DE60209568T2

DE60209568T2 - Kraftübertragungsvorrichtung mit mindestens zwei planetengetriebezügen

Info

Publication number: DE60209568T2
Application number: DE60209568T
Authority: DE
Inventors: Alain Bezian; Jacques Laeuffer
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: US20050064974A1; EP1453694B1; EP1453694B9; EP1453694A1; ES2256591T3; US7195573B2; JP2005509554A; DE60209568D1; FR2832357B1; WO2003043846A1; FR2832357A1; AU2002365959A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Übertragungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, die dafür vorgesehen ist, die Kraftübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor und den Rädern des Fahrzeugs bereitzustellen, wobei Drehmomentunterbrechungen beseitigt werden.
Es sind bereits Übertragungseinrichtungen dieses Typs bekannt, beispielsweise automatische Getriebe oder Einrichtungen vom CVT-Typ (Continuous Variable Transmission) oder auch vom IVT-Typ (Infinitely Variable Transmission), das heißt eine Übertragungseinrichtung, die es gestattet, alle in einem bestimmten Intervall enthaltenen Übersetzungsverhältnisse zu realisieren.
Diese Übertragungseinrichtungen gestatten es, den Verbrennungsmotor an seinem besten Arbeitspunkt einzusetzen, indem das Übersetzungsverhältnis den Fahrbedingungen angepaßt wird.
Diese Einrichtungen haben jedoch alle den Nachteil einen erhöhten Verbrauch zu verursachen, da sie einen begrenzten Getriebeausschnitt haben. Außerdem wird die Beseitigung von Drehmomentunterbrechungen erreicht, indem Energie in den Kupplungen, Kupplern oder hydraulischen Maschinen dissipativ verbraucht wird.
Es ist bereits eine Übertragungseinrichtung entwickelt worden, um diesen Nachteil zu überwinden und um in ihrer Anlaßphase den Längskomfort gegenüber einem automatischen Getriebe oder einer CVT-Übertragungseinrichtung zu verbessern.
Diese von TOYOTA im Fahrzeug PRIUS eingesetzte Übertragungseinrichtung umfaßt zwei Elektromaschinen, einen Planetengetriebezug, über den der Verbrennungsmotor und die beiden Elektromaschinen miteinander verbunden sind, sowie eine Batterie. Diese Übertragungseinrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Kraftabzweigung, das es gestattet die an die Räder übertragene Kraft anzupassen.
Wenn der Verbrennungsmotor arbeitet wird ein Teil seiner Leistung direkt und auf mechanische Weise an die Räder des Fahrzeugs übertragen, während ein anderer Teil seiner Leistung mittels zweier Elektromaschinen "abgezweigt" wird.
Die zu den Elektromaschinen abgezweigte Leistung kann zur Batterie übertragen werden oder wieder zu den Rädern des Fahrzeugs.
Dieses Übertragungselement gestattet es ebenfalls, in einer Abbremsphase eine dieser Elektromaschinen als Generator arbeiten zu lassen, um Leistung zur Batterie zu übertragen.
Ein solches Übertragungselement gestattet es, alle Übersetzungsverhältnisse in einem gegebenen Intervall zu erhalten, wobei gleichzeitig der Verbrauch gegenüber einem herkömmlichen Automatikgetriebe um etwa 40% verringert wird, insbesondere durch das Fehlen jeder Kupplung, die Energie dissipativ verbraucht.
Dieses Element hat dagegen den Nachteil hoher Kosten, insbesondere durch das Vorhandensein der Batterie. Außerdem hat die elektrische Komponente einen schlechten Wirkungsgrad.
Das Dokument EP-1 092 583 beschreibt eine Triebwerkgruppe für ein Fahrzeug, die einen Verbrennungsmotor, eine Steuerung, einen elektromagnetischen Kuppler, der zwei Elektromaschinen zusammenschließt, sowie ein oder sogar zwei Planetengetriebezüge umfaßt.
Dieser Kuppler ist auf spezifische Weise konzipiert, der Rotor einer Maschine wird durch den Stator der anderen Maschine getragen, wobei die beiden Maschinen außerdem konzentrisch sind.
Diese Triebwerksgruppe stellt eine Lösung für das Problem der Dimensionierung der Elektromaschinen und für das der elektrischen Verluste bei Geschwindigkeit Null des Kupplers bereit.
Sie hat jedoch auch Nachteile.
Tatsächlich benötigt sie zuerst die Konzeption eines spezifischen elektromagnetischen Kupplers, der aus zwei verschachtelten Elektromaschinen gebildet wird und dessen Kosten notwendigerweise hoch sind.
Außerdem wird die Verbindung zwischen den beiden Elektromaschinen auf permanente und mechanische Weise hergestellt und nicht über Planetengetriebezüge. Diese Anordnung begrenzt notwendigerweise die verfügbaren Arbeitsmodi und damit insbesondere die Möglichkeit den Verbrauch zu optimieren.
