DE112015003345T5

DE112015003345T5 - Multimodale Kupplung für ein TTR-Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE112015003345T5
Application number: DE112015003345.9T
Authority: DE
Inventors: Christopher A. Spangler
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2017-04-13
Also published as: WO2016028836A1; CN106604841A; US20170240038A1; US10434863B2

Abstract

Eine multimodale Kupplung kann dazu geeignet sein, selektiv Vorder- und/oder Hinterachsen mit jeweiligen Verbrennungsmotor- und Elektromotor-Antriebssträngen, die in einem TTR-Hybridfahrzeug mit diesen vorderen und hinteren Antriebsachsen verbunden sind, zu verbinden und davon zu trennen. Zum Beispiel kann der Verbrennungsmotor Teil eines Vorderachsantriebsstrangs sein, der mit den Vorderrädern verbunden ist, während der Elektromotor Teil eines separaten Hinterachsantriebsstrangs sein kann, der mit den Hinterrädern verbunden ist, oder umgekehrt. Durch selektive Trennung einer Achse, die nicht aktiv angetrieben wird, kann eine Verringerung von parasitären Verlusten in Echtzeit erreicht werden, was zu insgesamt höherer betrieblicher Effizienz führen kann. Die multimodale Kupplung bietet größere Flexibilität im Vergleich zur Verwendung von üblichen Reibungskupplungen; jede multimodale Kupplung kann vier verschiedene Betriebsmodi bieten, um eine breite Vielfalt von Antriebszuständen zu ermöglichen. Zum Beispiel kann ein Freilauf der Hinterachse in beiden Drehrichtungen auftreten, wann immer der Elektromotor nicht in Verwendung steht.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung ist eine Anmeldung gemäß 35 USC §371 für die nationale Phase und beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/040,701, die am 22. August 2014 eingereicht wurde.
Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft allgemein TTR-Hybridfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor, der eine Achse antreibt, und einem Elektromotor, der unabhängig eine zweite Achse antreibt, und insbesondere ein solches Hybridfahrzeug, das zwei Leistungsquellen einsetzt, wobei zumindest eine multimodale mechanische Kupplung dazu geeignet ist, zumindest eine der beiden Achsen von ihrer jeweiligen Leistungsquelle zu trennen.
Hintergrund
Hybridfahrzeuge werden in der Regel durch die Kombination eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors angetrieben. Bei einem sog. ”Through-the-road”- oder TTR-Hybridfahrzeug werden zumindest zwei Achsen separat angetrieben; der Verbrennungsmotor ist dazu ausgestaltet, eine Achse anzutreiben, während der Elektromotor dazu ausgestaltet ist, separat und unabhängig die zweite Achse anzutreiben.
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften ”TTR”-Hybridfahrzeugs 10, das in der Technik bereits bekannt ist. Das Fahrzeug 10 umfasst eine erste Achse 12, die dazu geeignet ist, ein erstes Paar von Rädern 14, 16 über ein erstes Differential 18 anzutreiben. Das Fahrzeug 10 umfasst eine zweite Achse 20, die dazu geeignet ist, ein zweites Paar von Rädern 22, 24 über ein zweites Differential 26 anzutreiben. Obwohl hierin das erste Paar von Rädern 14, 16 als Vorderräder dargestellt ist, und das zweite Paar von Rädern 22, 24 die Hinterräder bilden kann, kann jedes Paar von Rädern in Abhängigkeit von der Natur eines gegebenen Fahrzeugs 10 die Vorderräder oder die Hinterräder des Fahrzeugs 10 bilden.
Das Fahrzeug 10 umfasst einen Vorderachs-Antriebsstrang 28 mit einem Verbrennungsmotor 30, der mit einem Getriebe (oder Getriebekasten) 32 über eine Reibungskupplung 34 verbunden ist. Zu diesem Zweck umfasst das Getriebe 32 einen Eingang (nicht dargestellt), der dazu geeignet ist, an einem dem Verbrennungsmotor 30 naheliegenden Ende des Getriebes mit der Reibungskupplung 34 in und außer Eingriff zu gelangen. Interne Übersetzungen und eine Ausgangswelle (beides nicht dargestellt) des Getriebes 32 übertragen Motordrehmoment über die Reibungskupplung 34 von dem Verbrennungsmotor 30 an das erste Differential 18 durch eine Antriebswelle (nicht dargestellt). In der hierin beschriebenen TTR-Ausführungsform ist der Antriebsstrang 28 dazu ausgestaltet, nur die erste Achse 12 und die ihr zugeordneten Komponenten anzutreiben, einschließlich des ersten Differentials 18.
In der Regel wird die zweite oder hintere Achse 20 in dem TTR-Fahrzeug 10 im Gegensatz zur ersten Achse 12 separat und unabhängig durch einen Elektromotor 40 angetrieben. Somit treibt der Elektromotor 40 die Hinterräder 22, 24 durch ein optionales Getriebe 42 (zum Beispiel um ein Übersetzungsverhältnis mit zwei Drehzahlen bereitzustellen) mit einer Ausgangswelle (nicht dargestellt), die mit dem zweiten Differential 26 gekoppelt ist. Alternativ kann der Elektromotor 40 eine Ausgangswelle aufweisen, die direkt mit dem zweiten Differential 26 gekoppelt ist, um eine Festdrehzahl-Antriebskonfiguration bereitzustellen. Unabhängig davon, ob die Hinterachse mit Festdrehzahl oder mit zwei Drehzahlen arbeitet, kann der Elektromotor 40, mit dem zweiten Differential 26 und anderen Komponenten, die dazu ausgestaltet sind, die zweite Achse 20 anzutreiben, hierin als die Hinterachs-Antriebsstrang 44 bezeichnet werden.
Dem Hinterachs-Antriebsstrang 44 beigeordnet ist ein Wandler 50, der dazu ausgestaltet ist, selektiv regenerative Leistung an eine aufladbare Batterie 52 zu liefern, die dazu geeignet ist, den Elektromotor zu versorgen.
Die Komponenten des beschriebenen Hybridfahrzeugs 10 können in Übereinstimmung mit Antriebszuständen betrieben und/oder gesteuert werden, um eine effiziente Ausnützung der Vorder- und Hinterachs-Antriebsstränge 28, 44, d. h., des Verbrennungsmotors 30 und des Elektromotors 40, auf unterschiedliche Weise zu optimieren. Zum Beispiel kann in einer Kombination von Stop-and-Go-Betrieb und langsamerer Fahrt im Stadtbereich der hintere, durch den Elektromotor angetriebene Antriebsstrang 44 stärker eingesetzt werden als der vordere, vom Verbrennungsmotor angetriebene Antriebsstrang 28, so dass der Antriebsstrang 44 die effizienteste Leistung bieten kann, während Kraftstoff gespart werden kann. Bei Fahrten auf Autobahnen, mit weniger Stop-and-Go und höheren Geschwindigkeiten, kann sich eine stärkere Nutzung des Antriebsstrangs 28 als am effizientesten erweisen, aus Gründen, die dem Fachmann klar sein werden.
Bei Verwendung des Verbrennungsmotor-Antriebsstrangs 28 wird die Reibungskupplung 34 ein- oder ausgerückt, um selektiv den Verbrennungsmotor 30 mit dem Getriebe 32 zu verbinden oder davon zu trennen, so dass Leistung von dem Verbrennungsmotor 30 an die Vorderachse 12 geliefert wird. Zur gleichen Zeit, in der die Vorderachse 12 angetrieben wird, kann der Elektromotor 40 gesteuert werden, um zusätzliche Leistungsverstärkungen an die Hinterachse 20 zu liefern, oder alternativ die Leistung, die von dem Verbrennungsmotor 30 geliefert wird, zu verwenden, um die Batterie 52 aufzuladen. Umgekehrt kann bei Stadtfahrten die Reibungskupplung 34 geöffnet werden, um den Verbrennungsmotor 30 vom Antrieb der Vorderachse 12 zu trennen, und Leistung von der Batterie 48 kann von dem Elektromotor 40 verwendet werden, um das Fahrzeug 10 über die Hinterachse 20 anzutreiben. In letzterem Fahrzustand kann der Verbrennungsmotor 30 vollständig gestoppt werden, und/oder die Reibungskupplung 34 geöffnet oder ausgerückt werden, um Kraftstoff zu sparen. Bei einer momentanen Beschleunigung des Fahrzeugs 10 kann die Reibungskupplung 34 wieder eingerückt werden, um eine schnellere Beschleunigung bereitzustellen, wodurch Leistung von beiden Motoren 30 und 40 genützt wird. In einer weiteren Variation kann die Reibungskupplung 34 geöffnet oder ausgerückt werden, um den Verbrennungsmotor 30 bei der Verlangsamung zu trennen, so dass der Elektromotor 40 die Batterie 48 effizienter, d. h. ohne Leistungsverluste durch Motorreibung, aufladen kann.
