugantriebsstrangsystem kann einen Kontroller umfassen, der die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors erhöhen oder senken kann, um die Rotationsgeschwindigkeit des geeigneten Hohlrades zu senken.
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Es sei angemerkt, dass die Begriffe „im Wesentlichen” und „etwa” hier dazu verwendet werden können, um einen gewissen Grad von Unsicherheit abzubilden, der durch einen quantitativen Vergleich, Werte, Messwerte und andere Darstellungen abgebildet werden kann. Diese Begriffe werden auch dazu verwendet, um den Grad darzustellen, durch welchen die quantitative Darstellung von einer gegebenen Referenz abweicht, ohne in einer Änderung der Grundfunktion des beanspruchten Gegenstandes zu münden.
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Obgleich vorstehend bestimmte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, ist klar, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Geist und Umfang des beanspruchten Gegenstandes abzuweichen. Darüber hinaus müssen, obgleich verschiedene Aspekte des beanspruchten Gegenstandes hier beschrieben wurden, derartige Aspekte nicht miteinander kombiniert verwendet werden. Es ist daher beabsichtig, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Änderungen und Modifikationen, die in den Unfang des beanspruchten Gegenstandes fallen, abdecken.