Genauso beschränkt die permanente Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kuppler die Arbeit der ganzen Gruppe.
Schließlich umfaßt die Schaltvorrichtung dissipative Elemente, wie etwa eine Bandbremse oder eine Kupplung, die notwendigerweise zu Verlusten führen und es nicht gestatten, die Kontinuität des an die Räder gelieferten Drehmoments bereitzustellen.
Das Dokument DE-199 03 936 betrifft eine Übertragungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, das mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet ist, wobei diese Übertragungsvorrichtung zwei Elektromaschinen umfaßt, von denen jede an wenigstens einen Planetengetriebezug gekoppelt ist.
Es ist ebenfalls eine mechanische Schaltvorrichtung vorgesehen.
Diese Vorrichtung ist so konzipiert, daß die Elektromaschinen weder mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors noch mit den Rädern gekoppelt sind. Diese Verbindungen können nur über einen Planetengetriebezug vorgenommen werden.
Diese Übertragungsvorrichtung hat zahlreiche Nachteile.
Tatsächlich macht das Vorhandensein eines zwischengeschalteten Planetengetriebezugs zwischen einer Elektromaschine und den Rädern beim Starten des Fahrzeugs an einem Ausgang des Zugs ein großes Drehmoment erforderlich, das vom Verbrennungsmotor oder einer Bremse bereitgestellt werden muß. Dies ist, insbesondere in Hinsicht auf den Verbrauch, nicht wünschenswert.
Außerdem ist für den Betrieb dieser Übertragungsvorrichtung das Vorhandensein von Bremsen am Eingang und Ausgang notwendig.
Gegenstand der Erfindung ist es, die bekannten Übertragungsvorrichtungen für Hybridfahrzeuge zu verbessern, indem der Verbrauch, der gesamte Platzbedarf und die Kosten weiter verringert werden, und dies insbesondere unter Verwendung von Standardelektromaschinen und indem das Vorhandensein von Leistungsbatterien überflüssig gemacht wird.
Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Kraftübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor und den Rädern eines Kraftfahrzeugs, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: zwei unabhängige Elektromaschinen, wenigstens zwei Planetengetriebezüge, die den Verbrennungsmotor und die Elektromaschinen untereinander und mit den Rädern des Fahrzeugs verbinden, eine mechanische Schaltvorrichtung, die den Wechsel von einem Betriebsmodus der Kraftübertragungsvorrichtung zu einem anderen bereitstellt, wobei jeder Betriebsmodus einer unterschiedlichen Spanne von Übersetzungsverhältnissen entspricht und die Schaltvorrichtung es gestattet, eine der Elektromaschinen direkt mit den Rädern des Fahrzeugs zu verbinden, und eine Steuervorrichtung, die den Verbrennungsmotor, die zwei Elektromaschinen und die mechanische Schaltvorrichtung derart steuert, daß die Arbeitspunkte des Verbrennungsmotors und der Elektromaschinen dem momentanen minimalen Verbrauch entsprechen und es gestatten, die an den Rädern benötigte Leistung zu erhalten.
Diese Übertragungsvorrichtung gestattet es, durch das Vorhandensein mehr als eines Planetengetriebezugs, den Verbrauch zu verringern, wodurch die abgezweigte elektrische Leistung reduziert werden kann.
Vorzugsweise enthält die mechanische Schaltvorrichtung kein Verlustelement und gestattet es, die Stöße beim Wechsel von einem Arbeitsmodus zu einem anderen einzuschränken oder zu beseitigen.
Damit gestattet es die Übertragungsvorrichtung dann den Verbrauch noch weiter zu verringern.
Gemäß der Erfindung ist die mechanische Schaltvorrichtung zwischen einer der beiden Elektromaschinen und dem Rest der Übertragungsvorrichtung angeordnet.
Vorzugsweise gestattet die mechanische Schaltvorrichtung die Wahl zwischen zwei verschiedenen Arbeitsmodi.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Übertragungsvorrichtung zwei Planetengetriebezüge, deren drei Achsen sich gegenüber der Fahrzeugkarosserie und dem Motorgehäuse frei drehen können.
In einer ersten Variante sind die zwei Planetenradträger der Züge untereinander und mit den Rädern verbunden.
Eine der Elektromaschinen kann dabei mittels der mechanischen Schaltvorrichtung entweder mit den Rädern des Fahrzeugs oder mit dem Sonnenrad eines der beiden Planetengetriebezüge verbunden werden.
In einer zweiten Variante ist der Planetenradträger des ersten Planetengetriebezugs mit dem Hohlrad bzw. Tellerrad des zweiten Planetengetriebezugs und den Rädern verbunden.