Bei derzeit bekannten Anordnungen der Reibungskupplung 34 in dem TTR-Hybridfahrzeug 10 ist die Reibungskupplung 34 in ihrer eingerückten oder geschlossenen Stellung dazu ausgestaltet, den Vorderachs-Antriebsstrang 28 zur Drehung der Vorderachse in beiden Richtungen zu sperren. In dieser eingerückten oder offenen Stellung der Reibungskupplung 34 ist die Vorderachse 12 frei, sich in beide Richtungen zu drehen. Diese Anordnung kann zu Ineffizienzen im Betrieb des Hybridfahrzeugs 10 führen. Wann immer die Reibungskupplung 34 eingerückt ist, um das Fahrzeug 10 unter der Leistung des Verbrennungsmotors 30 anzutreiben, oder während das Fahrzeug 10 unter kombinierter Leistung des Verbrennungsmotors 30 und des Elektromotors 40 beschleunigt, kann jede Verlangsamung des Verbrennungsmotors 30 Drehverluste verursachen, während der Vorderachs-Antriebsstrang 28 verzögert, bis die Reibungskupplung 34 betätigt wird, um sich zu öffnen und den Verbrennungsmotor 30 von dem Getriebe 32 zu trennen.
Wenn die Reibungskupplung 34 geschlossen bleibt, treten Motordrehungsverluste auf. Dies kann für solche Fahrzeuge 10 in Situationen wünschenswert sein, wo eine Motorbremswirkung erwünscht ist. Bei den meisten Hybridfahrzeugen wird stattdessen eine Bremsung zur regenerativen Batterieladung vorgezogen, um auf möglichst effiziente Weise die aufladbare Batterie 52 über den Wandler 50 zu laden. Wenn die Reibungskupplung 34 betätigt wird, um den Verbrennungsmotor 30 zu trennen, können Motordrehverluste vermieden werden, doch bleiben die Drehverluste bei geöffneter Reibungskupplung bestehen, da die relativ großen Oberflächenbereiche der zueinander weisenden Kupplungsscheiben einer Ölscherwirkung mit entsprechendem viskosem Reibungsdrehmoment unterliegen.
Da zusätzlich die Reibungskupplung 34 wieder geschlossen werden muss, wann immer der Verbrennungsmotor 30 Leistung an die angetriebenen Räder 14, 16 liefern soll, kann die Option, die Reibungskupplung 34 geschlossen zu halten, die Effizienz beeinträchtigen, die durch das Hybridfahrzeug 10 gerade erzielt werden soll. Somit kann das Öffnen und Schließen der Reibungskupplung 34 effektiv die Effizienz beeinträchtigen, die gerade erzielt werden soll, aufgrund des viskosen Reibungsdrehmoments und der entsprechenden Drehverluste bei offener Kupplung, sowie der Zunahme in den Lastzyklen, die für die Betätigung der Reibungskupplung 34 erforderlich sind. Daher herrscht Bedarf nach einer verbesserten Strategie zum Schalten zwischen den Leistungsquellen eines TTR-Hybridfahrzeugs, die die Energieeffizienz erhöhen kann, ohne die Drehverluste zu erhöhen.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Hybridfahrzeug erste und zweite Achsen, wobei jede Achse ein angetriebenes Rad an jedem ihrer Enden aufweist. Ein durch einen Verbrennungsmotor angetriebener Antriebsstrang ist selektiv mit der ersten Achse wirkverbunden, und ein durch einen Elektromotor angetriebener Antriebsstrang ist unabhängig und selektiv mit der zweiten Achse wirkverbunden. Eine multimodale Kupplung ist dazu ausgestaltet, zumindest einen von (a) dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang mit der ersten Achse, und (b) dem durch den Elektromotor angetriebenen Antriebsstrang mit der zweiten Achse wirkmäßig miteinander zu verbinden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Hybridfahrzeug des Weiteren die multimodale Kupplung mit einem ersten Modus, der der ersten Achse und dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang erlaubt, sich unabhängig voneinander in beiden Drehrichtungen zu drehen, und einem zweiten Modus, in dem die multimodale Kupplung operativ die erste Achse mit dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang koppelt, so dass die erste Achse und der durch den Verbrennungsmotor angetriebene Antriebsstrang sich gemeinsam in einer Richtung drehen und sich unabhängig voneinander in einer entgegengesetzten Richtung drehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Hybridfahrzeug des Weiteren einen dritten Modus der multimodalen Kupplung, wobei die multimodale Kupplung wirkmäßig die erste Achse mit dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang koppelt, so dass die erste Achse und der durch den Verbrennungsmotor angetriebene Antriebsstrang sich gemeinsam in beiden Drehrichtungen drehen.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Hybridfahrzeug des Weiteren ein Steuergerät, das mit dem durch den Elektromotor angetriebenen Antriebsstrang wirkverbunden ist, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, Steuersignale an den Elektromotor und den Verbrennungsmotor zu übertragen, um die Drehzahl des Elektromotors relativ zu jener des Verbrennungsmotors als eine kombinierte Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Drehzahl des Elektromotors bei Übergängen zwischen den vorderen und hinteren Antriebssträngen zu steuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die multimodale Kupplung des Hybridfahrzeugs einen ersten Laufring, der eine Achse definiert, wobei einer der durch den Verbrennungsmotor oder durch den Elektromotor angetriebenen Antriebsstränge und eine der ersten und zweiten Achsen mit dem ersten Laufring zur Drehung damit verbunden ist, einen zweiten Laufring, der radial um dieselbe Achse herum angeordnet ist und sich in Umfangsrichtung um die Achse erstreckt, wobei der jeweils andere der Antriebsstränge und der Achsen mit dem zweiten Laufring zur Drehung damit wirkverbunden ist, des Weiteren entgegengesetzte Paare von Sperrklinken, die mit dem ersten Laufring wirkverbunden und relativ zu dem ersten Laufring beweglich sind, sowie einen Betätigungsnocken, der zur Bewegung relativ zu dem zweiten Laufring geeignet ist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Hybridfahrzeug des Weiteren eine erste auswählbare Betätigungsnockenstellung, die einem ersten Modus der multimodalen Kupplung entspricht, wobei der Betätigungsnocken in die Paare von entgegengesetzten Sperrklinken eingreift, um zu verhindern, dass die Sperrklinken in den zweiten Laufring eingreifen, und dem ersten Laufring zu erlauben, sich unabhängig von dem zweiten Laufring in beide Richtungen einer ersten Drehrichtung und einer zweiten Drehrichtung zu drehen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Hybridfahrzeug des Weiteren eine zweite auswählbare Betätigungsnockenstellung, die einem zweiten Modus der multimodalen Kupplung entspricht, wobei die Drehung des ersten Laufrings in eine erste Drehrichtung ein erstes der Paare von entgegengesetzten Sperrklinken veranlasst, in den zweiten Laufring einzugreifen und dadurch den ersten Laufring und den zweiten Laufring zur Drehung in der ersten Drehrichtung miteinander zu sperren, und wobei die Drehung des ersten Laufrings in der zweiten Drehrichtung ein zweites der der Paare von entgegengesetzten Sperrklinken veranlasst, in den zweiten Laufring einzugreifen und dadurch den ersten Laufring und den zweiten Laufring zur Drehung in der zweiten Drehrichtung miteinander zu sperren.
