DE60029694T2

DE60029694T2 - Getriebe und Steuerungssystem für einen Verbrennungsmotor in einem Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE60029694T2
Application number: DE60029694T
Authority: DE
Inventors: Larry Thomas Dearborn Brown; Walter Joseph Ypsilanti Ortmann; Marvin Paul Dearborn Kraska
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: DE60029694D1; EP1068977A2; US6176808B1; EP1068977A3; EP1068977B1

Description

Die Erfindung betrifft Hybridfahrzeug-Antriebsstränge, bei denen ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor Eingangsdrehmoment zum Getriebe-Räderwerk liefert.
In einem typischen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang ist es übliche Praxis einen hydrokinetischen Drehmomentwandler einzuschließen. Der Impeller des Drehmomentwandlers nimmt Drehmoment entgegen und die Turbine des Drehmomentwandlers überträgt Drehmoment zu Drehmoment-Eingangselement eines Mehrgang-Räderwerk des Getriebes.
Die Gegenwart des Drehmomentwandlers in dem Drehmoment-Durchflußweg führt hydrokinetische Leistungsverluste ein, besonders während des Fahrzeugstarts, weil die Drehmoment-Wandlerflüssigkeit im Toruskreislauf des Wandlers beschleunigt und verzögert wird. Diese Verluste zeigen sich in Wärmeverlusten an die Hydrokinetik-Flüssigkeit, welche einen Wärmetauscher benötigt um eine annehmbare Temperatur der Hydrokinetik-Flüssigkeit beizubehalten.
Es wurden Versuche unternommen die Leistungsverluste zu beseitigen, die einem Antriebsstrang eigen sind der einen Verbrennungsmotor und ein Drehmomentwandler-Automatikgetriebe aufweist, indem der Motor durch einen Elektromotor ersetzt wurde, wobei das Leistungs-Abgabeelement des Elektromotors mit den Drehmoment-Eingabgselement des Getriebes verbunden ist. Derartige Antriebsstrang-Anordnungen ziehen jedoch keinen Vorteil aus der überlegenen Leistung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug. Weiterhin benötigen sie das Vorhandensein einer elektrischen Spannungsquelle an Bord.
In Hybridfahrzeug-Anordnungen wurden Versuche unternommen die Vorteile eines Verbrennungsmotors mit einem Elektromotor-Antrieb zu verbinden, aber in derartigen bekannten Konstruktionen wird vom Motor gefordert über einen großen Drehzahlbereich hinweg zu arbeiten, einschließlich Start-Drehzahlen, und bei Leerlaufdrehzahlen zu arbeiten, während sich das Fahrzeug in Ruhe befindet.
Es wird geglaubt daß der nächstliegende Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung U.S.-Patent 5,801,499 ist. Dieses Patent lehrt ein Regelsystem für eine Fahrzeug-Antriebseinheit, die einen Motor einschließt; einen an die Abgabewelle des Motors angeschlossenen Motor-Generator; eine Batterie, um die von dem Motor-Generator zurückgewonnene Energie als elektrische Leistung zu speichern, und um elektrische Leistung zum Antrieb des Motor-Generators zu liefern; eine erste Kupplung, um den Motor-Generator und die Räder zu verbinden; einen Haltezustand-Detektor, um den angehaltenen Zustand des Fahrzeugs zu detektieren; und einen Regler, um den Motor, den Motor-Generator und die erste Kupplung zu reglen. Wird durch den Haltezustand-Detektor der Haltezustand detektiert, so löst der Regler die erste Kupplung, unterbricht die Lieferung von Kraftstoff zu dem Motor und speist elektrische Leistung zu dem Motor-Generator, um dadurch die Umdrehung des Motors im Wesentlichen bei einer Leerlaufdrehzahl zu halten.
Das Getriebe- und Regelsystem der vorliegenden Erfindung ist besonders für die Verwendung mit einem Elektro-Hybridfahrzeug angepaßt, das einen Verbrennungsmotor und eine Mehrgang-Räderwerkanordnung einschließt, worin Vorkehrungen getroffen werden um die Kraftstoffersparnis wesentlich zu verbessern und unerwünschte Abgasemissionen aus dem Motor zu senken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Hybridfahrzeug-Antriebsstrang bereitgestellt, der einen Verbrennungsmotor umfaßt, einen Mehrgang-Kraftübertragungsmechanismus und einen Elektromotor; wobei der Getriebemechanismus ein Mehrgang-Räderwerk und Kupplungs- und Bremsenvorrichtungen besitzt, um mehrere Drehmoment-Durchflußwege durch das Räderwerk hindurch zu schaffen und aufzuheben; und Kupplungs- und Bremsenvorrichtungen einschließlich einer regelbaren, druckbetätigten Reibungskupplung in einem Drehmoment-Durchflußweg zwischen dem Motor und Drehmoment-Eingangselementen des Räderwerks; wobei eine Drehmoment-Eingangswelle des Getriebemechanismus durch die Reibungskupplung mit dem Motor verbunden ist; und der Elektromotor in paralleler Anordnung hinsichtlich des Motors antreibbar mit der Drehmoment-Eingangswelle verbunden ist, wodurch beide in der Lage sind Antriebsdrehmoment zu der Drehmoment-Eingangswelle zu liefern; wobei der Motor dadurch eine Quelle für Antriebsdrehmoment bildet, die das Antriebsdrehmoment des Motors ergänzt, wenn der Motor aktiviert wird; und die eine alleinige Quelle für Antriebsdrehmoment bildet, wenn der Motor abgeschaltet ist; Vorrichtungen zur Regelung des Elektronikmanagements der Reibungskupplung während des Motorleerlaufs, die Vorrichtungen umfassen um das Motordrehmoment zu detektieren und um ein Drehmomentsignal zu bestimmen, das für einen Leerlaufdrehmoment-Versatz durch das Motordrehmoment bezeichnend ist; und Vorrichtungen um während des Leerlaufs Motordrehmoment mit Elektromotordrehmoment zu kombinieren, und um einen regulierten Kupplungs-Betätigungsdruck in Reaktion auf das Drehmomentsignal beizubehalten, wodurch Motorleerlauf-Drehmomentschwankungen während des Motorleerlaufs durch Elektromotordrehmoment modifiziert werden, um während Motorleerlauf eine elektronische Dämpfung des Motordrehmoments zu bewirken.
Die Erfindung stell folglich ein verbessertes Elektro-Hybridfahrzeug-Getriebe und -Regelsystem bereit, das es dem Verbrennungsmotor erlaubt deaktiviert zu werden, wenn sich das Fahrzeug in Ruhe befindet. Der verbesserte Antriebsstrang der Erfindung schließt einen Induktionsmotor ein, der nützlich ist um zusätzliche Startleistung bereitzustellen, welche es dem Mehrgang-Getriebe erlaubt – ohne die Notwendigkeit der Verwendung eines hydrokinetischen Drehmomentwandlers zwischen dem Motor und dem Eingangselement des Getriebe-Räderwerks – über einen gewünschten Bereich von Übersetzungsverhältnissen hinweg zu arbeiten. Wird er nicht für schnelle Fahrzeugstart-Funktionen benötigt, so fungiert der Induktionsmotor in einem Hybridfahrzeug-Antriebsstrang als eine Lichtmaschine.
Das Fehlen eines hydrokinetischen Drehmomentwandlers in dem Elektro-Hybridfahrzeug-Antriebsstrang der Erfindung resultiert nicht in unerwünschten Torsionsschwingungen, weil der zwischen dem Motor und dem Getriebe befindliche Induktionsmotor ebenso als Vibrationen dämpfende Struktur wie auch als Vorrichtung fungieren kann eine Schaltqualität-Verbesserung zu bewirken.
Während des Ausrollens des Fahrzeugs wird durch den Induktionsmotor eine regenerative Bremsung erzielt, und die Kraftstoffersparnis dadurch weiter verbessert.
Die Motorleerlauf- und Startdrehzahl-Regelung werden bereitgestellt, indem man den Eingriff der Vorwärtskupplung mit einem Elektronikregler im geschlossenen Regelkreis moduliert. Die Vorwärtskupplung kann in der Getriebestruktur selbst angeordnet sein, oder sie kann eine unabhängige Kupplung sein, die in dem Drehmoment-Durchflußweg zwischen dem Motor und dem Eingangselement des Räderwerks angeordnet ist. Ungeachtet dessen, ob sie ein integrales Element des Getriebe-Räderwerks ist oder ob sie eine unabhängige Kupplung auf der Drehmoment-Abgabeseite des Motors ist, kann die Kupplung benutzt werden um den Motor während einer regenerativen Bremsung von dem Induktionsmotor zu trennen.
Die Kupplung trennt außerdem den Motor von dem Drehmoment-Durchflußweg, wenn gefordert wird bei wenig geöffneter Drosselklappe zu arbeiten; und während Betrieb des Fahrzeugs bei geringer Geschwindigkeit, wenn möglicherweise nur der Induktionsmotor benutzt wird um das Fahrzeug anzutreiben. Zu dieser Zeit ist der Verbrennungsmotor am wenigsten effizient. Durch Trennen des Motors kann der Motor somit für den Betrieb in dem Drehzahlbereich reserviert werden, in welchem er am effizientesten arbeitet, während der Induktionsmotor das Antriebsdrehmoment liefert.