Eine der Elektromaschinen kann dabei mittels der Schaltvorrichtung entweder mit dem Hohlrad oder mit dem Sonnenrad des zweiten Planetengetriebezugs verbunden werden.
In einer dritten Variante ist das Hohlrad des ersten Planetengetriebezugs mit dem Planetenradträger des zweiten Planetengetriebezugs und den Rädern verbunden.
Eine der Elektromaschinen kann dabei mittels der Schaltvorrichtung entweder mit dem Sonnenrad des ersten Zugs oder dem Planetenradträger des zweiten Zugs verbunden werden.
In einer vierten Variante ist das Sonnenrad des ersten Zugs mit dem Hohlrad des zweiten Zugs und den Rädern verbunden.
Eine der Elektromaschinen kann dabei mittels der Schaltvorrichtung entweder mit dem Sonnenrad oder dem Planetenradträger des ersten Planetengetriebezugs verbunden werden.
Außerdem sind die Verhältnisse der beiden Planetengetriebezüge derart gewählt, daß wenn die Geschwindigkeit der Ausgangswelle der Elektromaschine gleich der Geschwindigkeit des Sonnenrads des Planetengetriebezugs ist, die Geschwindigkeit der Ausgangswelle der anderen Elektromaschine Null ist.
Vorzugsweise ist die mechanische Schaltvorrichtung ohne Verlustelement eine Klauenkupplung.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Kraftübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor und den Rädern eines Kraftfahrzeugs, mittels zweier unabhängiger Elektromaschinen, wenigstens zweier Planetengetriebezüge, die den Verbrennungsmotor und die Elektromaschinen untereinander verbinden, und einer mechanischen Schaltvorrichtung, die es gestattet, eine der Elektromaschinen mit den Rädern des Fahrzeugs zu verbinden, wobei dieses Verfahren darin besteht, das Übertragungsverhältnis zu bestimmen, die Schaltvorrichtung zu steuern, damit die Übertragung gemäß dem Modus entsprechend dem genannten Verhältnis sichergestellt wird, und den Verbrennungsmotor und die beiden Elektromaschinen derart zu steuern, daß die Arbeitspunkte des Verbrennungsmotors und der Elektromaschinen dem momentanen minimalen Verbrauch entsprechen und es gestatten, die an den Rädern benötigte Leistung zu erhalten.
Vorzugsweise enthält die mechanische Schaltvorrichtung kein Verlustelement.
Gemäß der Erfindung wird der Wechsel von einem Arbeitsmodus zu einem anderen durchgeführt, wenn die Geschwindigkeit der mit der mechanischen Schaltvorrichtung verbundenen Ausgangswelle der Elektromaschine gleich der Geschwindigkeit der Welle ist, die diese Schaltvorrichtung mit dem Rest der Übertragungsvorrichtung verbindet.
Vorzugsweise wird der Wechsel von einem Arbeitsmodus zu einem anderen durchgeführt, wenn die auf die beiden Elektromaschinen abgezweigte Leistung Null ist, derart, daß eine heftige Änderung des Drehmoments vermieden wird.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Kraftfahrzeug, das mit einer so wie zuvor beschrieben ausgeführten Kraftübertragungsvorrichtung ausgerüstet ist.
Dieses Kraftfahrzeug kann eine Leistungsbatterie umfassen.
Die Erfindung wird besser verständlich und weitere Ziele, Vorteile und Eigenschaften dieser werden deutlicher erkennbar beim Lesen der folgenden Beschreibung, die mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung angefertigt ist, in der:
1 eine schematische Ansicht ist, die ein erstes Ausführungsbeispiel einer Übertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt, die zwei Planetengetriebezüge umfaßt,
2 ein Schema darstellt, das die Funktionsweise der Übertragungsvorrichtung in 1 in einem ersten Modus veranschaulicht,
3 ein Schema darstellt, das die Funktionsweise der Vorrichtung in 1 in einem zweiten Modus veranschaulicht,
4 eine schematische Ansicht ist, die ein zweites Ausführungsbeispiel einer Übertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt,
5 eine schematische Ansicht ist, die ein drittes Ausführungsbeispiel einer Übertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt,
6 eine schematische Ansicht ist, die ein viertes Ausführungsbeispiel einer Übertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt, und
die 7 bis 10 folgendes darstellen: für das erste Ausführungsbeispiel einer Übertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung und für eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs den Verlauf des Drehmoments jeder Elektromaschine (C3, C4), der Drehzahl jeder Maschine (N3, N4), der abgezweigten elektrischen Leistung (P) beziehungsweise der Fahrzeuggeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit.
Die den verschiedenen Figuren gemeinsamen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Die in 1 dargestellte Übertragungsvorrichtung ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, das einen Verbrennungsmotor 1 umfaßt. Die Räder des Fahrzeugs sind mit 2 bezeichnet.