Weitere Aspekte sind durch die Ansprüche dieses Patents definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines bereits bekannten TTR-Hybridfahrzeugs eines Typs mit einer Reibungskupplung, die einen Verbrennungsmotor mit einem Getriebe verbindet;
2 ist eine schematische Veranschaulichung eines TTR-Hybridfahrzeugs, das multimodale Kupplungen gemäß der vorliegenden Offenbarung einbezieht;
3 ist eine perspektivische und geschnittene Ansicht einer möglichen Ausführungsform einer multimodalen Kupplung, die schematisch in dem TTR-Hybridfahrzeug von 2 abgebildet ist;
4 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Teils einer möglichen Ausführungsform der multimodalen Kupplung von 3, wobei die Platte nahe dem inneren Laufring entfernt wurde, um die innenliegenden Komponenten freizulegen, und mit einem Betätigungsnocken in einer in einer Richtung gesperrten und in einer Richtung freigegebenen Stellung;
5 ist eine Ansicht desselben Teils wie in 4, wobei der Betätigungsnocken jedoch in einer in beiden Richtungen freigegebenen Stellung gezeigt ist;
6 ist eine Ansicht desselben Teils wie in 4, wobei der Betätigungsnocken jedoch in einer in beiden Richtungen gesperrten Stellung gezeigt ist;
7 ist ein erstes Diagramm, das verschiedene Betriebskonfigurationen eines Vorderachs-Antriebsstrangs detailliert;
8 ist ein zweites Diagramm, das verschiedene Betriebskonfigurationen eines Hinterachs-Antriebsstrangs detailliert; und
9 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte elektronische Steuereinheit und zugehörige Komponenten abbildet, die in dem TTR-Hybridfahrzeug von 2 eingesetzt werden können.
Detaillierte Beschreibung
Obwohl die folgende Beschreibung zahlreiche Ausführungsformen anspricht, ist jede dieser Ausführungsformen rein beispielhaft. Zahlreiche alternative Ausführungsformen, die hierin nicht dargelegt sind, können ebenfalls gemäß der Offenbarung implementiert werden, und auch diese können in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, die den Schutzbereich der Erfindung definieren. Darüber hinaus sind die in den Ansprüchen zitierten Begriffe weder implizit noch auf andere Weise auf eine einzelne, spezielle Bedeutung eingeschränkt.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst eine schematische Veranschaulichung einer Ausführungsform eines TTR-Hybridfahrzeugs 110, das gemäß der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist, eine erste Achse 112, die dazu geeignet ist, ein Paar von angetriebenen Vorderrädern 114, 116 durch ein erstes Differential 118 anzutreiben. Das Fahrzeug 110 umfasst eine zweite Achse 120, die dazu geeignet ist, ein zweites Paar von Rädern 122, 124 über ein zweites Differential 126 anzutreiben. Obwohl hierin das erste Paar von Rädern 114, 116 als Vorderräder dargestellt ist, und das zweite Paar von Rädern 122, 124 die Hinterräder bilden kann, kann jedes Paar von Rädern in Abhängigkeit von der Natur eines gegebenen Fahrzeugs 110 die Vorderräder oder die Hinterräder des Fahrzeugs 110 bilden.
Das Fahrzeug 110 umfasst einen Vorderachs-Antriebsstrang 128, der dazu geeignet ist, die Vorderachse 112 anzutreiben. Der Antriebsstrang 128 umfasst einen Verbrennungsmotor 130, der mit einem Getriebe (oder Getriebekasten) 132 gekoppelt ist, das durch einen Drehmomentwandler 134 von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Eine multimodale Kupplung 136 ist zwischen dem Getriebe 132 und dem Differential 118 angeordnet. Die multimodale Kupplung 136 und ihr Betrieb werden im Folgenden im Detail erörtert. In der gezeigten Konfiguration wird Motordrehmoment von dem Verbrennungsmotor 130, durch den Drehmomentwandler 134 und schließlich durch die erste Achse 112 über das erste Differential 118 übertragen. In der hierin beschriebenen TTR-Ausführungsform ist der Antriebsstrang 128 dazu ausgestaltet, nur die erste Achse 112 und die ihr zugeordneten Komponenten anzutreiben, einschließlich des ersten Differentials 118.
Das TTR-Fahrzeug 110 bezieht eine zweite Achse 120 ein, die separat und unabhängig durch einen Elektromotor 140 angetrieben wird. In dieser Konfiguration treibt der Elektromotor 140 selektiv die Hinterräder 122, 124 durch ein optionales Getriebe 142 mit einer Ausgangswelle (nicht dargestellt) an, die mit dem zweiten Differential 126 gekoppelt ist. Alternativ kann der Elektromotor 140 eine Ausgangswelle aufweisen, die direkt mit dem zweiten Differential 126 gekoppelt ist, um eine Festdrehzahl-Antriebskonfiguration bereitzustellen. Unabhängig davon, ob die Hinterachse mit Festdrehzahl oder mit zwei Drehzahlen arbeitet, wird der Elektromotor 140, mit dem zweiten Differential 126 und anderen Komponenten, die dazu ausgestaltet sind, die zweite Achse 120 anzutreiben, hierin als der Hinterachs-Antriebsstrang 144 bezeichnet.
Zwischen dem Getriebe 142 und einem Differential 126 ist eine zweite multimodale Kupplung 138 angeordnet, die ähnlich wie die multimodale Kupplung 136 des Vorderachs-Antriebsstrangs 128 arbeitet. Ein Wandler und eine aufladbare Batterie (beide in 2 nicht dargestellt) sind ebenfalls der Hinterachs-Antriebsstrang 144 zugeordnet und haben ähnliche Funktionen, wie sie bereits in Bezug auf 1 beschrieben wurden, einschließlich der Übertragung von elektrischer Leistung zwischen dem Elektromotor 140 und der aufladbaren Batterie.
Nun bezugnehmend auf 3 können die vorderen und hinteren multimodalen Kupplungen 136, 138 des TTR-Hybridfahrzeugs 110 von 2 anstelle der Kupplungen vom Reibungstyp 34 eingesetzt werden, die in der Regel in dem TTR-Hybridfahrzeug 10 verwendet werden. In der Tat wird der Fachmann erkennen, dass mit der Einbeziehung der multimodalen Kupplung 136, 138 die Kupplung 34 durch den einfachen Drehmomentwandler 134 ersetzt werden kann, der in 2 gezeigt wird.
Die multimodale Kupplung 136, 138 kann von dem Typ sein, der in der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/758,356, eingereicht am 30. Januar 2013 von Papania mit dem Titel "Multi-Mode Clutch Module” (Multimodales Kupplungsmodul) beschrieben und veranschaulicht wird, die durch Verweis hierin aufgenommen ist.
Die multimodale Kupplung 136 kann identisch mit der multimodalen Kupplung 138 sein und auf ähnliche Weise arbeiten. Der Kürze halber wird daher die multimodale Kupplung 136, 138 nur in Bezug auf die Vorderachse in der veranschaulichten Ausführungsform beschrieben. Dem Fachmann wird klar sein, dass die multimodale Kupplung 136, 138 eine innenliegende angetriebene Nabe 150 umfassen kann, die mit einer Ausgangswelle (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 130 zur Drehung damit wirkverbunden sein kann, sowie ein äußeres Gehäuse 152, das mit einer Getriebewelle (nicht dargestellt) zur Drehung damit wirkverbunden sein kann. Der Fachmann versteht, dass die angetriebene Nabe 150 alternativ mit der Getriebewelle wirkverbunden sein kann, und das äußere Gehäuse 152 mit der Ausgangswelle verbunden sein kann. Die angetriebene Nabe 150 kann ein Feld von in Umfangsrichtung beabstandeten Zähnen 154 enthalten, die dazu geeignet sind, einen ersten inneren Laufring 156 an der angetriebenen Nabe 150 zur Drehung damit zu sichern. Wie offenbart besteht der innere Laufring 156 physisch aus beabstandeten ersten und zweiten inneren Laufringplatten 156A, 156B. Ein zweiter äußerer Laufring 158, der zwischen dem Paar von inneren Laufringplatten 156A, 156B eingebracht ist, ist so angeordnet, dass die relative Drehung zwischen dem inneren Laufring 156 und dem äußeren Laufring 158 ermöglicht wird, wobei der äußere Laufring 158 mit dem äußeren Gehäuse 152 zur Drehung damit wirkmäßig gekoppelt ist.
In der vorliegenden Konstruktion der multimodalen Kupplung 136, 138 ist ein Betätigungsnocken 160 zwischen einer der inneren Laufringplatten 156A, 156B und dem äußeren Laufring 158 zur Drehung über einen vorbestimmten Winkel um eine gemeinsame Achse der angetriebenen Nabe 150 und des äußeren Gehäuses 152 angeordnet, um die Bewegungen von Paaren von entgegengesetzten Sperrklinken 162, 164 zu steuern, wie im Folgenden noch detailliert beschrieben wird. Die Sätze von Sperrklinken 162, 164 sind zwischen den inneren Laufringplatten 156A, 156B gefangen, und somit gehalten, um unter Steuerung durch den Betätigungsnocken 160 begrenzte Winkelbewegungen der Sperrklinken 162, 164 zu erlauben, die jeweils in schleifenförmigen Öffnungen 166, 168 gehalten sind. In jedem Satz ist die kombinierte Sperrklinke 162 mit der entsprechenden Öffnung 166 der kombinierten Sperrklinke 164 mit der entsprechenden Öffnung 168 ähnlich ausgebildet, jedoch entgegengesetzt orientiert. Die Elemente der multimodalen Kupplung 136, 138 sind innerhalb des äußeren Gehäuses 152 enthalten. Eine Vielzahl von beabstandeten Öffnungen 170 ist dazu geeignet, Nieten (nicht dargestellt) aufzunehmen, um eine fixe und starre Sicherung jeder der inneren Laufringplatten 156A und 156B relativ zu der anderen bereitzustellen.