Indem man das Fahrzeugmoment benutzt, kann die Kupplung benutzt werden um den Motor rasch neu zu starten wenn sich das Fahrzeug bewegt, weil der Motor durch die Kupplung mechanisch an das Räderwerk angeschlossen ist.
Die Drehmomentabgabe des Induktionsmotors kann optimiert werden, indem man die Motordrehzahl auf einem niedrigeren Niveau als jenem beibehält, welches mit einem herkömmlichen Automatikgetriebe mit einem Drehmomentwandler der Fall wäre. Die Startleistung wird -verglichen mit einem Antriebsstrang mit einem Wandlergetriebeverbessert, da das Abgabedrehmoment an den Antriebsrädern während des Anfahrens des Fahrzeugs schneller ansteigt, wenn zum Zweck des Anfahrens der Elektromotor benutzt wird.
Das Vorhandensein des Induktionsmotors in dem Antriebsstrang macht es möglich die Schaltqualität während eines Hochschaltens des Übersetzungsverhältnisses zu verbessern. Zum Beispiel ist es während des Hochschaltens erforderlich ein Reibungselement zu lösen, während das andere eingerückt wird. Während einer sogenannten Drehmomentphase, welche zu Beginn des Hochschaltens auftritt, baut sich in einem Reibungselement Drehmoment auf. Normalerweise wird der Öldruck zu Beginn der Drehmomentphase schnell erhöht, um das zur Ausführung einer Schaltung benötigte Zeitintervall zu senken. Kurz vor Abschluß der Drehmomentphase wird der Öldruck gesenkt, so daß die nachfolgende Trägheitsphase der Schaltung eingeleitet werden kann. Die Trägheitsphase wird von einer Änderung in der Drehzahl von drehenden Elementen begleitet, während die einrückende Kupplung aktiviert wird.
Um das sogenannte „Drehmomentloch" zu verringern, das auf ein Hochschalten hin während der Drehmomentphase vor Einleitung der Trägheitsphase auftritt, kann der Induktionsmotor benutzt werden um eine vorübergehende Verstärkung zu liefern, so daß das Gesamtdrehmoment an den Antriebsrädern relativ konstant bleibt. Dies verbessert die Schaltqualität.
Befindet sich das Fahrzeug in Ruhe und der Motor ist abgeschaltet, so ist es erforderlich daß die Vorwärtskupplungen in dem Getriebe angelegt sind. Auf das Anfahren hin bewegt der Fahrer die Drosselklappe in eine weiter geöffnete Stellung. Das Anfahrdrehmoment des Elektromotors bewegt dann das Fahrzeug, und erlaubt es damit dem Motor erneut gestartet zu werden. Diese Prozedur macht es erforderlich daß die Vorwärtskupplungen angelegt sind. Dies wird in dem Antriebsstrang der vorliegenden Erfindung erreicht, indem man ein elektrisches Hilfspumpen-System verwendet, um einen Schwellendruck zu den Getriebekupplungen zu liefern, wenn der Motor inaktiv ist. Die Pumpe wird abgeschaltet, während der Hydraulikdruck auf einen erneuten Start des Motors hin steigt.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Kupplung auf der Drehmoment-Abgabeseite des Motors. Sie wird normalerweise mit einer Federkraft angelegt, so daß der Hydraulikstrom am Ausgang der Getriebepumpe auf einen Motorstart hin gesenkt wird. Die Kupplung braucht keinen Hub zu verrichten, bevor sie mit Druck beaufschlagt wird.
Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
1 eine schematische Darstellung des gesamten Fahrzeug-Antriebsstrangs ist, einschließlich des Motors, des elektrischen Induktionsmotors, einer regelbaren Kupplung zwischen dem Motor und dem Induktionsmotor zur Trennung des Motors, und eines synchronen Automatikgetriebes ohne Drehmomentwandler;
1a eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs von 1 ist, welcher aber nicht wie im Fall von 1 eine Motor-Trennkupplung aufweist;
2 ein schematisches Diagramm ist, das die Räderwerkelemente des in 1 in Form eines Blockdiagramms veranschaulichten synchronen Getriebes zeigt;
2a eine teilweise Montageansicht der schematisch in 2 veranschaulichten Getriebestruktur ist, wobei die Elemente des in 2 schematisch veranschaulichten Räderwerks in 2a in Form einer Umrißlinie gezeigt sind;
3 eine Tabelle ist, die das Eingriffs- und Freigabemuster für die Kupplungen und Bremsen zeigt, die einen Teil des schematisch in 2 veranschaulichten Räderwerksystems bilden, und die Eingriffs- und Lösesequenzen, die benötigt werden um die Antriebsübersetzungen zu bewirken;
4 eine Auftragung des Drehmoments an den Rädern des Fahrzeugs für den Hybrid-Antriebsstrang der Erfindung ist, ebenso wie ein entsprechendes Leistungsdiagramm für einen Antriebsstrang mit hydrokinetischem Drehmomentwandler-Getriebe, welches dem Leistungsdiagramm des Antriebsstrangs der Erfindung zu Vergleichszwecken überlagert ist;
5 eine Auftragung der Elektromotor-Unterstützung für verschiedene Motordrehzahlen für den Induktionsmotor ist, der einen Teil des in 1 schematisch veranschaulichten Antriebsstrangs bildet;
6 eine Auftragung der zu den Fahrzeug-Antriebsrädern gelieferten Leistung gegen die Kupplungs-Eingriffszeit ist, welche die Energie zeigt die während eines Anfahrens mit hoher Geschwindigkeit von der Kupplung absorbiert wird; und die entsprechende Energie für ein Anfahren mit niedriger Geschwindigkeit; wobei die Motordrehzahl für Anfahren mit niedriger Geschwindigkeit bei einer niedrigeren Drehzahl geregelt wird als für ein Anfahren mit hoher Geschwindigkeit;
7 eine Auftragung der Leistung gegen die Zeit während des Anfahrens des Fahrzeugs ist, welche die Fahrzeuggeschwindigkeit gegen die Leistung zeigt, wenn der Motor bei 2200 U/min geregelt wird, und wenn der Motor bei 1500 U/min geregelt wird;
8–11 ein Regelventil-System für ein Elektro-Hybridfahrzeug zeigen; wobei die Ventilelemente von 8 für den Fahrbereich positioniert sind; die Ventile von 9 für die Fahrt ohne elektrische Leistungsunterstützung positioniert sind; die Ventile von 10 für die Fahrt mit abgeschaltetem Motor positioniert sind; und die Ventile von 11 für Rückwärtsfahrt positioniert sind;
12 eine schematische Darstellung einer Kupplung mit normalem Hub in einem Mehrganggetriebe für ein hydroelektrisches Fahrzeug ist;
13 ein schematisches Diagramm ist, das einen Motor-Leerlaufregler für einen Motor in einem Hybridfahrzeug zeigt;
14 ein schematischer Regler in Form eines Blockdiagramms für ein wandlerloses Hybridfahrzeug während des Starts ist;
15 eine Modifizierung der Erfindung zeigt, in der eine vom Fahrer modifizierte Kupplung zwischen dem Induktionsmotor und einem synchronen Mehrganggetriebe ohne einen Drehmomentwandler verwendet wird;
16 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt, in der eine Reibungskupplung sich zwischen dem Motor und dem Induktionsmotor in einem Hybridfahrzeug-Antriebsstrang befindet, und worin der Antriebsstrang ein kontinuierlich variables Getriebe ohne einen Drehmomentwandler umfaßt;
17 ein schematisches Ventildiagramm zur Regelung der Antriebsscheiben und der Kupplungen eines kontinuierlich variablen Getriebes in der in 16 gezeigten Antriebsstrang-Konfiguration für ein Hybridfahrzeug ist;
1 zeigt eine erste Ausführungsform des Hybridfahrzeug-Antriebsstrangs. Sie umfaßt einen Verbrennungsmotor 10, ein synchrones Mehrgang-Fahrzeuggetriebe 12, einen zwischen dem Motor und Getriebe 12 befindlichen Induktionsmotor 14, und eine zwischen dem Motor und dem Induktionsmotor befindliche Reibungskupplung 16, um den Motor zu trennen. Der Rotor des Induktionsmotors ist direkt an an das Drehmoment-Eingangselement des synchronen Mehrganggetriebes angeschlossen. Er ist außerdem durch die Reibungskupplung 16 an die Motor-Kurbelwelle 10 angeschlossen.
2 ist eine schematische Darstellung der Räderwerk-Elemente für das in 1 bei 12 gezeigte synchrone Getriebe.
Die Drehmomentwelle für das Getriebe ist an die Drehmoment-Eingangsseite der Kupplung 16 angeschlossen. Der Elektromotor ist so eingerichtet, daß er Drehmoment bezüglich des Motor-Drehmomenteingangs in paralleler Beziehung verteilt.
Die bei 20 gezeigte Direktkupplung (DC) verbindet Getriebe-Eingangswelle 22 mit dem Hohlrad 24 eines ersten einfachen Planetengetriebeblocks. Das zentrale Ritzel 26 des Planetengetriebeblocks ist durch eine bei 28 gezeigte Vorwärtskupplung (FC) an die Welle 22 angeschlossen. Hohlrad 24 ist mit dem zentralen Ritzel 30 eines zweiten Planetengetriebeblocks verbunden. Das Hohlrad 32 des zweiten Planetengetriebeblocks ist mit dem Planetenradträger 34 des ersten Planetengetriebeblocks verbunden. Der Planetenradträger 36 für den zweiten Planetengetriebeblock wird gezielt durch Langsam- und Rückwärtsbremse (L/R) 38 gebremst.