Die Übertragungsvorrichtung umfaßt zwei Elektromaschinen 3 und 4.
Der Verbrennungsmotor 1 und die Elektromaschinen 3 und 4 sind mittels zweier Planentengetriebezüge 5 und 6 miteinander verbunden.
Der Planentengetriebezug 5 ist über sein Sonnenrad 50 mit der Ausgangswelle 10 des Verbrennungsmotors 1 verbunden.
Sein Planetenradträger 51 ist mit der Ausgangswelle 20 verbunden, die mit den Rädern 2 verbunden ist. Die Planetenräder haben ihrerseits das Bezugszeichen 510.
Schließlich greift die Elektromaschine 3 über die Zahnräder 81 und 82 in das Hohlrad 52 des ersten Zugs 5 ein. Die Maschine 3 ist mit dem Zahnrad 81 über ihre Ausgangswelle 30 verbunden.
Gleichfalls ist die Ausgangswelle 10 des Verbrennungsmotors 1 mit dem Hohlrad 62 des zweiten Zugs 6 verbunden.
Der Planetenradträger 61 ist mit dem Planetenradträger 51 und der Ausgangswelle 20 verbunden. Die Planentenräder haben das Bezugszeichen 610. Schließlich kann das Sonnenrad 60 des zweiten Zugs 6 mit der Elektromaschine 4 über eine mechanische Schaltvorrichtung 7, die in 1 sehr schematisch dargestellt ist, und mittels Wellen 40 und 41 und Zahnrädern 83 und 84 verbunden werden.
Vorzugsweise umfaßt diese mechanische Schaltvorrichtung keine Verlustelemente. Sie kann insbesondere in Form einer Klauenkupplung vorliegen. Schließlich kann die Elektromaschine 4, wiederum mittels der mechanischen Schaltvorrichtung 7, ebenfalls mit der Ausgangswelle 20 verbunden werden, und dies mittels Zahnrädern 85 und 86.
Somit ist in dieser Übertragungsvorrichtung die mechanische Schaltvorrichtung 7 zwischen einer der beiden Elektromaschinen 4 und dem Rest der Übertragungsvorrichtung angeordnet. In der Praxis liegt diese Übertragungsvorrichtung in Form einer einzigen Klauenkupplung vor.
Außerdem sind die beiden Planetengetriebezüge 5 und 6 derart ausgebildet, daß die Planetenradträger 51 und 61 miteinander und mit den Rädern verbunden sind.
Somit ist die Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und den Elektromaschinen und zwischen den Elektromaschinen mittels der beiden Planetengetriebezüge realisiert.
Insbesondere gibt es zwischen dem Verbrennungsmotor und der einen oder der anderen der Elektromaschinen keine feste Verbindung, damit über eine große Flexibilität in der Wahl der Arbeitsmodi verfügt werden kann.
Die Funktionsweise der Übertragungsvorrichtung wird nun zuerst mit Bezug auf 2 beschrieben, die einen ersten Arbeitsmodus darstellt.
Dieser erste Arbeitsmodus wird für relativ kleine Übersetzungsverhältnisse eingesetzt. Sie können insbesondere einer Geschwindigkeit entsprechen, die zwischen 0 und 15 Kilometer/Stunde liegt (mit den Rädern verbundene Ausgangswelle 20), für eine Geschwindigkeit des Verbrennungsmotors 1 von 1000 Umdrehungen/Minute.
Dieser erste Arbeitsmodus wird damit insbesondere beim Anfahren des Fahrzeugs verwendet.
In diesem Arbeitsmodus ist die Elektromaschine 4 mittels der Zahnräder 85 und 86 mit der Ausgangswelle 20 verbunden, die die Sekundärwelle der Übertragung bildet. Die Schaltvorrichtung 7 wird auf geeignete Weise betätigt, damit das Zahnrad 86 mit der Welle 40 im Eingriff ist.
Die Elektromaschine 4 ist damit im direkten Eingriff mit der Ausgangswelle 20 und daher mit den Rädern des Fahrzeugs. Diese direkte Verbindung erfolgt ohne Verluste. Außerdem gestattet sie einer Elektromaschine mit einer Maschine relativ geringer Abmessungen an den Rädern ein großes Drehmoment zu erzeugen.
Der zweite Planetengetriebezug 6 ist in 2 gepunktet dargestellt. Tatsächlich wird das Hohlrad 62 dieses Zugs 6 zwar vom Verbrennungsmotor 1 angetrieben, überträgt jedoch keine Leistung an die Räder, da es nicht mit der Ausgangswelle 20 verbunden ist.
Somit treibt das Zahnrad 86 die mit den Rädern 4 verbundene Ausgangswelle 20 über das Zahnrad 85 an, wohingegen das Zahnrad 84 lose ist.