Die Komponenten der multimodalen Kupplung 136, 138 sind in den 4 bis 6 abgebildet, um verschiedene Betriebsmodi der multimodalen Kupplung 136, 138 zur Steuerung der relativen Drehung zwischen der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors 130 und der Getriebewelle zu veranschaulichen. Zuerst bezugnehmend auf 4 ist der äußere Laufring 158 dazu ausgestaltet, Wechselwirkungen mit den Sperrklinken 162, 164 aufzunehmen, indem der innere Umfang des äußeren Laufrings 158 mit in Umfangsrichtung beabstandeten Kerben 172 versehen ist, die jeweils durch Paare von radial einwärts vorspringenden Zähnen 174 definiert und zwischen diesen positioniert sind. Die Kerben 172 und Zähne 174 sind so ausgestaltet, dass bei Fehlen des Betätigungsnockens 160 ein Fußende 176 jeder Sperrklinke 162 in eine der Kerben 172 eintritt und mit dem entsprechenden Zahn 174 eingreift, wenn die angetriebene Nabe 150 und der innere Laufring 156 sich relativ zu dem äußeren Gehäuse 152 und dem äußeren Laufring 158 in einer Richtung im Uhrzeigersinn (wie in 4 gesehen) drehen, um die Ausgangswelle 122 und die Getriebewelle 128 zu veranlassen, sich gemeinsam zu drehen. In ähnlicher Weise tritt ein Fußende 178 jeder Sperrklinke 164 in eine der Kerben 172 ein und greift in den entsprechenden Zahn 152 ein, wenn die angetriebene Nabe 150 und der innere Laufring 156 sich relativ zu dem äußeren Gehäuse 152 und dem äußeren Laufring 158 in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn drehen, um die Ausgangswelle 122 und die Getriebewelle 128 zu veranlassen, sich gemeinsam zu drehen.
An seinem inneren Umfang umfasst der Betätigungsnocken 160 ein strategisch angeordnetes Feld von in Umfangsrichtung beabstandeten Vertiefungen, die hierin als Schlitze 180 bezeichnet werden, die durch hierin als Nockenzähne 182 bezeichnete Vorsprünge 182 definiert werden und dazwischen angeordnet sind. Die Schlitze 180 und die Nockenzähne 182 sind dazu geeignet, mit den Sperrklinken 162, 164 zu interagieren, um jeweils deren Bewegung innerhalb der Öffnungen 166, 168 sowie ihre Anordnung innerhalb der Kerben 172 und ihren Eingriff mit den Zähnen 174 zu steuern, wie noch genauer beschrieben werden wird. Der Betätigungsnocken 160 kann des Weiteren eine Betätigungsnase 184 oder ein anderes geeignetes Element oder Oberfläche aufweisen, das/die mit einem Stellglied der multimodalen Kupplung (in 9 nur schematisch dargestellt) in Eingriff gelangen kann, das in der Lage ist, den Betätigungsnocken 160 durch seinen Drehbereich in die in den 4 bis 6 gezeigten Stellungen zu bewegen. Die Stellgliedvorrichtung kann ein beliebiger geeigneter Stellgliedmechanismus sein, der in der Lage ist, den Betätigungsnocken 160 zu bewegen, etwa ein Hydraulikstellglied, wie es in der oben zitierten Patentschrift von Papania gezeigt wird, ein Elektromagnetstellglied, ein Pneumatikstellglied oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung, die wirkmäßig mit dem Betätigungsnocken gekoppelt und in der Lage ist, den Betätigungsnocken 160 in mehrere Stellungen zu bewegen. In der veranschaulichten Ausführungsform kann die Betätigungsnase 184 innerhalb eines Schlitzes 186 durch den äußeren Laufring angeordnet sein, und die Drehung des Betätigungsnockens 160 kann durch eine erste Begrenzungsfläche 188, die in die Betätigungsnase 184 in der in 4 gezeigten Stellung eingreift, und eine zweite Begrenzungsfläche 190, die in die Betätigungsnase 184 in der in 6 gezeigten Stellung eingreift, begrenzt werden.
Die Sperrklinken 162, 164 sind asymmetrisch geformt und invers identisch. Jede der entgegengesetzten Sperrklinken 162, 164 wird jeweils beweglich innerhalb ihrer eigenen schleifenförmigen Sperrklinkenöffnung 166, 168 der inneren Laufringplatten 156A und 156B gehalten. Das Fußende 176, 178 jeder einzelnen Sperrklinke 162, 164 wird jeweils radial nach außen gedrängt. Jede Feder 192 weist eine Basis 194 und ein Paar von Federarmen 196 und 198 auf. Die Federarme 196 liegen gegen die Böden der Sperrklinken 162 an, während die Federarme 198 gegen die Böden der Sperrklinken 164 anliegen, um jeweils die jeweiligen Fußenden 176, 178 in Eingriff mit den Zähnen 174 des äußeren Laufrings 158 zu drücken, wenn sie nicht durch die Nockenzähne 182 des Betätigungsnockens 160 behindert werden. Aus 4 wird klar sein, dass sich axial erstreckende Nieten 199 verwendet werden, um die inneren Laufringplatten 156A, 156B aneinander zu sichern. Die Nieten 199 erstrecken sich durch die Öffnungen 170 in jeder der inneren Laufringplatten 156A, 156B, um die inneren Laufringplatten 156A, 156B starr zusammenzuhalten, und sie so gegen jegliche relative Drehung in Bezug auf die inneren Laufringplatten 156A, 156B zu sichern. Anstelle der Nieten 199 können andere strukturelle Befestigungselemente innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung eingesetzt werden, um die inneren Laufringplatten 156A, 156B zu sichern.
Es sollte klar sein, dass der Stellgliedmechanismus schließlich die Betätigungsnase 184 steuert, die ihrerseits den Betätigungsnocken 160 zwischen mehreren verschiedenen Winkelstellungen bewegt. Somit wird die Positionierung der Sperrklinken 162, 164, die axial zwischen den genieteten inneren Laufringplatten 156A, 156B gehalten sind, direkt durch den Betätigungsnocken 160 gegen die Kräfte der Federn 192 gesteuert. In 4 wird die Betätigungsnase 184 durch den Stellgliedmechanismus in einer ersten auswählbaren Winkelstellung nach rechts positioniert dargestellt, die einem ersten oder offenen Modus entspricht, der in einer Richtung gesperrt und in einer Richtung freigegeben ist. In dieser Stellung sind die Schlitze 180 und Nockenzähne 182 des Betätigungsnockens 24 so positioniert, dass die Fußenden 176 der Sperrklinken 162 durch die Nockenzähne 182 an einem Eingriff mit den Kerben 172, und damit mit den Zähnen 174 an der Außenseite des äußeren Laufrings 158 gehindert werden. Somit wird dem inneren Laufring 156 ermöglicht, relativ zu dem äußeren Laufring 158 freizulaufen, und somit einen Freilaufzustand bereitzustellen, wenn der innere Laufring 156 und die angetriebene Nabe 150 sich im Uhrzeigersinn relativ zu dem äußeren Laufring 158 und dem äußeren Gehäuse 152 drehen. Umgekehrt erlaubt jedoch die Stellung des Betätigungsnockens 160 den Fußenden 178 der Sperrklinken 164, in die Schlitze 180 des Betätigungsnockens 24 aufgrund der Vorspannkraft der Federarme 198 einzutreten, und dadurch direkt in die Zähne 174 des äußeren Laufrings 158 einzugreifen, um den inneren Laufring 156 und den äußeren Laufring 158 gemeinsam zu sperren, wann immer der innere Laufring 156 und die angetriebene Nabe 150 eine Antriebs- bzw. eine Drehbewegung gegen den Uhrzeigersinn erfahren, wodurch die angetriebene Nabe 150 und das äußere Gehäuse 152 veranlasst werden, sich gemeinsam zu drehen.