Getriebe-Eingangswelle 22 ist durch Rückwärtskupplung (RC) 40 mit dem zentralen Ritzel 30 vebunden und ist während Fahrbetrieb im ersten Gang eingerückt. Die Bremse 38 verankert während Fahrbetrieb im Rückwärtsgang den Planetenradträger 36.
3 ist eine Tabelle, welche das Eingriffs- und Lösemuster für die Kupplungen und Bremsen für das in 2 gezeigte synchrone Mehrganggetriebe veranschaulicht. Der erste Gang wird durch Einrücken der Vorwärtskupplung und der Langsam- und Rückwärtsbremse erreicht. Das zweite Übersetzungsverhältnis für Vorwärtsfahrt wird durch Einrücken der Vorwärtskupplung und der Langsam- und Rückwärtsbremse 38 erreicht. Der Direktgang oder das dritte Antriebsverhältnis wird durch gleichzeitigen Eingriff der Vorwärtskupplung und der Direktkupplung erreicht, und das vierte Übersetzungsverhältnis oder der Schnellgang wird durch Einrücken der Direktkupplung und der Langsam- und Rückwärtsbremse 38 erreicht.
Rückwärtskupplung 40 und Langsam- und Rückwärtsbremse 38 sind während des Rückwärts-Fahrbetriebs eingerückt.
Das Hohlrad 32 wirkt als ein Drehmoment-Abgabeelement für das Räderwerk. Es grenzt ein antreibendes Kettenrad 42 ab, welches mittels einer Antriebskette 46 ein angetriebenes Kettenrad antreibt.
Das angetriebene Kettenrad treibt das Hohlrad 48 des abschließenden Antriebs-Getriebeblocks an. Das zentrale Ritzel 50 des abschließenden Antriebs-Getriebeblocks ist verankert, und der Planetenradträger 52 bringt die Drehmomentabgabe zu Differentialräderwerk 54, welches Antriebsdrehmoment zu jeder von zwei Achsen-Halbwellen 56 und 58 überträgt.
2a ist eine detailierte Ansicht des elektrischen Induktionsmotors und seiner Beziehung zu dem Automatikgetriebe 12. Der Induktionsmotor umfaßt Rotor 60, welcher mittels Kurbelwellenschrauben 62 direkt mit einem Flansch auf der Motor-Hauptwelle 18 verbunden ist. Der Rotor ist durch Lager 64 gegen eine Lagerstütze 66 gelagert, welche einen zum Teil bei 68 angedeuteten Teil des Getriebegehäuses bildet.
Den Rotor umgibt einen Induktionsmotor-Stator 70, welcher Statorwicklungen 72 einschließt. Die Drehmoment-Abgabeseite des Rotors 60 schließt einen herkömmlichen Dämpfer 74 ein. Die Drehmoment-Abgabenabe des Dämpfers 74 ist mit Drehmoment-Eingangswelle 22 des Getriebes 10 verzahnt.
Die in 1 zu sehende Kupplung 16 wird benutzt, um während der regenerativen Bremsung den Motor von dem Elektromotor zu trennen, wie vorher erwähnt wurde. Ist Kupplung 16 getrennt, so ist der Induktionsmotor die einzige Quelle an Antriebsdrehmoment für das synchrone Getriebe. Die Kupplung kann auch während Betriebsbedingungen mit wenig geöffneter Drossel getrennt werden, wenn der Induktionsmotor in der Lage ist ausreichend Drehmoment bereitzustellen um das Fahrzeug anzutreiben. Folglich kann der am wenigsten effiziente Betriebsbereich des Motors vermieden werden.
Weil das Getriebe 12 synchron ist, ist es in der Lage Leerlaufdrehmoment zu liefern. Der Motor, welcher während Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit möglicherweise außer Betrieb ist, kann schnell wieder gestartet werden, einfach indem man unter Leerlaufbedingungen die Kupplung einrückt.
Wie in 6 zu sehen, ist es möglich den Motor für einen Start des Fahrzeugs mit hoher Motordrehzahl bei einer relativ hohen Drehzahl zu regeln. Dies ist durch Kurve 76 angedeutet, wo der Motor bei einer normalen Drehzahl vergleichbar der Drehzahl geregelt ist, welche vorliegen würde wenn das Fahrzeug nur mit einem synchronen Getriebe ohne die Drehmomentunterstützung des Motors ausgerüstet wäre. Eine entsprechende Leistungskurve für Start bei niedriger Drehzahl ist in 6 bei 80 gezeigt. Aus 6 ist zu sehen daß das durch Leistungskurve 80 entwickelte Anfangsdrehmoment schnell ansteigt. Ein Drehmomentanstieg tritt schneller auf als der entsprechende Drehmomentanstieg bei 82 für die bei 76 gezeigte Leistungskurve.
Obwohl das durch die Leistungskurve 80 erreichte Spitzendrehmoment 84 niedriger ist als das durch die Leistungskurve 76 erreichte Spitzendrehmoment 86, ist zu sehen daß die Eingriffzykluszeit für die Leistungskurve 80 ungefähr eine Sekunde kürzer ist als die Eingriffszeit für die Leistungskurve 76. Man bemerke zum Beispiel daß die Leistungskurve 80 bei ungefähr fünf Sekunden einen Nullwert erreicht, wohingegen die Leistungskure 76 bei ungefähr sechs Sekunden das Nulleistungs-Niveau erreicht.
Die Fläche unter der Kurve 80, welche der von der Kupplung absorbierten Energie entspricht, ist deutlich kleiner als die Fläche unter der Kurve 76. Dieser Faktor sollte jegliche Bedenken mindern oder beseitigen, die hinsichtlich der Fähigkeit der Kupplung bestehen, während des Kupplungeingriffszyklus Energie zu absorbieren, während die von einem Kraftfahrzeuggetriebe geforderten Haltbarkeitsanforderungen erfüllt werden.
4 zeigt daß es möglich ist das Abgabedrehmoment des Elektromotors zu optimieren, während man eine gesenkte Motor-Regelgeschwindigkeit beibehält. Die Motor-Regelgeschwindigkeit kann niedriger sein als jene, welche mit einem Drehmomentwandler-Getriebe benötigt wird, während sie eine verbesserte Anfahrleistung bereitstellt. Verringerter Lärm, Vibrationen und Ruppigkeit (NVH) sind andere Vorteile. Motorlärm wird bei geringerer Motordrehzahl gesenkt.
Motor-Verdrehdämpfung und Schaltqualitäts-Verbesserung werden durch den Induktionsmotor aufgrund seiner hohen Bandbreitencharakteristik bereitgestellt. Dies ist ein anderer Vorteil des Hybridfahrzeug-Antriebsstrangs vom in 1 gezeigten Typ. Die normale Drehmomentsenkung oder das Drehmomentloch, das am Ende der Drehmomentphase einer Übersetzungsverhältnis-Schaltung und zu Beginn der Trägheitsphase während eines Hochschaltens auftritt, kann durch Steigerung des Motordrehmoments während des Schaltintervalls gesenkt oder beseitigt werden.
Ist der Motor abgeschaltet und das Fahrzeug arbeitet mit nur dem Induktionsmotor als einer Drehmomentquelle, so wird eine Vorverlegung der Motordrossel benötigt, um den Motor neu zu starten. Dies erfordert daß das Getriebe seine Kupplungen schnell einrückt, um ohne Schlupf Drehmoment zu übertragen. Dieses Merkmal wird durch Gebrauch einer kleinen Elektropumpe erreicht, welche nachfolgend unter Bezug auf 8–11 beschrieben wird. Die Elektropumpe wird ausreichend Druck zu den Kupplungen liefern (z.B. 40 psi) wenn der Motor ausgeschaltet ist. Die Pumpe wird ausgeschaltet während der Hydraulikdruck durch die Getriebepumpe wiederhergestellt wird, wenn der Motor gestartet wird.
Es kann auch ein Kupplungskolben-Merkmal mit normalem Hub benutzt werden, so daß die Kupplungen sofort aktiviert werden, wenn auf den Motorstart folgend ein Getriebehydraulikfluß auftritt. Eine Kupplungs-Anlegefeder liefert ein Schwellendrehmoment zu der Kupplung und beseitigt die Notwendigkeit einen Hub des Kupplungskolbens auszuführen. Dies wird unter Bezug auf 12 beschrieben werden.
4 zeigt einen Auftragung des normierten Leistungswerts gegen die Eingriffszeit der Kupplung. Kurve 88 ist eine Leistungskurve für ein Mehrgang-Drehmomentwandler-Getriebe ohne die Drehmomentunterstützung des Elektromotors. Die Ordinate der Auftragung von 4 kann als ein Indikator des Beschleunigungsdrehmoments wie auch der Leistung angesehen werden.