In diesem Arbeitsmodus ist die Geschwindigkeit der Ausgangswelle 20 gleich der Geschwindigkeit der Planetenradträger 51 und 61 der beiden Planetengetriebezüge.
Während das Fahrzeug angetrieben ist, das heißt, daß der Verbrennungsmotor Leistung an die Räder liefert, arbeitet die Elektromaschine 3 als Generator, wohingegen die Elektromaschine 4 ein Motor ist. Wenn das Fahrzeug im Schiebebetrieb ist, das heißt, daß die Räder den Verbrennungsmotor drehend antreiben, arbeitet die Elektromaschine 3 als Motor und die Elektromaschine 4 als Generator.
Eine in den Figuren nicht dargestellte Verbindungsvorrichtung stellt die Leistungsübertragung zwischen den beiden Elektromaschinen bereit.
Eine solche Verbindungsvorrichtung ist insbesondere im Dokument FR-00 09461 beschrieben.
Es ist ebenfalls zu bemerken, daß die Übertragungsvorrichtung gemäß dem ersten Arbeitsmodus eingesetzt wird, wenn das Fahrzeug im Rückwärtsgang ist.
Wir beziehen uns jetzt auf 3, die einen zweiten Arbeitsmodus der in 1 dargestellten Übertragungsvorrichtung veranschaulicht.
Dieser zweite Arbeitsmodus wird für relativ große Übersetzungsverhältnisse eingesetzt, die beispielsweise einer Geschwindigkeit der Ausgangswelle zwischen 15 und 60 Kilometer/Stunde entsprechen, bei einer Geschwindigkeit des Verbrennungsmotors von 1000 Umdrehungen/Minute.
Dieser zweite Arbeitsmodus wird eingesetzt, wenn das Fahrzeug nach dem Anfahren im Vorwärtsgang ist.
In diesem zweiten Arbeitsmodus wird das mechanische Schaltsystem 7 derart gesteuert, daß die Elektromaschine 4 mit dem Zahnrad 84 verbunden wird, das dann mit der Welle 41 im Eingriff ist, wobei das Rad 86 dann frei ist. Die Wellen 40 und 41 sind dann mittels der Vorrichtung 7 bezüglich Drehungen verbunden.
Die Räder 85 und 86 sind in 3 gestrichelt dargestellt, um die Tatsache deutlich zu machen, daß sie keine Leistung an die Räder übertragen.
Die Elektromaschine 4 ist dann über die Räder 84 und 83 mit dem Sonnenrad 60 des zweiten Planetengetriebezugs 6 im Eingriff.
Außerdem ist der Verbrennungsmotor 1 wiederum mit dem Sonnenrad 50 des ersten Planetengetriebezugs 5 verbunden und die Elektromaschine 3 befindet sich wiederum über die Räder 81 und 82 mit dem Hohlrad 52 dieses ersten Zugs im Eingriff.
Wie zuvor für den ersten Arbeitsmodus erklärt wurde, können die Elektromaschinen 3 und 4 je nach Fall als Motor oder Generator arbeiten.
Eine in den Figuren nicht dargestellte Steuervorrichtung steuert den Verbrennungsmotor und die beiden Elektromaschinen, indem sie deren Arbeitspunkt bestimmt, und sie steuert ebenfalls die mechanische Schaltvorrichtung 7 in der folgenden Weise.
Anhand von Karten des momentanen Verbrauchs des Verbrennungsmotors sowie Karten des Wirkungsgrads der Elektromaschinen bestimmt die Steuervorrichtung den Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors und der Elektromaschinen, der dem minimalen momentanen Verbrauch entspricht und der sicherstellt, daß das an den Rädern erhaltene Drehmoment tatsächlich den Anforderungen des Fahrers entspricht.
Wenn die Steuervorrichtung ein Verbrauchsminimum für ein relativ kleines Übersetzungsverhältnis feststellt, wird die Kraftübertragungsvorrichtung gemäß dem ersten Arbeitsmodus eingesetzt, und in diesem Fall wird die mechanische Schaltvorrichtung 7 derart gesteuert, daß das Rad 86 fest mit der Ausgangswelle 40 der Elektromaschine 4 verbunden ist. Andernfalls wird die Übertragungsvorrichtung im zweiten Arbeitsmodus eingesetzt und die mechanische Schaltvorrichtung 7 wird dann derart gesteuert, daß die Ausgangswelle 40 der Elektromaschine 4 mit dem Rad 84 verbunden wird, das dann mit der Welle 41 fest verbunden ist.
In der Praxis wird der Wechsel von einem Arbeitsmodus zu einem anderen durchgeführt, wenn die Geschwindigkeit der Ausgangswelle 40 der Elektromaschine 4 gleich der Geschwindigkeit der Well 41 ist, die die Schaltvorrichtung 7 mit dem Zahnrad 84 verbindet. Die Stetigkeit der Drehzahlen ist notwendig, damit die Schaltvorrichtung arbeiten kann.