5 veranschaulicht die Betätigungsnase 184, die durch den Stellgliedmechanismus in eine zweite auswählbare mittlere Stellung platziert ist, die einen in zwei Richtungen freigegebenen oder offenen Modus der multimodalen Kupplung 136, 138 darstellt. In dieser Stellung sind die Schlitze 180 und die Nockenzähne 182 des Betätigungsnockens 160 so positioniert, dass sie die Fußenden 176, 178 beider Sperrklinken 162, 164 daran hindern, in die Schlitze 180 des Betätigungsnockens 160 einzutreten, und den ausgerückten Zustand der Zähne 174 des äußeren Laufrings 158 aufrecht zu erhalten. Werden die Sperrklinken 162, 164 an einem Eingriff in die Zähne 174 gehindert, werden der innere Laufring 156 und die angetriebene Nabe 150 in die Lage versetzt, relativ zu dem äußeren Laufring 158 und dem äußeren Gehäuse 152 während der relativen Drehung entweder in der Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn freizulaufen.
In 6 wird die Betätigungsnase 184 in einer dritten auswählbaren Winkelstellung nach links gezeigt, die einen in beiden Richtungen gesperrten Modus der multimodalen Kupplung 136, 138 darstellt. In dieser Konfiguration ist der Betätigungsnocken 160 so positioniert, dass die Fußenden 176, 178 beider Sperrklinken 162, 164 in die Schlitze 180 des Betätigungsnockens 160 jeweils unter den Vorspannkräften der Federarme 196, 198 eintreten, und mit den Zähnen 174 des äußeren Laufrings 158 in Eingriff gelangen, wie dies oben beschrieben wurde, um den inneren Laufring 156 und die angetriebene Nabe 150 an dem äußeren Laufring 158 und dem äußeren Gehäuse 152 zur Drehung damit zu sperren, unabhängig von der Drehrichtung des inneren Laufrings 156 und der angetriebenen Nabe 150. Obwohl hierin eine spezifische Ausführungsform der multimodalen Kupplung 136, 138 veranschaulicht und beschrieben wird, wird dem Fachmann klar sein, dass alternative Konfigurationen von multimodalen Kupplungen möglich sind, die Betriebsmodi oder Positionen zusätzlich zu in beiden Richtungen gesperrten und in beiden Richtungen freigegebenen Modi bereitstellen, etwa in einer Richtung gesperrte, in einer Richtung freigegebene Modi; die Implementierung solcher alternativen multimodalen Kupplungen in TTR-Hybridfahrzeugen 110 gemäß der vorliegenden Offenbarung wird von den Erfindern ebenfalls in Betracht gezogen.
Die Konfiguration der multimodalen Kupplung 136, 138, die hierin veranschaulicht und beschrieben wird, ist rein beispielhaft, und dem Fachmann ist klar, dass alternative Konfigurationen der multimodalen Kupplung 136, 138 ebenfalls in Fahrzeugen 110 implementiert werden können und von den Erfindern in Betracht gezogen werden. Zum Beispiel können in Abhängigkeit von den betrieblichen Anforderungen für das Fahrzeug 110 verschiedene Kombinationen der veranschaulichten Modi der 4 bis 6 implementiert werden, indem die Konfigurationen des Betätigungsnockens 160 und/oder der Kerben 172 und Zähne 174 des äußeren Laufrings 158 verändert werden. Die Fahrzeuganforderungen können u.U. nicht alle Modi des in einer Richtung gesperrten, in einer Richtung freien Modus von 4 und des in beiden Richtungen gesperrten Modus von 6 erfordern. In solchen Fällen können die Nockenzähne 182 und Betätigungsnasen 184 umkonfiguriert werden, um die multimodale Kupplung (124) in den in beiden Richtungen freien Modus von 5 und den jeweils erforderlichen der Modi von 4 und 6 zu platzieren. Darüber hinaus kann es notwendig oder erwünscht sein, separate, in einer Richtung gesperrte und in einer Richtung freie Modi für beide Drehrichtungen bereitzustellen, so dass in einem Modus die Sperrklinken 162 in den äußeren Laufring 158 eingreifen, wenn der innere Laufring 156 sich in der Sicht der Zeichnungen im Uhrzeigersinn dreht, und in einem weiteren Modus die Sperrklinken 164 in den äußeren Laufring 158 eingreifen, wenn der innere Laufring 156 sich gegen den Uhrzeigersinn dreht.
Zusätzlich können die Beziehungen zwischen dem inneren Laufring 156, dem äußeren Laufring 158 und den Sperrklinken 162, 164 je nach Anforderung variiert werden, um alternativ den inneren Laufring 156 und den äußeren Laufring 158 zu sperren und freizugeben. Zum Beispiel können die Öffnungen 166, 168 und dementsprechend die Sperrklinken 162, 164 an dem äußeren Laufring 158 positioniert sein, und der innere Laufring 156 kann falls erforderlich mit entsprechenden Strukturen zum Eingriff mit den Sperrklinken 162, 164 versehen sein, um den inneren Laufring 156 und den äußeren Laufring 158 zu sperren. Darüber hinaus wird auch in Betracht gezogen, dass die Sperrklinken 162, 164 in der Lage sein können, sich durch alternative Bewegungspfade in und außer Eingriff mit ihren entsprechenden Sperrstrukturen zu bewegen, wobei der Betätigungsnocken 160 und ein multimodales Kupplungsstellglied 135 dazu ausgestaltet sind, die Sperrklinken 162, 164 entlang der erforderlichen Bewegungspfade zu bewegen. Zum Beispiel könnten sich die Sperrklinken 162, 164 radial oder axial zwischen gesperrten Stellungen und freigegebenen Stellungen bewegen, statt durch Drehung, wie in den veranschaulichten Ausführungsformen.
Es wird auch in Betracht gezogen, dass andere multimodale Kupplungen in dem TTR-Hybridfahrzeug 110 als Alternativen zu der multimodalen Kupplung 136, 138, die hierin veranschaulicht und beschrieben wird, implementiert werden können; diese können in der Lage sein, so betrieben zu werden, dass sie die Ausgangswelle und Getriebewelle nach Bedarf koppeln oder trennen können, um eine Leistungssteuerungsstrategie für das Fahrzeug 110 zu implementieren. Beispiele für alternative Kupplungen sind den folgenden Patentdokumenten zu entnehmen, die alle ausdrücklich durch Verweis hierin aufgenommen sind: US-Patent Nr. 6,062,361 , erteilt am 16. Mai 2000 an Showalter, mit dem Titel ”Acceleration Sensitive Double Overrunning Clutch,” US-Patent Nr. 6,092,634 erteilt am 25.Juli 2000 an Kremer et al., mit dem Titel ”Compliant Cage for a Roller-Type Bi-Directional One-Way Clutch Mechanism,” US-Patent Nr. 6,290,044 , erteilt am 18. September 2001 an Burgman et al., mit dem Titel ”Selectable One-Way Clutch Assembly,” US-Patent Nr. 6,745,880 , erteilt am 8. Juni 2004 an Yuergens, mit dem Titel ”Two-Way Clutch Assembly having Selective Actuation,” US-Patent Nr. 6,832,674 , erteilt am 21. Dezember 2004 an Blair et al., mit dem Titel ”Bi-Directional Four-Mode Clutch,” US-Patent Nr. 6,814,201 , erteilt am 9. November 2004 an Thomas, mit dem Titel ”Bi-Directional Axially Applied Pawl Clutch Assembly,” und US-Patent Nr. 8,051,959 , erteilt am 8. November 2011 an Eisengruber, mit dem Titel entitled ”Controllable or Selectable Bi-Directional Overrunning Coupling Assembly”.
Auch zusätzliche alternative Kupplungen vom Ratschen-, Feder-, Kugelwalzen-, Freilauftyp, die dazu ausgestaltet sind, zum Betrieb in multimodalen Kupplungsmodi gesteuert zu werden, werden von den Erfindern in Betracht gezogen, insofern sie Verwendung in TTR-Hybridfahrzeugen 110 gemäß der vorliegenden Offenbarung finden, um die Kopplung der Ausgangswelle und der Getriebewelle zu steuern und eine Leistungsverteilungsstrategie für den Verbrennungsmotor 130 und den Elektromotor 140 des Fahrzeugs 110 zu implementieren. Für solche alternativen Kupplungen wird von den Erfindern in Betracht gezogen, dass der Fachmann in der Lage ist, die Kupplungen zwischen jeweiligen Ausgangs- und Getriebewellen wirkmäßig auf die hierin beschriebene Weise zu koppeln, und Betätigungsmechanismen zur Modusumschaltung der Kupplungen wirkmäßig zu verbinden, um die Elemente wie im Folgenden beschrieben zu steuern, um die Betätigungsmechanismen zum Übergang zwischen verfügbaren Betriebsmodi der Kupplungen zu steuern, und um die Leistungsübertragung in dem Fahrzeug 110 wie im Folgenden beschrieben zu steuern.