Die Kurve 88 entsprechende Fahrzeuggeschwindigkeit ist in 4 bei 90 angedeutet. Zum Zweck eines Vergleichs des Hybridfahrzeug-Antriebsstrangs mit der Basiskonstruktion, in welcher keine Elektromotorunterstützung benutzt wird, schließen die Leistungskurven von 4 Leistungskurve 92 ein, wo in einem Antriebsstrang der in 1 gezeigten Art eine Leistungsunterstützung von fünf Kilowatt benutzt wird. Dies erzeugt eine schnell ansteigende Leistungskurve wie bei 94 gezeigt. Die entsprechende Kurvde für einen Motor von 2,5 kW ist bei 96 in 4 gezeigt.
In 4 ist eine bei 98 gezeigte Kurve gezeigt, welche einer Drehmomentunterstützung von Null durch den Induktionsmotor entspricht. Sie ist nur geringfügig niedriger als die entsprechenden bei 92 und 96 gezeigten Kurven. Die Kurven für Drehmomentunterstützungsleistung in 4 verflachen nach Erreichen einer Spitze zwischen 4,5 und 6 Sekunden des Schaltintervalls. Die entsprechende Kurve für die Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer Motordrehmoment-Unterstützung von 5 kW ist bei 100 gezeigt. Die entsprechende Kurve für die Motordrehmoment-Unterstützung von 2,5 kW ist bei 102 gezeigt. Diese Fahrzeuggeschwindigkeit-Auftragungen unterscheiden sich nicht wesentlich von der Auftragung der Basisfahrzeug-Geschwindigkeitskurve 104 für einen Antriebsstrang ohne Motordrehmoment-Unterstützung.
Obwohl das Spitzendrehmoment, das unter Verwendung des Elektro-Hybridfahrzeug-Antriebsstrangs von 4 erzielt würde, niedriger ist als das entsprechende Spitzendrehmoment, das unter Verwendung eines herkömmlichen, synchronen Mehrganggetriebes ohne einen Induktionsmotor erzielt würde, resultiert das Vorhandensein des Induktionsmotors in dem Antriebsstrang des hydroelektrischen Fahrzeugs zu Beginn des Kupplungseingriff-Intervalls in einer schneller ansteigenden Leistungskurve. Weiterhin ist das unter Verwendung einer 2,5 kW-Unterstützung oder einer 5 kW-Unterstützung verfügbare Beschleunigungsdrehmoment und die Leistung höher als das Beschleunigungsdrehmoment oder die Leistung, die mit einem herkömmlichen Mehrganggetriebe in dem Intervall der Schaltung zwischen fünf Sekunden und 6,5 Sekunden verfügbar wäre.
Die Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik eines Induktionsmotors der in 1 und in 2a gezeigten Art ist in 5 gezeigt. Ein Motor mit vielen kW erzeugt, wie man wie bei 106 angedeutet erwarten würde, ein höheres Drehmoment, besonders bei niedrigen Drehzahlen. Der Motor mit den wenigsten kW, etwa 5 kW, erzeugt eine wie bei 108 gezeigte Kurve. Der Wert des Drehmoments fällt schnell ab, während die Abgabedrehzahl des Motors ansteigt. Bei höheren Drehzahlen (z.B. im Bereich von 2000–4000 U/min) ist der Unterschied zwischen dem von einem Motor mit vielen kW und einem Motor mit wenigen kW verfügbar gemachten Drehmoment nicht bedeutend.
7 zeigt eine Auftragung eines 3037 lbs wiegenden Elektro-Hybridfahrzeugs mit einem Motor-Drehzahlregler in Kombination mit einer 5 kW-Motorunterstützung. Leistungskurve 110 zeigt die Auftragung für einen Antriebsstrang, in welchem die Motordrehzahl bei 2200 U/min geregelt wird. Die an den Rädern verfügbare Leistung steigt schnell an, wie bei 112 gezeigt. Wenn der Motor bei einer niedrigeren Drehzahl geregelt wird (z.B. 1500 U/min) wird die entsprechende Auftragung durch die Kurve 114 dargestellt.
Die Fahrzeuggeschwindigkeit steigt mit einer relativ gleichmäßigen Rate an, die – wie bei 116 gezeigt – im Wesentlichen linear ist, ungeachtet dessen ob der Motor bei der niedrigen Drehzahl von 1500 U/min oder bei der höheren Drehzahl von 2200 U/min geregelt wird. In jeder der Auftragungen von 7 stellt der Motor eine Unterstützung von 5 kW bereit.
1a zeigt ein Hybridfahrzeug-Getriebe und eine Motorkonfiguration ohne eine getrennte Kupplung. Eine Vorwärtskupplung des synchronen Getriebes 12' kann benutzt werden um einen Drehmoment-Durchflußweg zwischen dem Motor und dem Getriebe-Räderwerk zu schaffen und aufzuheben. Der Induktionsmotor 14' von 1a entspricht dem Induktionsmotor 14 von 1, und der Motor 10' dem Motor 10 von 1. Wie im Fall der Konfiguration von 1 macht es die Konfiguration von 1a möglich den Drehmomentwandler des synchronen Getriebes zusammen mit seinen Unzulänglichkeiten zu beseitigen. Motorleerlauf- und -Anfahrdrehzahl-Regelung werden durch Modulierung der Vorwärtskupplung mit einem PID im geschlossenen Regelkreis in der gleichen Art und Weise bereitgestellt, wie sie unter Bezug auf den in 14 gezeigten Kupplungsregler für 1 beschrieben wird, welcher nachfolgend beschrieben wird.
Wie im Fall der Konfiguration von 1 wird der Induktionsmotor in der Konfiguration von 1a benutzt, um die Anfahrleistung in der Abwesenheit eines Wandlers in dem Getriebe zu verbessern. Dies stellt eine schnellwirkende Drehmomentunterstützung bereit, während sich das Motordrehmoment bei niedrigen Drehzahlen aufbaut. Wie im Fall der zuvor beschriebenen Konfiguration von 1 kann die Motor-Regeldrehzahl auf einem niedrigeren Niveau beibehalten werden, als es der Fall wäre wenn das synchrone Getriebe in einem herkömmlichen Antriebsstrang verwendet würde.
15 ist noch eine andere Ausführungsform der Erfindung. Der Hybridfahrzeug-Antriebsstrang von 15 verwendet statt einer hydraulisch betätigten Reibungskupplung der in 1 bei 16 gezeigten Art eine elektronisch geregelte Kupplung. Die Kupplung der Ausführungsform von 15, gekennzeichnet durch Bezugsnummer 16'', ist zwischen dem Induktionsmotor 14'' und dem Motor 10'' angeordnet. Die Kupplung 16 kann eine handbetätigte Kupplung sein, die elektronisch geregelt ist. Sie wird in dem Getriebe 12'' an Stelle eines Drehmomentwandlers benutzt, um während des Leerlaufmodus eine positive Verbindung bereitzustellen, wenn eine regenerative Bremsung gewünscht ist. Vom Standpunkt der Leistung besitzt sie im Wesentlichen die gleichen Vorteile, die unter Verwendung der Hybridfahrzeug-Antriebsstrang-Konfigurationen von 1 erzielt werden.
Die Hybridfahrzeug-Antriebsstrang-Konfiguration von 16 besitzt die gleichen Grundelemente wie die Antriebsstrang-Konfiguration von 1, außer daß das Getriebe 12''' statt eines synchronen Zahnradgetriebes ein kontinuierlich variables Getriebe ist. Der Induktionsmotor 14''', die Kupplung 16''' und der Motor 10''' weisen in der Antriebsstrang-Konfiguration von 1 entsprechende Elemente auf.
Das kontinuierlich variable Getriebe von 1 kann jede einer Vielfalt bekannter Konstruktionen sein, wie etwa ein Riemengetriebe mit Antriebsscheiben von variablem Teilkreisdurchmesser der z.B. in U.S.-Patent 5,514,047 gezeigten Art, erteilt an Thomas T. Tibbles und Pramod K. Jain. Das hydraulische Regelventil-System zur Regelung des kontinuierlich variablen Getriebes von 17 wird nachfolgend unter Bezug auf 17 beschrieben werden.
Der Motorleerlauf- und Anfahrregler ist schematisch in 13 veranschaulicht. Wenn das Fahrzeug erneut gestartet wird, und während Betrieb des Motors unter Leerlaufbedingungen bei stehendem Fahrzeug, wird ein Leerlaufregler mit elektronischer Dämpfung verwendet. Dies wird unter Bezug auf 13 beschrieben werden.
Der Regler behält einen kleinen Drehmomentunterschied bei, wie durch die Drehzahl-Drehmoment-Auftragung bei 118 in 13 angedeutet wird. Dies ist ein Versatz vom durchschnittlichen Motorleerlauf-Drehmoment. Er wird als ein Drehmoment-Sollwert verwendet, wie bei 120 gezeigt. Der Versatz wird durch die Modulierung im geschlossenen Regelkreis beibehalten, die durch eine PID-Schaltung und Rückführungs-Schaltungsabschnitt 124 bereitgestellt wird. Das Rückführungsdrehmoment in Schaltungsabschnitt 124 wird aus einer Motorkarte 126 gefolgert. Ein Tiefpaßfilter 128 wird benutzt um dynamischen Effekten Rechnung zu tragen. Das Rückführungsdrehmoment wird zu Summierpunkt 130 geliefert.
Das Elektromotor-Drehmoment, welches in 13 Lichtmaschinen/Anlasserdrehmoment genannt wird, ist durch Block 132 dargestellt. Lichtmaschinen/Anlasserdrehmoment wird als ein positives Drehmoment zu dem Summierpunkt 130 gespeist.