Bis auf das durch das Vorhandensein der Zahnräder 83 und 84 gegebene Untersetzungsverhältnis ist diese Bedingung auch erfüllt, wenn die Geschwindigkeit der Ausgangswelle 40 der Elektromaschine 4 gleich der Geschwindigkeit des Sonnenrads 60 des Planetengetriebezugs 6 ist.
Beim Wechsel von einem Arbeitsmodus zu einem anderen verringert sich das Drehmoment auf der Ausgangswelle 20, wodurch ein harter Stoß erzeugt wird.
Mehrere Lösungen können in Betracht gezogen werden, um diesen Stoß beim Wechsel des Arbeitsmodus zu begrenzen oder zu beseitigen.
Insbesondere kann vorgesehen werden, daß bei einem Wechsel des Arbeitsmodus die Steuervorrichtung die Elektromaschine 3 in geeigneter Weise steuert, damit diese Maschine während einer bestimmten Dauer ein größeres Drehmoment bereitstellt, um das Ausbleiben des von der Elektromaschine 4 kommenden Drehmoments auszugleichen.
Eine weitere Lösung besteht darin, die Verhältnisse der Planetengetriebezüge 5 und 6 so zu wählen, daß wenn die Stetigkeitsbedingung der Drehzahlen erfüllt ist, die Geschwindigkeit der Ausgangswelle 30 der Elektromaschine 3 Null ist.
Diese Bedingung drückt sich auch in der Tatsache aus, daß die auf die beiden Elektromaschinen 3 und 4 abgezweigte Leistung Null ist.
Das Anhalten der Elektromaschine 3 beim Drehzahlwechsel gestattet es, das von der Elektromaschine 4 gelieferte Drehmoment zu minimieren. Dieses Drehmoment ist jedoch durch Verluste in den Elektromaschinen und eines Verbrauchs im Bordnetz nicht Null.
Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann es vorgesehen werden, daß die Steuervorrichtung den Verbrennungsmotor und/oder die Elektromaschine 3 in geeigneter Weise steuert, damit ein leicht höheres Drehmoment erzeugt wird, um die Kontinuität des an die Räder gelieferten Drehmoments sicherzustellen.
Indem die WILLIS-Beziehung auf jeden der beiden Planetengetriebezüge angewendet wird, ergibt sich für das Anhalten der Elektromaschine 3 beim Wechsel des Arbeitsmodus folgende Bedingung: [r3/(r2R2) – (R2 + 1)/R2 + (R1 + 1)] = 0mit:
r₃ = Z₄/Z₃, wobei Z₃ beziehungsweise Z₄ die Zähneanzahl der Zahnräder 83 beziehungsweise 84 sind,
r₂ = Z₆/Z₅, wobei Z₅ beziehungsweise Z₆ die Zähneanzahl der Zahnräder 85 beziehungsweise 86 sind,
R2 ist das Verhältnis des Planetengetriebezugs 6,
R1 ist das Verhältnis des Planetengetriebezugs 5.
Das Vorhandensein eines zusätzlichen Planetengetriebezugs im Vergleich zu bekannten Übertragungsvorrichtungen mit einem einzigen Planetengetriebezug, gestattet es, die Übertragungsvorrichtung in einem zusätzlichen Arbeitsmodus arbeiten zu lassen.
Dieser zusätzliche Arbeitsmodus gestattet es, den Verbrennungsmotor und die Elektromaschinen in einem größeren Bereich von Übersetzungsverhältnissen mit einem besseren Wirkungsgrad laufen zu lassen.
Dies führt dazu, daß die mittels der beiden Elektromaschinen abgezweigte elektrische Leistung sich verringert.
Beispielsweise liegt im Vergleich zu einem herkömmlichen Übertragungselement, für das die maximale abgezweigte Leistung etwa 50 kW beträgt, diese abgezweigte Leistung bei etwa 17 kW für eine Übertragungsvorrichtung wie sie zuvor beschrieben wurde, und dies bei gleichwertigen Leistungen.
Somit gestattet die Übertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung die Kontinuität des Drehmoments an den Rädern sicherzustellen und damit die Stöße zu beseitigen, wobei gleichzeitig die an den Rädern benötigte Leistung mit einem minimalen Verbrauch bereitgestellt wird.
Zur Veranschaulichung der durch die Übertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung gewonnenen Vorteile zeigen die 7 bis 10 den Verlauf des Drehmoments und der Drehzahl jeder der beiden Elektromaschinen als Funktion der Zeit sowie den Verlauf der abgezweigten Leistung und der Fahrzeuggeschwindigkeit als Funktion der Zeit, und dies bei einer Beschleunigung des Fahrzeugs.