In der in 2 abgebildeten Ausführungsform des Fahrzeugs 110 wird die Verwendung von zwei multimodalen Kupplungen 136, 138 in Betracht gezogen. Die erste multimodale Kupplung 136 wird als Teil des ersten oder vorderen Antriebsstrangs 128 eingesetzt, und die zweite multimodale Kupplung 138 wird in dem zweiten oder hinteren Antriebsstrang 144 eingesetzt. Alternativ deckt diese Offenbarung auch die Verwendung nur einer multimodalen Kupplung in dem Fahrzeug 110 ab, zum Beispiel die Verwendung einer einzelnen vorderen multimodalen Kupplung 136 in dem ersten Antriebsstrang 128, während eine einfache Reibungs- oder Klauenkupplung anstelle der multimodalen Kupplung 138 in dem hinteren Antriebsstrang 144 eingesetzt wird. Umgekehrt könnte eine einzelne hintere multimodale Kupplung 138 in dem zweiten oder hinteren Antriebsstrang 144 verwendet werden, zusammen mit einer einfache Reibungs- oder Klauenkupplung anstelle der multimodalen Kupplung 136 in dem vorderen Antriebsstrang 128. Obwohl dies vielleicht nicht unbedingt ideal ist, könnte die Verwendung zumindest einer multimodalen Kupplung gemäß einer der oben alternativ beschriebenen Konfigurationen zumindest eine gewisse Verbesserung der Effizienz durch Verringerung der parasitären Systemreibungsverluste bereitstellen.
Nun bezugnehmend auf 7 umreißt ein Funktionsdiagramm verschiedene Konfigurationen der oben beschriebenen multimodalen Kupplung 136, die in den Vorderachs-Antriebsstrang 128 integriert ist. Wie offenbart kann sich die multimodale Kupplung 136 innerhalb des Gehäuses (nicht dargestellt) des Getriebes 132 befinden, physisch zwischen dem Getriebekasten (nicht dargestellt) und dem ersten Differential 118 eingeordnet. Eine solche Konfiguration würde die Steuerung der multimodalen Kupplung über ein elektromagnetisches Betätigungssystem oder über ein elektrohydraulisches Betätigungssystem erlauben. Im Fall der elektrohydraulischen Betätigung kann Getriebefluid als Steuerölquelle eingesetzt werden.
Gemäß dem Diagramm von 7 kann die multimodale Kupplung 136 (im Diagramm mit der Abkürzung ”MMCM” für ”multimodales Kupplungsmodul” bezeichnet, da die multimodalen Kupplungen 136, 138 dieser Offenbarung als eine Komponente oder ein ”Modul” installiert werden können) die folgenden Steuermodi einbeziehen, wodurch es eine größere Flexibilität bietet als bekannte Konfigurationen im Stand der Technik:

1) Während der Verbrennungsmotor das Fahrzeug 110 vortreibt, kann die multimodale Kupplung 136 in beiden Drehstellungen der Vorderachse 112 gesperrt werden. Diese in beiden Richtungen gesperrte Konfiguration (6) stellt einen positiven Eingriff sowohl für die Vorwärts- als auch die Rückwärtsdrehung der Vorderachse 112 bereit, und ist vorteilhaft zur Verwendung in einer Rückwärtsgangkonfiguration sowie für die nötige Flexibilität, um eine Motorbremse (anstelle der Regeneration der Batterieleistung) beim Bergabfahren bereitzustellen.
2) Während der Elektromotor das Fahrzeug 110 vortreibt, kann der Verbrennungsmotor abgestellt sein, und die multimodale Kupplung 136 kann in beiden Drehrichtungen (5) der Vorderachse 112 offen sein. Dies verringert parasitäre Verluste während des alleinigen Betriebs des Elektromotors beträchtlich.
3) Bei einem Übergang des Verbrennungsmotors aus dem laufenden in den abgestellten Zustand, während der Elektromotor das Fahrzeug 110 vortreibt, kann die multimodale Kupplung 136 in beiden Drehrichtungen (5) offen sein, was ebenfalls die parasitären Reibungsverluste wesentlich verringert.
4) Bei einem Übergang des Verbrennungsmotors aus dem abgestellten in den laufenden Zustand, während der Elektromotor das Fahrzeug vortreibt, kann die multimodale Kupplung 136 in der Antriebsdrehrichtung gesperrt sein, während sie in der Nichtantriebs-Drehrichtung offen ist (4), insbesondere, wenn eine synchrone Drehzahl erreicht wurde. Eine solche Konfiguration, die einen Freilauf in der einen Richtung erlaubt, ermöglicht es dem Verbrennungsmotor, einen Überdrehungszustand zu überstehen, was etwa bei einer Bergabfahrt vorkommen könnte. Gleichzeitig ermöglicht die Sperre in der Antriebsrichtung dem Verbrennungsmotor, die Drehzahl von null auf eine synchrone Zieldrehzahl für den Übergang auf den Antrieb der Vorderachse des Fahrzeugs durch den Verbrennungsmotor zu erhöhen. Sobald der Verbrennungsmotor das Fahrzeug antreibt, wird die Kupplung 136 auf den in beide Richtungen gesperrten Modus von 6 geschaltet.

Nun bezugnehmend auf 8 umreißt ein zweites Funktionsdiagramm verschiedene Konfigurationen der oben beschriebenen multimodalen Kupplung 138, die in den Hinterachs-Antriebsstrang 144 integriert ist. Es wird in Betracht gezogen, dass die multimodale Kupplung 138 elektromechanisch betätigt wird, da an Positionen der Hinterachse in der Regel keine auf geeignete Weise geregelte Hydraulikfluidquelle zur Verfügung steht.
Gemäß dem Diagramm von 8 kann die multimodale Kupplung 138 die folgenden Steuermodi einbeziehen, wodurch es wiederum eine größere Flexibilität bietet als bekannte Konfigurationen im Stand der Technik:

1) Während der Elektromotor 140 entweder das Fahrzeug vortreibt oder die Batterieleistung regeneriert, kann die multimodale Kupplung 138 in beiden Drehrichtungen der Hinterachse 120 gesperrt sein. Eine Sperre in beiden Richtungen (6) erlaubt dem Elektromotor, das Fahrzeug anzutreiben oder seine Energie über den Wandler zu übertragen, um ein regeneratives Bremsen zu erreichen.
2) Während der Elektromotor 140 abgeschaltet ist, und der Verbrennungsmotor das Fahrzeug vortreibt, kann die multimodale Kupplung 138 dazu ausgestaltet sein, in beiden Drehrichtungen (5) offen zu sein, um parasitäre Reibungsverluste zu vermeiden, die andernfalls durch Komponenten des Hinterachs-Antriebsstrangs 144 erzeugt werden.
3) Bei einem Übergang des Elektromotors von Ein auf Aus, während der Verbrennungsmotor beginnt, das Fahrzeug vorzutreiben, kann die multimodale Kupplung 138 dazu ausgestaltet sein, in beiden Richtungen (5) offen zu sein, was wiederum parasitäre Reibungsverluste verringert.
4) Bei einem Übergang des Elektromotors 140 von Aus auf Ein, während der Verbrennungsmotor das Fahrzeug vortreibt, kann die multimodale Kupplung 138 dazu ausgestaltet sein, in der Antriebsrichtung gesperrt zu sein, während sie in der Nichtantriebsrichtung offen ist, während die Elektromotordrehzahl von null auf eine synchrone Zieldrehzahl ansteigt.