Der Mikroprozessor des Getriebes wird das Rückführungsdrehmoment in Rückführungs-Schaltungsabschnitt 124 mit der Summe des zusammengefaßten Lichtmaschinen/Anlasserdrehmoments und dem Motordrehmoment vergleichen. Liegt ein Fehler vor, so wird ein Signal zu der bei 122 gezeigten PID-Schaltung gesendet. Inkrement-, Proportional und Differentialterme bewirken eine Änderung in dem bei 134 gezeigten Druckbefehl, welcher – wenn bei 136 zu dem zuvor befohlenen Druck in der unmittelbar vorangegangenen Regelschleife des Prozessors hinzuaddiert – in einem gesamt befohlenen Druck PRESX resultiert, wie bei 138 gezeigt. Der diesem befohlenen Druck entsprechende Druck wird dann auf die Kupplung angewandt.
Der Elektro-Hybridfahrzeug-Antriebsstrang wird ein wesentlich gesenktes Motor-Trägheitsmoment erzeugen. Folglich können Schwankungen des Motor-Leerlaufdrehmoments größer sein. Die Kombination Lichtmaschine/Anlasser wird jedoch Extradämpfung liefern, indem sie einen Teil des Verbrennungsdrehmoments während der Verdichtung zurückführt. Dies ist in dem Diagramm von 13 dargestellt.
Wenn der Regler des Fahrzeug-Antriebsstrangs ein Anfahren signalisiert, wird der in 14 gezeigte Anfahrregler aktiviert. Dies ersetzt den unter Bezug auf 13 beschriebenen Motor-Leerlaufregler, um eine weichere Übernahme bereitzustellen. Das schematische Diagramm von 14 schließt einen bei 142 gezeigten elektronischen Regler ein.
Der Rückführungsregler ist ein Inkrement-, Proportional- und Differentialregler ähnlich dem Regler von 13, aber er weist Verstärkungen auf die eine Funktion von Motordrehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit sind. Der Sollwert für den Regler, welcher bei 144 als NEDESIRED bezeichnet ist, ist eine gefilterte Zieldrehzahl (NETARGET) auf Grundlage der Drosselforderung des Fahrers bei 146 und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Das Fahrzeuggeschwindigkeit-Signal wird durch Signalpfad 150 geliefert.
Der PID-Regler verwendet ein proportionales Regelmerkmal, welches es der Ausgabe des Reglers ermöglicht direkt mit dem Fehlersignal variiert zu werden. Dies erzeugt einen Verstärkungsfaktor, welcher ein Maß der Regelverstärkung in dem System ist, und senkt die Größenordnung jedweger gegenwärtiger Fehler. Proportionalregelung selbst schafft wenn Notwendig einen Verstärkungsfaktur mit eingeschränktem Bereich. Wegen einer bleibenden Regelabweichung ist er möglicherweise nicht ausreichend um die gewünschte Reaktion zu erzielen. Die Integralkomponente des PID-Reglers beseitigt für eine verbesserte Systemgenauigkeit daher die bleibende Regelabweichung. Die Reaktion kann weiterhin durch Einführung von Differentialregelung verbessert werden, um Systemstabilität und effiziente Übergangsreaktion des Systems zu bewirken. Dies schafft wegen der Phasenvoreilung in der Regelschleife einen Stabilisierungseffekt für das System.
Mittels Signalpfad 152 wird vom Lichtmaschinen/Anlasserregler gefordert zusätzliche Leistung bereitzustellen, um als eine Funktion von Fahrerforderung und Fahrzeuggeschwindigkeit beim Anfahren zu helfen. Dies resultiert darin, daß bei 154 zusätzliche Leistung definiert wird, welche – wenn dem Motordrehmoment hinzugefügt – die Beschleunigungsrate des Fahrzeugs erhöht und verringerte Kupplungsschlupf-Drehzahlen und gesenkte Kupplungsschlupf-Dauer zuläßt. Der Betrag an befohlener Lichtmaschinen/Anlasser-Leistung wird durch eine funktionelle Beziehung zwischen Drosselstellung und gewünschter Leistung bestimmt, die sich in einer Speicher-Nachschlagetabelle 156 befindet.
Das Regelsystem zur Regelung der Getriebekupplung für einen Hybridfahrzeug-Antriebsstrang ist in 8–11 gezeigt. 8 zeigt die Stellung der Ventile des Ventilsystems während des Betriebs im Fahrbereich. 9 zeigt das gleiche Ventilsystem, in dem die Ventilelemente mit dem im Fahrbereich befindlichen Getriebe-Bereichswähler positioniert sind, worin aber der elektrische Strom unterbrochen ist. 10 zeigt das gleiche, in 8 gezeigte Getriebe mit dem Handventil in der Fahrbereich-Stellung, aber mit abgeschaltetem Motor. 11 zeigt das Regelventil-System mit den Ventilen in der Stellung, die sie annehmen wenn das Getriebe sich – mit dem Handventil in Rückwärtsstellung – im Rückwärtsfahrbereich befindet.
Wie in 8 zu sehen umfaßt das Regelventil-System fünf kraftvariable Schaltmagnete. Diese sind der kraftvariable Schaltmagnet 158 für Langsam- und Rückwärtsfahrt, der kraftvariable Schaltmagnet 160 für das 2/4-Band, der kraftvariable Schaltmagnet 162 für Direktantrieb, der kraftvariable Schaltmagnet 164 für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt und der kraftvariable Schaltmagnet 166 für elektronische Druckregelung. Die zur Bezeichnung der Kupplungen und Bremsen in 2 benutzten Symbole wurden auch verwendet, um diese Elemente in den 8–11 zu identifizieren. Die Kupplung für Langsam- und Rückwärtsfahrt ist bei 168 gezeigt; das 2/4-Bremsband ist bei 170 gezeigt; die Direktkupplung (DC) ist bei 172 gezeigt; die Rückwärtskupplung (R) ist bei 174 gezeigt); und die Vorwärtskupplung (FC) ist bei 176 gezeigt.
Alle kraftvariable Schaltmagnete sind Schaltmagnete mit hohem Durchfluß, außer dem kraftvariablen Schaltmagnet 166. Die kraftvariablen Schaltmagnete 162, 164 und 166 sind gewöhnlich offen. Die kraftvariablen Schaltmagnete 158 und 160 sind gewöhnlich geschlossen. Ein bei 178 gezeigter Hauptregulierventil-Aufbau ist ein Öldruck-Auslaßdurchgang 180, welcher sich zu Handventil 182 und zu der Druck-Rückführungsfläche 184 – auf einem auf einer Regulierventilspule 186 gebildeten Steg – erstreckt. Der Lieferdruck wird von der motorbetriebenen Pumpe durch Durchgang 188 zu dem Regulierventil 188 verteilt.
Die Kraft von Ventilfeder 190 auf Spule 186 wird durch den vom kraftvariablen Schaltmagneten 166 in Durchgang 192 entwickelten Drosselventildruck ergänzt. Die Versorgungsleitung für den kraftvariablen Schaltmagneten 166 ist Öldruckdurchgang 180.
Ein Hilfsdruck wird durch Motor-Pitotrohr-Aufbau 194 entwickelt. Dieser umfaßt einen mit Schmieröl gefüllten Trog, welcher antriebsfähig mit einem Drehelement des Getriebes verbunden ist. Der Schmieröltrog empfängt eine Pitotrohr-Aufnahme, welche mit dem sich zu Pitot-Druckregulierventil 198 erstreckenden Pitot-Druckdurchgang 196 in Verbindung steht. Von dem Pitotrohr bei Aufbau 194 entwickelter Druck ergänzt die Kraft von Pitot-Regulierventilfeder 200, um den Lieferdruck für das Pitot-Regulierventil zu regulieren. Regulierter Druck wird zu der Eingangsseite des Schmieröl-Regulierventil-Aufbaus 204 verteilt. Der Regulierventil-Aufbau 204 wird von dem Hauptregulierventil 178 durch Durchgang 206 mit druckbeaufschlagter Flüssigkeit gespeist. Dieser Druck wird moduliert um einen regulierten Abgabedruck für das Regulierventil 198 zu erzeugen.
Ein Vorwärts- und Rückwärts-Wechselventil-Aufbau 208 umfaßt eine Ventilspule, die durch Ventilfeder 210 normalerweise in eine Richtung nach rechts geschaltet ist. Rückwärts-Öldruck in Durchgang 212 beaufschlagt das rechte Ende der Vorwärts- und Rückwärts-Wechselventil-Spule 208 mit Druck, um es gegen die Kraft der Feder 210 in eine Richtung nach links zu schalten, wenn in Durchgang 212 Rückwärtsdruck anliegt. Durchgang 212 ist druckbeaufschlagt, wenn das Handventil 182 in die Rückwärtsstellung „R" geschaltet ist. Öldruck in Durchgang 180 liefert regulierten Druck von dem Hauptregulierventil zu dem Handventil 182.