Vom Zeitpunkt t = 0 bis zum Zeitpunkt t = 9,5 Sekunden wird der erste Arbeitsmodus eingesetzt, der mit Bezug auf 2 beschrieben wurde.
Der Wechsel zum zweiten Arbeitsmodus wird bei t = 9,5 Sekunden durchgeführt, während die Drehzahl der Elektromaschine 3 (N3) Null ist und das von der Elektromaschine 4 (C4) gelieferte Drehmoment Null ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die auf die beiden Elektromaschinen 3 und 4 (P) abgezweigte Leistung ebenfalls Null.
Die 7 bis 10 zeigen, daß die Übertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung eine Kontinuität des Drehmoments und der Drehzahl jeder der beiden Elektromaschinen sicherstellt.
Sie stellt durch die von der mechanischen Komponente bereitgestellten Anpassungsmöglichkeiten mit Elektromaschinen, deren Abmessungen gemäßigt sind, eine hohe Längsdynamik bereit.
Weitere Ausführungsbeispiele der Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung sind in den 4 bis 6 dargestellt.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf eine Übertragungsvorrichtung beschränkt, die zwei Planetengetriebezüge umfaßt. Es kann auch eine Kraftübertragungsvorrichtung ausgeführt werden, die drei oder sogar mehr Planetengetriebezüge umfaßt. Die Anzahl der Planetengetriebezüge wird im wesentlichen durch Kostengründe beschränkt.
In dem in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind der Verbrennungsmotor 1 und die Elektromaschinen 3 und 4 miteinander über zwei Planetengetriebezüge 15 und 16 verbunden.
Der Planetengetriebezug 15 ist über sein Sonnenrad 150 mit der Ausgangswelle 10 des Verbrennungsmotors verbunden.
Sein Planetenradträger 151 ist mit dem Hohlrad 162 des zweiten Planetengetriebezugs 16 und der mit den Rädern 2 verbundenen Ausgangswelle 20 verbunden. Die Planetenräder haben das Bezugszeichen 1510.
Die Elektromaschine 3 greift über die Zahnräder 81 und 82 in das Hohlrad 152 des ersten Zugs 15 ein. Die Maschine 3 ist mit dem Zahnrad 82 über ihre Ausgangswelle 30 verbunden.
Die Ausgangswelle 10 des Verbrennungsmotors 1 ist ebenfalls mit dem Planetenradträger 161 des zweiten Planetengetriebezugs 16 verbunden. Die Planetenräder haben das Bezugszeichen 1610.
Das Hohlrad 162 des zweiten Planetengetriebezugs 16 kann mittels der mechanischen Schaltvorrichtung 7 und über die Welle 40 der Elektromaschine 4 und die Zahnräder 85 und 86 ebenfalls mit der Elektromaschine 4 verbunden werden.
Schließlich kann das Sonnenrad 160 des zweiten Planetengetriebezugs mittels der mechanischen Schaltvorrichtung 7 und über die Wellen 40 und 41 und die Zahnräder 83 und 84 ebenfalls mit der Elektromaschine 4 verbunden werden.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist die mechanische Schaltvorrichtung zwischen einer der beiden Elektromaschinen und dem Rest der Übertragungsvorrichtung angeordnet. Sie wird beispielsweise mittels einer einzigen Klauenkupplung gebildet.
Bei der in 5 dargestellten dritten Ausführungsform sind der Verbrennungsmotor 1 und die Elektromaschinen 3 und 4 miteinander über zwei Planetengetriebezüge 25 und 26 verbunden.
Der erste Planetengetriebezug 25 ist über seinen Planetenradträger 251 mit der Ausgangswelle 10 des Verbrennungsmotors 1 und dem Hohlrad 262 des zweiten Planetengetriebezugs 26 verbunden. Die Planetenräder haben das Bezugszeichen 2510.
Sein Sonnenrad 250 kann mittels der mechanischen Schaltvorrichtung 7 und über Wellen 40 und 41 und Zahnräder 83 und 84 mit der Elektromaschine 4 verbunden werden.
Das Hohlrad 252 des ersten Planetengetriebezugs 25 ist mit dem Planetenradträger 261 des zweiten Planetengetriebezugs 26 und der mit den Rädern 2 verbundenen Ausgangswelle 20 verbunden. Die Planetenräder haben die Bezeichnung 2610.
Es kann mittels der mechanischen Schaltvorrichtung 7 und über Zahnräder 85 und 86 ebenfalls mit der Elektromaschine 4 verbunden werden.
Schließlich ist das Sonnenrad 260 des zweiten Planetengetriebezugs 26 über Zahnräder 81 und 82 und die Ausgangswelle 30 mit der Elektromaschine 3 verbunden.