9 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines Steuergeräts 200, das in dem TTR-Hybridfahrzeug 110 implementiert sein kann, um den jeweiligen Vorder- und Hinterachsbetrieb des Verbrennungsmotors 130 und des Elektromotors 140 effizient zu steuern, um Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs 110 unter verschiedenen Antriebs- und Betriebsbedingungen bereitzustellen. Das Steuergerät sieht einen integrierten Betrieb der multimodalen Kupplung 136, 138 vor, um selektiv den in einer Richtung gesperrten und in einer Richtung freien Modus von 4, den in beiden Richtungen freien Modus von 5 und den in beiden Richtungen gesperrten Modus von 6 in Übereinstimmung mit Betriebsbedingungen des Fahrzeugs 110 einzunehmen. Das Steuergerät 200 kann einen Mikroprozessor 202 zur Ausführung spezieller Programme umfassen, die Funktionen in Verbindung mit dem Fahrzeug 110 steuern und überwachen, darunter Funktionen, die nicht in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Der Mikroprozessor 202 umfasst einen Speicher 204, etwa einen Nurlesespeicher (ROM) 206, zum Speichern eines oder mehrerer Programme, sowie einen wahlfreien Zugriffsspeicher (RAM) 208, der als Arbeitsspeicher zur Verwendung in der Ausführung des oder der Programme, die in dem Speicher 204 gespeichert sind, dienen kann.
Obwohl hierin der Mikroprozessor 202 dargestellt ist, ist es auch möglich, andere elektronische Komponenten zu verwenden, etwa Mikrocontroller, einen ASIC-Chip (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis) oder eine beliebige andere geeignete integrierte Schaltungseinrichtung; auch diese werden in Betracht gezogen. Obwohl hierin ein einzelnes Steuergerät 200 für das Fahrzeug 110 veranschaulicht und beschrieben wird, ist dem Fachmann klar, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Verarbeitungsfunktionen über mehrere Steuerungsstrukturen verteilt implementiert werden können. Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung kann sich das Steuergerät 200 insgesamt auf die Durchführung der hierin erörterten Steuerungsstrategie beziehen, auch wenn diese über mehrere Steuereinrichtungen verteilt implementiert ist.
Das Steuergerät 200 verbindet elektrisch die Steuerelemente des TTR-Hybridfahrzeugs 110 (2) sowie verschiedene Eingabevorrichtungen zur Befehlssteuerung des Betriebs des Fahrzeugs 110 und zur Überwachung von dessen Leistung. Als Ergebnis kann das Steuergerät 200 elektrisch mit Eingabevorrichtungen verbunden sein, die Steuersignale an das Steuergerät 200 liefern; diese können ein Drehzahlsteuergerät 210 für den Elektromotor 140, ein Gaspedal oder einen Beschleunigungsregler, der von einer Bedienperson manipuliert wird, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 110 zu regeln, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 212 zur Messung der tatsächlichen Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs 110, sowie einen Drehzahlmesser, der die Drehzahl einer Ausgangswelle misst, umfassen. Rein beispielhaft kann als Teilsteuergerät für den Hinterachs-Antriebsstrang, der den Elektromotor 140 umfasst, ein Steuergerät 200 dazu ausgestaltet sein, elektrisch mit Ausgabevorrichtungen verbunden zu sein, an die Steuersignale übertragen werden, und von denen Steuersignale durch das Steuergerät 200 empfangen werden können, zum Beispiel etwa der Elektromotor 140 des Fahrzeugs 110, das Getriebe 132, der Verbrennungsmotor 130, und ein multimodales Kupplungsstellglied 135, das – wiederum rein beispielhaft – der Hinterachse zugeordnet sein kann.
Dem Fachmann ist klar, dass die beschriebenen Eingabevorrichtungen, Ausgabevorrichtungen und Betriebsvorgänge des Steuergeräts 200, die hierin vorgesehen sind, rein beispielhaft sind, und dass zusätzliche und alternative Vorrichtungen in den TTR-Hybridfahrzeugen 110 gemäß der vorliegenden Offenbarung implementiert werden können, um die Betriebsvorgänge der Fahrzeuge 110 zu überwachen, zusammen mit Eingängen, die von Bedienpersonen der Fahrzeuge 110 bereitgestellt werden, und um den Verbrennungsmotor 130, den Elektromotor 140, die multimodalen Kupplungen 136, 138 der Vorder- und Hinterachse, und andere Systeme des Fahrzeugs 110 zu steuern, um die gewünschte Fahrzeugleistung unter einer Reihe von Fahrbedingungen sicherzustellen.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Integration der multimodalen Kupplung 136, 138 in das TTR-Hybridfahrzeug 110 kann einen direkten Ersatz für die Reibungskupplung 34 des Hybridfahrzeugs 10 von 1 erlauben. Die multimodale Kupplung 136, 138 kann zumindest die drei oben erläuterten Betriebsmodi bieten, darunter einen in einer Richtung gesperrten und in einer Richtung freien Modus (4), bei dem die multimodale Kupplung 136, 138 in einer Richtung sperrt und in der entgegengesetzten Richtung freiläuft; einen in beiden Richtungen freien Modus (5), in dem die multimodale Kupplung 136, 138 in beiden Richtungen freiläuft; und einen in beiden Richtungen gesperrten Modus (6), in dem die multimodale Kupplung 136, 138 in beiden Richtungen gesperrt ist.
Das Steuergerät 200 kann dazu ausgestaltet sein, die multimodale Kupplung 136, 138 über das multimodale Kupplungsstellglied 135 zu veranlassen, zwischen den verfügbaren Betriebsmodi auf Grundlage der erwünschten und/oder erfahrenen Fahrzeugbetriebsbedingungen zu wechseln. Die spezielle Strategie zum Betrieb des Verbrennungsmotors 130, des Elektromotors 140 und der multimodalen Kupplung 136, 138, zur Ausnützung der Leistung des Verbrennungsmotors 130 und/oder des Elektromotors 140 zum Antrieb des Fahrzeugs 110, und um selektiv die verfügbaren Modi der multimodalen Kupplung 136, 138 einzulegen, um die Strategie zu implementieren, kann in Abhängigkeit von den betrieblichen Anforderungen des Fahrzeugs 110 und den Entscheidungen im Zuge der Konstruktion des Fahrzeugs 110 variieren. Eine optimale Strategie zur Maximierung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs 110 kann die in den 7 und 8 diagrammatisch dargestellten Beispiele berücksichtigen. Die im Folgenden dargelegten Beispiele sollen verschiedene Optionen zur Ausnützung der inhärenten Flexibilität veranschaulichen, die durch die multimodale Kupplung 136, 138 bereitgestellt wird.
Wie vorstehend dargelegt, kann die Implementierung der multimodalen Kupplung 136, 138 in dem TTR-Hybridfahrzeug 110 als Ersatz für die bekannte Reibungskupplung 34 die Effizienz des Fahrzeugs 110 verbessern. Als nur ein Beispiel kann die multimodale Kupplung 136, 138 die Systemeffizienz des TTR-Hybridfahrzeugs 110 durch Verringerung von Drehverlusten verbessern, was erreicht werden kann, wenn die multimodale Kupplung 136, 138 in der in einer Richtung gesperrten und in einer Richtung freien Stellung von 4 ist, um der Getriebewelle zu erlauben, relativ zu der Ausgangswelle freizulaufen, wann immer das Fahrzeug segelt oder langsamer wird.
Obwohl außerdem nur zwei operative multimodale Kupplungen 136, 138 in Bezug auf das Fahrzeug 110 abgebildet und beschrieben werden, können alternative Ausführungsformen dazu ausgestaltet sein, zumindest zwei multimodale Kupplungen an jeder Achse zu umfassen. Zum Beispiel könnten zwei solche Kupplungen an jeder der Achsen 112 und 120 positioniert sein. In einer solchen Konfiguration würde sich eine eines jeden Paars von multimodalen Kupplungen an der Vorderachse zwischen jedem Rad 114, 116 der Vorderachse und dem ersten Differential 118 befinden, während sich eine eines jeden Paars von multimodalen Kupplungen zwischen jedem Rad 122, 124 der Hinterachse und dem zweiten Differential 126 befindet, was nur ein Beispiel der potenziellen Flexibilität in der Verwendung der multimodalen Kupplung darstellt.