Das Vorwärts- und Rückwärts-Wechselventil verbindet Vorwärtkupplung-Druck zu Durchgang 214. Durchgang 214 ist mit Druck von dem kraftvariablen Vorwärts/Rückwärts-Schaltmagnet 164 druckbeaufschlagt, der durch Durchgang 218 verteilt wird. Das Anfahr-Wechselventil 220 befindet sich in der in 8 gezeigten Stellung, wenn der Langsam- und Rückwärtsdurchgang 122 mit Druck von dem Langsam- und Rückwärts-Schaltmagnet 158 druckbeaufschlagt ist. Weist der kraftvariable Langsam- und Rückwärts-Schaltmagnet keinen Druck auf, so schaltet das Ventil 220 unter der Kraft von Ventilfeder 224 nach rechts, während der Abgabedruck des Pitot-Regulierventils 198 zu Durchgang 226 verteilt wird, welcher – abhängig von der Stellung des Vorwärts/Rückwärts-Wechselventils – Vorwärtkupplungsdruck zu Durchgang 216 liefern kann, oder Rückwärtskupplungsdruck zu Durchgang 228.
Ist der Motor abgeschaltet und es ist kein Motorgetriebe-Pumpendruck verfügbar, so kann durch Elektropumpe 230 – deren Abgabe zu einem Abschalt-Wechselventil 232 verteilt wird – Druck zu dem System geliefert werden. Wenn die Elektropumpe arbeitet, schaltet der auf Wechselventil 234 wirkende Druck das Ventil in eine Richtung nach links, was Druckverteilung von der Hochdruckseite der Pumper 230 zu dem Vorwärts/Rückwärts-Speisedurchgang 236 zuläßt. Der Elektropumpendruck wird durch das Abschalt-Wechselventil außerdem zu dem Langsam- und Rückwärtskupplung-Speisedurchgang 238 verteilt.
Die kraftvariablen Schaltmagnete 158 und 160 sind normalerweise „Niederdruck"- Schaltmagnete. Schaltmagnete 162, 164 und 166 sind normalerweise „Hochdruck"-Schaltmagnete. Sie regulieren Druck von Null bis ungefähr 110 psi.
Die Abschaltschaltung schließt einen Abschaltspeicher 240 ein. Ein Ventilkolben, dem eine Speicherfeder 244 gegenüberliegt, ist mit der Abgabeseite der Elektropumpe 230 verbunden. Ein Druckaufnehmer 242 und Speicher 240 minimieren die Zeit, welche die Elektropumpe während des Abschaltens laufen muß.
Unter normalen Fahrbedingungen wird der Langsam- und Rückwärts-Schaltmagnet 158 zu einem minimalen Druck befohlen, was das Anfahr-Wechselventil 220 gegen die Kraft der Feder 224 nach links bewegen wird. Fällt der Strom aus wird das Langsam- und Rückwärts-Wechselventil einen Druck von Null bereitstellen, was das Schaltventil 220 wegen der Kraft der Feder 224 nach rechts bewegen wird. Der modulierte Pitotdruck in Durchgang 214 wird durch den Motor-Pitotrohr-Aufbau 194 geregelt, was einen Druck bereitstellt der eine Funktion des Quadrats der Motordrehzahl ist. Dies ist eine sogenannte Notbetriebs-Trennung.
Im Leerlaufmodus wird weder der kraftvariable Vorwärts/Rückwärts-Schaltmagnet 164 noch das Pitot-Regulierventil 198 gespeist. Dies stellt sicher daß es kein Leerlaufkriechen gibt. In Fällen, in denen ein Handventil sich in der Fahrstellung befindet, bringt ein Stromausfall das System dann dazu sich standardmäßig auf den dritten Gang einzustellen; und in den Rückwärtsgang, wenn das Handventil sich in der Stellung R befindet.
Die Abgabe des Pitot-Regulierventils 198 wird außerdem zu dem Schmier-Regulierventil 204 gespeist. Weil der modulierte Pitotrohrdruck in Durchgang 202 eine Funktion der Motordrehzahl ist, wird der Schmierstoffdruck mit der Motordrehzahl zunehmen. Folglich wird der bei hoher Motordrehzahl zu der Kupplung gelieferte Schmierstoffstrom die Kühlung der Kupplungen ohne übermäßigen Strom bei Leerlaufdrehzahlen des Motors erhöhen.
In dem Regelventil-System wird ein System von Vorrangventilen benutzt, um Blockierbedingungen in dem Getriebe-Räderwerk zu verhindern. Es gibt sechs mögliche Blockierbedingungen, die verhindert werden. Drei der sechs Blockierbedingungen werden durch das Handventil verhindert, welches zwischen zu der Vorwärtskupplung verteiltem Öldruck und zu der Rückwärtskupplung verteiltem Öldruck unterscheidet. Befindet sich das Handventil in der Stellung R, so wird der Kupplungsdruck zu Durchgang 230 verteilt, welcher sich zu der Rückwärtskupplung 174 erstreckt. Zu dieser Zeit ist die Öldruckspeisung zu der Vorwärtskupplung unterbrochen, da das Handventil in den Stellungen D, 2 und 1 durch Durchgang 232 entleert.
Die drei anderen Blockierbedingungen treten auf, wenn die Direktkupplung und die Langsam- und Rückwärtsbremse zur gleichen Zeit eingerückt werden. Eine andere Blockierbedingung tritt auf, wenn die Langsam- und Rückwärtskupplung und das 2–4-Bremsband zur gleichen Zeit angelegt werden. Eine andere Blockierbedingung tritt auf, wenn die Vorwärtskupplung, die Direktkupplung und das 2–4-Bremsband zur gleichen Zeit angelegt werden.
Um das gleichzeitige Anlegen der Direktkupplung und des Langsam- und Rückwärts-Bremsbands zu verhindern wird Vorrang-1-Ventil 234 in die Schaltung eingeschlossen. Wird die Direktkupplung angelegt, so erregt dies den Durchgang 240, was Vorrangventil 234 nach rechts bewegt. Der Langsam- und Rückwärts-Speisedurchgang 242 wird dann durch Auslaßöffnung 244 entleert.
Eine zweite Blockierbedingung wird in der gleichen Art und Weise durch das Vorrang-1-Ventil 234 verhindert, wenn die Langsam- und Rückwärtskupplung und das 2–4-Bremsband angelegt werden. In diesem Fall wird das 2–4-Wechselventil jedoch durch den 2–4-Bremsbanddruck in Durchgang 246 nach rechts bewegt. Der Langsam- und Rückwärtskupplung-Speisedurchgang 242 wird wieder, wie zuvor erklärt, durch Auslaßöffnung 244 entleert.
Eine andere Blockierbedingung bestünde, wenn die Vorwärtskupplung, die Direktkupplung und das 2–4-Bremsband gleichzeitig angelegt würden. Dies wird durch das Vorrang-2-Ventil 248 verhindert, während seine drei Flächen mit Druck beaufschlagt werden. Es wird dann gegen die Druckkraft in Durchgang 232 in eine Richtung nach rechts schalten. Durchgang 232 wird mit Druck beaufschlagt, wenn das Handventil sich in der Stellung D, Stellung 2 oder Stellung 1 befindet. Zu dieser Zeit wird Durchgang 246 durch Auslaßöffnung 250 in dem Vorrang-2-Ventil 248 entleert.
Das linke Ende des Vorrang-2-Ventils 248 wird in Durchgang 216 durch die Vorwärtskupplung mit Druck beaufschlagt. Auf die drei Differenzflächen des Vorrang-2-Ventils wirkende Druckkräfte plus der Kraft von Feder 252 sind ausreichend, um das Ventil in eine Richtung nach rechts zu schalten.
Um den Schlupf zwischen Elementen zu minimieren, wenn ein Kupplungs-Regelmagnet bei Hochdruck versagt, sollte der Öldruck bei mehr als 34 psi über dem für das sich anlegende Reibungselement befohlenen Druck liegen.
Das Langsam- und Rückwärtsventil legt während Rückwärtsfahrt direkt Öldruck an der Langsam- und Rückwärtskupplung an, statt der Abgabe des kraftvariablen Langsam- und Rückwärts-Schaltmagneten bei Schaltmagnet 164. Dies trägt den gestiegenen statischen Drehmomentanforderungen der Langsam- und Rückwärtskupplung während des Rückwärtsbetriebs Rechnung. Durch Verwendung von Öldruck in dieser Art kann dieser Langsam- und Rückwärts-Schaltmagnet 158 in der Größe für Schaltungen im Vorwärtsbereich gewählt werden, ohne die Verstärkungsanforderungen zur Handhabung von Rückwärtsdrehmoment zu beeinträchtigen.
Die kleine Elektropumpe 230 wird benutzt um bis zu 40 psi Druck zu der Motor- Trennkupplung, der Vorwärtskupplung und den Langsam- und Rückwärtskupplungen bereitzustellen, um Hub- und Reibungselemente beizubehalten.
Die sich zu der Motor-Trennkupplung 16 und den Langsam- und Rückwärtskupplungen erstreckenden Schaltungen, ebenso wie die Schaltung zu dem kraftvariablen Vorwärts/Rückwärts-Schaltmagneten 164, werden durch das Abschalt-Wechselventil 232 unterbrochen. Die Stellung des Abschalt-Wechselventils wird durch den höheren der Öldrücke – den auf die linke Seite des Wechselventils wirkenden Öldruck und den auf die rechte Seite des Wechselventils wirkenden Pumpendruck – bestimmt. Wann immer der Motor läuft beträgt der minimale Öldruck 50 psi, während der Maximaldruck von der Elektropumpe 40 psi beträgt. Das Ventil wird es der Haupthydraulik dann stets erlauben die Kupplungen zu regeln, selbst wenn die Elektropumpe eingeschaltet sein sollte. Dieses Merkmal beseitigt die Notwendigkeit dafür, daß das elektronische Regelsystem im Falle einer planmäßigen, endgültigen Abschaltung des Motors die Zeiteinstellung der Schaltung des Abschalt-Wechselventils regelt.