Claims

Hybridfahrzeug, das Folgendes umfasst: eine erste Achse und eine zweite Achse; wobei jede Achse ein angetriebenes Rad an jedem ihrer Enden aufweist; einen durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang, der selektiv mit der ersten Achse wirkverbunden ist; einen durch einen Elektromotor angetriebenen Antriebsstrang, der unabhängig und selektiv mit der zweiten Achse wirkverbunden ist; und eine multimodale Kupplung, die dazu ausgestaltet ist, zumindest einen von dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang und die erste Achse, und dem durch den Elektromotor angetriebenen Antriebsstrang und die zweite Achse miteinander zu verbinden.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die multimodale Kupplung einen ersten Modus aufweist, der der ersten Achse und dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang erlaubt, sich unabhängig voneinander in beiden Drehrichtungen zu drehen, sowie einen zweiten Modus, in dem die multimodale Kupplung die erste Achse wirkmäßig mit dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang verbindet, so dass die erste Achse und der durch den Verbrennungsmotor angetriebene Antriebsstrang sich in einer Richtung gemeinsam drehen, und sich in einer entgegengesetzten Richtung voneinander unabhängig drehen.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die multimodale Kupplung einen dritten Modus aufweist, in dem die multimodale Kupplung die erste Achse wirkmäßig mit dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang koppelt, so dass die erste Achse und der durch den Verbrennungsmotor angetriebene Antriebsstrang sich in beiden Drehrichtungen gemeinsam drehen.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine zweite multimodale Kupplung, wobei die erste multimodale Kupplung dazu ausgestaltet ist, den durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang und die erste Achse wirkmäßig miteinander zu verbinden, und die zweite multimodale Kupplung dazu ausgestaltet ist, den durch den Elektromotor angetriebenen Antriebsstrang und die zweite Achse wirkmäßig miteinander zu verbinden.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 4, des Weiteren umfassend ein Steuergerät, das mit dem durch den Elektromotor angetriebenen Antriebsstrang wirkverbunden ist, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, Steuersignale an den Elektromotor und den Verbrennungsmotor zu übertragen, um die Drehzahl des Elektromotors relativ zu jener des Verbrennungsmotors als eine kombinierte Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Drehzahl des Elektromotors bei Übergängen zwischen den Antriebssträngen zu steuern.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 5, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, den ersten Antriebsstrang zu veranlassen, in beiden Drehrichtungen der ersten Achse gesperrt zu sein, wenn der erste Antriebsstrang das Fahrzeug vortreibt.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 5, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, den ersten Antriebsstrang zu veranlassen, in beiden Drehrichtungen offen zu sein, wenn der zweite Antriebsstrang das Fahrzeug vortreibt.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 5, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des ersten Antriebsstrangs zu veranlassen, bei einem Übergang der Leistung in dem ersten Antriebsstrang von Ein auf Aus in beiden Drehrichtungen der ersten Achse offen zu sein; und wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des ersten Antriebsstrangs zu veranlassen, in der Antriebsdrehrichtung der ersten Achse gesperrt und in der Nichtantriebsdrehrichtung der ersten Achse offen zu sein, wenn der erste Antriebsstrang von Aus auf Ein übergeht.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 5, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des zweiten Antriebsstrangs zu veranlassen, in beiden Drehrichtungen der Hinterachse gesperrt zu sein, wenn der Elektromotor das Fahrzeug vortreibt; und wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des zweiten Antriebsstrangs zu veranlassen, in beiden Drehrichtungen der zweiten Achse offen zu sein, wenn der Elektromotor aus ist, und während der Verbrennungsmotor das Fahrzeug vortreibt.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 5, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des zweiten Antriebsstrangs zu veranlassen, bei einem Übergang des Elektromotors von Ein auf Aus, während der Verbrennungsmotor beginnt, das Fahrzeug vorzutreiben, in beiden Drehrichtungen offen zu sein; und wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des zweiten Antriebsstrangs zu veranlassen, bei einem Übergang des Elektromotors von Aus auf Ein, während der Verbrennungsmotor das Fahrzeug vortreibt, in der Antriebsrichtung gesperrt zu sein und in der Nichtantriebsrichtung offen zu sein.
Multimodales Kupplungssystem, das dazu ausgestaltet ist, betriebliche Flexibilität in einem Hybridfahrzeug bereitzustellen, wobei das multimodale Kupplungssystem Folgendes umfasst: eine erste Achse und eine zweite Achse; wobei jede Achse ein angetriebenes Rad an jedem ihrer Enden aufweist; einen durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang, der selektiv mit der ersten Achse wirkverbunden ist; einen durch einen Elektromotor angetriebenen Antriebsstrang, der unabhängig und selektiv mit der zweiten Achse wirkverbunden ist; und eine multimodale Kupplung, die dazu ausgestaltet ist, zumindest einen von dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang und die erste Achse, dem durch den Elektromotor angetriebenen Antriebsstrang und die zweite Achse miteinander zu verbinden; und ein Steuergerät, das dazu ausgestaltet ist, selektiv zumindest einen der Antriebsstränge und zumindest eine der Achsen in und außer Eingriff zu bringen.
Multimodales Kupplungssystem nach Anspruch 11, wobei die multimodale Kupplung einen ersten Modus aufweist, der der ersten Achse und dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang erlaubt, sich unabhängig voneinander in beiden Drehrichtungen zu drehen, sowie einen zweiten Modus, in dem die multimodale Kupplung die erste Achse wirkmäßig mit dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang verbindet, so dass die erste Achse und der durch den Verbrennungsmotor angetriebene Antriebsstrang sich in einer Richtung gemeinsam drehen, und sich in einer entgegengesetzten Richtung voneinander unabhängig drehen.
Multimodales Kupplungssystem nach Anspruch 11, wobei die multimodale Kupplung einen dritten Modus aufweist, in dem die multimodale Kupplung die erste Achse wirkmäßig mit dem durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang koppelt, so dass die erste Achse und der durch den Verbrennungsmotor angetriebene Antriebsstrang sich in beiden Drehrichtungen gemeinsam drehen.
Multimodales Kupplungssystem nach Anspruch 11, des Weiteren umfassend eine zweite multimodale Kupplung, wobei die erste multimodale Kupplung dazu ausgestaltet ist, den durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebsstrang und die erste Achse wirkmäßig miteinander zu verbinden, und die zweite multimodale Kupplung dazu ausgestaltet ist, den durch den Elektromotor angetriebenen Antriebsstrang und die zweite Achse wirkmäßig miteinander zu verbinden.
Multimodales Kupplungssystem nach Anspruch 14, des Weiteren umfassend ein Steuergerät, das mit dem durch den Elektromotor angetriebenen Antriebsstrang wirkverbunden ist, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, Steuersignale an den Elektromotor und den Verbrennungsmotor zu übertragen, um die Drehzahl des Elektromotors relativ zu jener des Verbrennungsmotors als eine kombinierte Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Drehzahl des Elektromotors bei Übergängen zwischen den Antriebssträngen zu steuern.
Multimodales Kupplungssystem nach Anspruch 15, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, den ersten Antriebsstrang zu veranlassen, in beiden Drehrichtungen der ersten Achse gesperrt zu sein, wenn der erste Antriebsstrang das Fahrzeug vortreibt.
Multimodales Kupplungssystem nach Anspruch 15, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, den ersten Antriebsstrang zu veranlassen, in beiden Drehrichtungen offen zu sein, wenn der zweite Antriebsstrang das Fahrzeug vortreibt.
Multimodale Kupplung nach Anspruch 15, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des ersten Antriebsstrangs zu veranlassen, bei einem Übergang der Leistung in dem ersten Antriebsstrang von Ein auf Aus in beiden Drehrichtungen der ersten Achse offen zu sein; und wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des ersten Antriebsstrangs zu veranlassen, in der Antriebsdrehrichtung der ersten Achse gesperrt und in der Nichtantriebsdrehrichtung der ersten Achse offen zu sein, wenn der erste Antriebsstrang von Aus auf Ein übergeht.
Multimodale Kupplung nach Anspruch 15, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des zweiten Antriebsstrangs zu veranlassen, in beiden Drehrichtungen der Hinterachse gesperrt zu sein, wenn der Elektromotor das Fahrzeug vortreibt; und wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des zweiten Antriebsstrangs zu veranlassen, in beiden Drehrichtungen der zweiten Achse offen zu sein, wenn der Elektromotor aus ist, und während der Verbrennungsmotor das Fahrzeug vortreibt.
Multimodale Kupplung nach Anspruch 15, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des zweiten Antriebsstrangs zu veranlassen, bei einem Übergang des Elektromotors von Ein auf Aus, während der Verbrennungsmotor beginnt, das Fahrzeug vorzutreiben, in beiden Drehrichtungen offen zu sein; und wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, die multimodale Kupplung des zweiten Antriebsstrangs zu veranlassen, bei einem Übergang des Elektromotors von Aus auf Ein, während der Verbrennungsmotor das Fahrzeug vortreibt, in der Antriebsrichtung gesperrt zu sein und in der Nichtantriebsrichtung offen zu sein.