Wird der Motor abgeschaltet, so ist nur Betrieb im ersten Gang möglich. Befindet sich das Abschalt-Wechselventil in der Abschaltstellung, so werden die Langsam- und Rückwärtskupplung und die Motor-Trennkupplung direkt mit der Elektropumpe gespeist.
Weil die Vorwärtskupplung-Schaltung durch den kraftvariablen Schaltmagnet-Regulierer gespeist wird, kann ihre Kapazität so reguliert werden, daß die Belastung des Motors beim Neustart bei einem Minimum liegt. Die Hilfspumpe 230 wird die Reibungselemente des ersten Gangs gefüllt halten, so daß es eine minimale Verzögerung bei der Entwicklung eines Drehmoment-Durchflußweges zu den Fahrzeugrädern geben wird, wenn der Motor erneut startet und das Hydraulik-Hauptsystem mit Druck beaufschlagt ist.
12 zeigt eine Alternativkonstruktion, um sicherzustellen daß auf eine Abschaltung des Motors folgend Motordrehmoment geliefert werden kann, wenn der Fahrzeugführer die geöffnete Drossel während des Starts zur Vollgas-Drosselstellung hin bewegt. In der schematischen Darstellung von 12 schließt die Kupplung einen ringförmigen Zylinder 260 ein, welcher einen ringförmigen Kolben 262 aufnimmt. Der Zylinder kann mit der Motor-Kurbelwelle verbunden sein und kann antreibende Kupplungsscheiben 264 eines Mehrscheiben-Kupplungspakets tragen. Die angetriebenen Scheiben 266 des Mehrscheiben-Kupplungspakets können mit Drehmoment-Eingangselementen des Räderwerks verbunden sein. Die Kupplung wird normalerweise durch Kupplungs-Anlegefedern 268 angelegt. Kupplungs-Anlegedruck kann durch die von dem Zylinder und dem Kolben begrenzte Druckkammer 270 verteilt werden.
Freigabedruckkammer 272 befindet sich auf jener der Druckkammer 270 gegenüberliegenden Seite des Kolbens 262. Freigabedruck wird auf die Freigabedruckkammer 272 angewandt, um die Kupplung zu lösen wenn in der Druckkammer 270 kein Anlegedruck vorhanden ist. 16 zeigt eine Hybridfahrzeug-Konfigurationskonstruktion die ein kontinuierlich variables Getriebe verwendet. 17 zeigt ein Regelventil-System, das mit dem bei 12''' in 16 gezeigten Getriebe verwendet werden kann.
Es wird angenommen daß das kontinuierlich variable Getriebe eine Primär-Antriebsscheibe der in dem zuvor erwähnten Patent von Tribbles et al. gezeigten Art einschließt, wobei die Drehmomentabgabe des Getriebes durch das Sekundär-Antriebsscheibensymbol 276 dargestellt wird, und die Eingangsseite des kontinuierlich variablen Getriebes durch das Primär-Antriebsscheibensymbol 278 dargestellt werden kann. Als eine Verhältnisregelung liefert der kraftvariable Schaltmagnet 280 einen Verhältnis-Regeldruck zu Durchgang 282 und wird mit Öldruck von Speisedurchgang 284 geliefert, welcher mit der Ausgangsseite des kraftvariablen Motor-Schaltmagneten 286 verbunden ist.
Der kraftvariable Schaltmagnet 288 der elektronischen Druckregelung liefert auf Drehmoment empfindlichen Druck oder Drosseldruck (TV-Druck) durch Durchgang 290 zu Hauptregulierventil 292. Eine Elektropumpe 294 kann benutzt werden um Öldruck zu Verhältnisregelungs-Speisedurchgang 296 zu liefern, welcher sich zu dem Verhältnis-Regelventil 298 erstreckt.
Das Verhältnis-Regelventil verteilt Primär-Antriebsscheibendruck durch Durchgang 300 zu der Primär-Antriebsscheibe 278, während niedriger Druck zu der Sekundär-Antriebsscheibe 276 und zu Durchgang 296 verteilt wird.
Das Verhältnis-Regelventil wird durch den Druck in Durchgang 282 geregelt, welcher einen Druck auf das Verhältnis-Regelventil entwickelt, das der Kraft von Feder 302 entgegenwirkt. Motor-Trennkupplung 16''' wird durch den kraftvariablen Motor-Schaltmagneten 286 geregelt. Vorwärts- und Rückwärts-Kupplungsdruck wird durch Durchgang 304 von dem kraftvariabeln Vorwärts- und Rückwärts-Schaltmagneten 306 verteilt. Das Handventil 308 verteilt Druck von Durchgang 304 zu der Vorwärtskupplung 310 oder der Rückwärtskupplung 312.
Die beiden Energiequellen für die Ausführungsformen der 16 und 17 sind der Verbrennungsmotor und der elektrische Induktionsmotor 14''. Die Motor-Trennkupplung 16''' verbindet den Induktionsmotor 14''' mit dem Motor 10'''. Ist die Trennkupplung abgeschaltet, so kann der Motor abgeschaltet werden um Kraftstoff zu sparen. Um den Motor erneut zu starten wird die Trennkupplung eingerückt, so daß der Anlasser/die Lichtmaschine den Motor anlässt.
Wie im Fall der zuvor beschriebenen Konstruktionskonfigurationen arbeitet die kontinuierlich variable Getriebekonfiguration ohne einen Drehmomentwandler. Der Schlupf der Rückwärts- und Vorwärtskupplungen 310 und 312 wird während des Leerlaufs und des Anfahrens geregelt.
Dies regelt auch die Antriebsstrang-Dämpfung.
Antriebsstrang-Drehmomentstörungen werden mit der kontinuierlich variablen Getriebekonfiguration minimiert, weil sie keine Schalttransienten aufweist, wie im Fall eines Getriebes mit gestuftem Übersetzungsverhältnis. Dies neigt dazu den Nachteil des Fehlens eines Drehmomentwandlers zur Dämpfung von Drehmomentstörungen zu überwinden. Die kontinuierlich variable Getriebekonfiguration kann im Leerlaufmodus regenerative Bremsung bereitstellen.
Während des Anfahrens kann der Motor abgeschaltet werden, und das gesamte Anfahrdrehmoment kann mit dem Elektromotor erhalten werden. In diesem Fall wäre die Vorwärtskupplung vollständig verriegelt.
Alternativ kann man den Motor laufen lassen, und der Vorwärtskupplung kann erlaubt werden unter Verwendung eines elektronischen Reglers durchzurutschen. Der Motor kann dann benutzt werden um beim Anfahren zu helfen, um eine optimale Anfahrleistung bereitzustellen.
Mit Antriebsstrang-Torsionsschwingungen kann man unter Verwendung des Anlassers/der Lichtmaschine mit einem elektronischen Mikroprozessor fertig werden, oder der Prozessor kann einen geringen Schlupf (z.B. 20 U/min) über die Vorwärtskupplung hinweg bereitstellen, so daß Torsionsstörungen des Motors nicht durch das Getriebe übertragen werden. Von den Kupplungen wird in diesem Fall gefordert selbst dann Drehmoment zu handhaben, wenn der Motor ausgeschaltet ist, und das Anfahren kann mit dem Elektromotor vorgenommen werden. Weil der Elektromotor bei Drehzahl Null Drehmoment bereitstellt, müssen die Getriebekupplungen konstruiert sein um dieses Drehmoment handzuhaben. Die Pumpe muß daher elektrisch angetrieben werden.

Claims

Ein Hybridfahrzeug-Antriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor (10) umfaßt, einen Mehrgang-Kraftübertragungsmechanismus und einen Elektromotor; wobei der Getriebemechanismus (12) ein Mehrgang-Räderwerk (26, 30, 32, 34, 48, 50, 52, 54) und Kupplungs- und Bremsenvorrichtungen (28, 38, 40) besitzt, um mehrere Drehmoment-Durchflußwege durch das Räderwerk hindurch zu schaffen und aufzuheben; wobei die Kupplungs- und Bremsenvorrichtungen eine regelbare, druckbetätigte Reibung einschließen in einem Drehmoment-Durchflußweg zwischen dem Motor und Drehmoment-Eingangselementen des Räderwerks; wobei eine Drehmoment-Eingangswelle (22) des Getriebemechanismus (12) durch die Reibungskupplung mit dem Motor (10) verbunden ist; wobei der Elektromotor (14) in paralleler Anordnung hinsichtlich des Motors antreibbar mit der Drehmoment-Eingangswelle (22) verbunden ist, wodurch beide in der Lage sind Antriebsdrehmoment zu der Drehmoment-Eingangswelle zu liefern; wobei der Elektromotor (14) dadurch eine Quelle für Antriebsdrehmoment bildet, die das Antriebsdrehmoment des Motors ergänzt, wenn der Motor aktiviert wird; und die eine alleinige Quelle für Antriebsdrehmoment bildet, wenn der Motor abgeschaltet ist; Vorrichtungen zur Regelung des elektronischen Eingriffs der Reibungskupplung während des Motorleerlaufs, die Vorrichtungen umfassen um das Motordrehmoment zu detektieren und um ein Drehmomentsignal zu bestimmen, das für einen Leerlaufdrehmoment-Versatz durch das Motordrehmoment bezeichnend ist; und Vorrichtungen um während des Leerlaufs Motordrehmoment mit Elektromotordrehmoment zu kombinieren, und um einen regulierten Kupplungs-Betätigungsdruck in Reaktion auf das Drehmomentsignal beizubehalten, wodurch Motorleerlauf-Drehmomentschwankungen während des Motorleerlaufs durch Elektromotordrehmoment modifiziert werden, um während Motorleerlauf eine elektronische Dämpfung des Motordrehmoments zu bewirken.
Der in Anspruch 1 ausgeführte Hybridfahrzeug-Antriebsstrang einschließlich Vorrichtungen, um während des Anfahrens des Fahrzeugs Elektromotordrehmoment mit Motordrehmoment zu kombinieren; einschließlich Vorrichtungen um die Fahrzeuggeschwindigkeit während des Anfahrens als eine Funktion der Kupplungsverstärkung zu berechnen; Vorrichtungen um während des Anfahrens die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit und Motordrosselstellung zu detektieren; einen elektronischen Regler einschließlich einer gespeicherten funktionellen Beziehung zwischen Drosselstellung und tatsächlicher Fahrzeuggeschwindigkeit, um die von dem Elektromotor gewünschte Leistung zu bestimmen; Vorrichtungen um eine Motor-Zieldrehzahl als eine Funktion von Drosselstellung und berechneter Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen; und Vorrichtungen um die Reibungskupplung-Verstärkung als eine Funktion des Fehlers zwischen Motor-Zieldrehzahl und tatsächlicher Motordrehzahl zu regeln, wodurch ein sanftes Anfahren des Fahrzeugs erreicht wird.
Der Hybridfahrzeug-Antriebsstrang aus Anspruch 1, in dem die Kupplungs- und Bremsenvorrichtungen eine Vorwärtskupplung einschließen, die einen Drehmoment-Durchflußweg zu dem Mehrgang-Räderwerk schafft und aufhebt.
Ein Hybridfahrzeug-Antriebsstrang wie in Anspruch 2 beansprucht, in dem das Räderwerk auf Rückwärksdrehmoment-Lieferung dort hindurch während eines Leerlaufs den Elektromotor antreibt, um eine regenerative Bremsung zu bewirken, die kinetische Energie in dem Antriebsstrang zu elektrischer Spannungsenergie umwandelt.
Der Hybridfahrzeug-Antriebsstrang wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem die Kupplungs- und Bremsenvorrichtungen Hydraulikdruck-Stellglieder einschließlich beweglicher Kolben-Stellglieder einschließen, die aus einer Kupplungs- und Bremsen-Lösestellung einen Hub zu einer Kupplungs- und Bremsen-Anlegestellung verrichten; wobei der Getriebemechanismus eine motorbetriebene Flüssigkeitsdruckpumpe und eine Regelventil-Schaltungsvorrichtung aufweist, um betätigenden Flüssigkeitsdruck von der motorbetriebenen Pumpe gezielt zu den Hydraulikdruck-Stellgliedern zu liefern; und eine Hilfspumpe mit einer von der motorbetriebenen Pumpe unabhängigen Antriebsdrehmoment-Quelle; wobei diese Regelventil-Schaltung eine Durchgangsstruktur einschließt, welche die Hilfspumpe mit den Hydraulikdruck-Stellgliedern verbindet, wenn der Motor inaktiv ist; um dadurch einen Schwellendruck in den Hydraulikdruck-Stellgliedern beizubehalten.
Ein Hybridfahrzeug-Antriebsstrang wie in Anspruch 2 beansprucht, in dem die Reibungskupplung zwischen dem Elektromotor und dem Räderwerk angeordnet ist.
Ein Hybridfahrzeug-Antriebsstrang wie in Anspruch 2 beansprucht, in dem der Getriebemechanismus ein kontinuierlich variables Getriebe ist, das einen durch unendlich variable Verhältnisse im Drehmoment-Durchflußweg zwischen dem Motor und Drehmoment-Abgabeabschnitten des kontinuierlich variablen Getriebes gekennzeichneten Drehmoment-Verhältnisbereich aufweist.
Ein Hybridfahrzeug-Antriebsstrang wie in Anspruch 5 beansprucht, in dem die Regelventil-Schaltung schaltmagnetbetätigte Ventilvorrichtungen zur Regelung der Druckverteilung zu den Druck-Stellgliedern umfaßt; und einen Pitot-Druckgenerator der ein Pitot-Aufnahmeelement und eine Flüssigkeitsmenge umfaßt, die einen Teil der Ventilschaltung bildet; wobei die Flüssigkeitsmenge und das Pitot-Aufnahmeelement relativ zueinander, eines bezüglich des anderen, bei einer Drehzahl proportional der Motordrehzahl drehbar sind; und Vorrichtungen um Geschwindigkeitsdruck von der Pitot-Aufnahme zu der Regelschaltung zu verteilen, wodurch der Pitot-Druckgenerator Schaltungsdruck auf die Ventilschaltung anwendet, um vom Getriebemotor angetriebenen Pumpendruck zu ersetzen, wenn die schaltmagnetbetätigten Ventilvorrichtungen nicht funktionieren.
Der Hybridfahrzeug-Antriebsstrang wie in Anspruch 2 ausgeführt, in dem die Kupplung antreibende und angetriebene Kupplungsscheiben umfaßt; die Kupplung antreibende und angetriebene Kupplungsscheiben in einem Scheibenaufbau und ein Kupplungskolben-Stellglied zum Anlegen einer Kupplungsscheiben-Anlegekraft an dem Scheibenaufbau umfaßt; eine Flüssigkeitsdruck-Kupplungskammer, die zum Teil durch das Kupplungskolben-Stellglied begrenzt wird; wobei die Kupplungskammer, wenn mit Druck beaufschlagt, eine Kupplungsscheiben-Anlegekraft auf das Kupplungskolben-Stellglied schafft; und eine auf das Kupplungskolben-Stellglied wirkende Kupplungsfeder dadurch eine Kupplungsscheiben-Schwellen-Anlegekraft schafft, die eine verringerte Verzögerung beim Etablieren von Kupplungsdrehmoment-Kapazität schafft, während Kupplungskolben-Stellglieddruck zu der Kupplungskammer verteilt wird.
Ein Hybridfahrzeug-Antriebsstrang wie in Anspruch 5 beansprucht, in dem die Regelventilschaltungs-Vorrichtungen Vorrang-Ventilelemente einschließen, die zwischen der motorbetriebenen Pumpe und den Hydraulikdruck-Stellgliedern angeordnet sind; und Vorrichtungen zur Aktivierung der Vorrang-Ventilelemente, um eine Druckverteilung zu ersten der Hydraulikdruck-Stellglieder zu bewirken, die in dem Räderwerk Drehmoment-Durchflußwege zur Leistungslieferung mit einem ersten Drehmomentverhältnis schaffen, während sie eine Druckverteilung zu zweiten der Druckstellglieder zur Leistungslieferung mit einem zweiten Drehmomentverhältnis verhindern.
Der in Anspruch 1 ausgeführte Elektro-Hybridfahrzeug-Antriebsstrang, einschließlich Vorrichtungen zur Regelung des elektronischen Eingriffs der Reibungskupplung während Motor-Leerlauf; der Vorrichtungen umfaßt um das Motordrehmoment zu detektieren und ein für das Motor-Leerlaufdrehmoment bezeichendens Drehmomentsignal zu bestimmen; Vorrichtungen, um während des Leerlaufs Motordrehmoment mit Elektromotordrehmoment zu kombinieren, und um einen regulierten, auf das Drehmomentsignal reagierenden Kupplungs-Betätigungsdruck beizubehalten; wodurch Motorleerlauf-Drehmomentschwankungen während des Motorleerlaufs durch Elektromotordrehmoment modifiziert werden, um elektronische Dämpfung des Motordrehmoments während Motorleerlauf zu bewirken; Vorrichtungen um während des Anfahrens des Fahrzeugs Elektromotordrehmoment mit Motordrehmoment zu kombinieren; einschließlich Vorrichtungen um die Fahrzeuggeschwindigkeit während des Anfahrens als eine Funktion der Reibungskupplungs-Verstärkung zu berechnen; Vorrichtungen um die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit und die Motor-Drosselstellung während des Anfahrens zu detektieren; einen elektronischen Regler einschließlich einer gespeicherten, funktionellen Beziehung zwischen Drosselstellung und tatsächlicher Fahrzeuggeschwindigkeit, um die von dem Elektromotor gewünschte Leistung zu bestimmen; Vorrichtungen um eine Motor-Zieldrehzahl als eine Funktion von Drosselstellung und berechneter Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen; und Vorrichtungen um die Kupplungsverstärkung als eine Funktion eines Fehlers zwischen Motor-Zieldrehzahl und tatsächlicher Motordrehzahl zu bestimmen, wodurch ein weiches Anfahren des Fahrzeugs erreicht wird.