Wiederum ist hier die mechanischen Schaltvorrichtung zwischen einer der beiden Elektromaschinen und dem Rest der Übertragungsvorrichtung angeordnet und kann dann durch eine einzige Klauenkupplung gebildet werden.
Jetzt mit Bezug auf 6 sind der Verbrennungsmotor 1 und die Elektromaschinen 3 und 4 miteinander über zwei Planetengetriebezüge 35 und 36 verbunden.
Der erste Planetengetriebezug 35 ist über sein Sonnenrad 350 mit dem Hohlrad 362 des zweiten Planetengetriebezugs 36 verbunden.
Über sein Sonnenrad 350 kann der Zug 35 auch mittels der Schaltvorrichtung 7 und über Zahnräder 85 und 86 mit der Elektromaschine 4 verbunden werden.
In diesem Fall treibt die Elektromaschine 4 direkt die Räder 2 an.
Das Hohlrad 352 des Zugs 35 ist mit der Ausgangswelle 10 des Verbrennungsmotors 1 verbunden, der ebenfalls mit dem Sonnenrad 360 des zweiten Planetengetriebezugs 36 verbunden ist.
Außerdem kann der Planetenradträger 351 des Zugs 35 mittels der mechanischen Schaltvorrichtung 7 und über Zahnräder 83 und 84 und Wellen 40 und 41 mit der Elektromaschine 4 verbunden werden. Die Planentenräder haben das Bezugszeichen 3510.
In diesem Fall dient die Elektromaschine 4 dem ersten Zug 35 als geschwindigkeitsgeregelter Motor und die Kraft wird über die Zahnräder 85, 86 und 87 an die Räder übertragen.
Der Planetenradträger 361 des zweiten Planetengetriebezugs 36 ist über Zahnräder 81 und 82 und die Welle 30 mit der Elektromaschine 3 verbunden. Die Planetenräder haben das Bezugszeichen 3610.
Die Schaltvorrichtung 7 ist hier wiederum zwischen einer der beiden Elektromaschinen und dem Rest der Übertragungsvorrichtung angeordnet. In der Praxis kann sie in Form einer Klauenkupplung gegeben sein.
In allen beschriebenen Ausführungsformen gestatten es die Planetengetriebezüge, die Elektromaschinen und den Verbrennungsmotor miteinander zu verbinden.
Es existiert keine feste Verbindung, die die Wahl der Arbeitsmodi einschränken könnte.
In allen Fällen sind die drei Wellen der Planetengetriebezüge gegenüber der Fahrzeugkarosserie und dem Motorgehäuse bezüglich Drehungen frei. Dies bietet den Vorteil, eine große Anzahl möglicher Kombinationen bereitzustellen, um die Dimensionierung der Elektromaschinen zu optimieren.
Außerdem sind die verwendeten Elektromaschinen unabhängig und können Standardmaschinen sein, deren Aufbau einfach ist und deren Herstellungskosten optimiert sind, wie die für Pumpen oder Kompressoren von Klimaanlagen vorgesehenen.
Zu jedem Planetengetriebezug kann ein bestimmter Arbeitsmodus der Kraftübertragungsvorrichtung gehören.
Wie zuvor beschrieben, umfaßt die Übertragungsvorrichtung weitere mechanische Elemente außer den Planetengetriebezügen, wie beispielsweise Zahnräder, die nur die Bewegungsübertragung bereitstellen. Sie benötigt jedoch keine Elemente wie Bremsen, um den Betrieb der Vorrichtung in allen Modi sicherzustellen.
Die Tatsache, daß eine mechanische Schaltvorrichtung ohne Verlustelemente verwendet wird, gestattet es außerdem, ebenfalls den Verbrauch zu verringern.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Schaltvorrichtung zwischen einer Elektromaschine und dem Rest der Übertragungsvorrichtung angeordnet.
Dadurch kann die Schaltvorrichtung insbesondere in Form einer einzigen Klauenkupplung vorliegen. Das zur Steuervorrichtung gehörende Steuerprogramm ist daher dafür konzipiert, nur eine Klauenkupplung zu steuern, und es ist notwendigerweise von einfacherem Aufbau als ein Programm, daß mehrere Klauenkupplungen steuert.
Außerdem bietet in dieser Konfiguration die Schaltvorrichtung die Wahl zwischen zwei verschiedenen Arbeitsmodi.
Diese Kraftübertragungsvorrichtung kann für ein Kraftfahrzeug mit oder ohne Batterie eingesetzt werden.
Das Vorhandensein einer Batterie bietet den Vorteil den Verbrauch zu verringern, wenn das Fahrzeug mit geringer Leistung arbeitet.
Eine Batterie hat dagegen auch Nachteile, insbesondere in Bezug auf den Platzbedarf und die Kosten. Es kann daher die Wahl getroffen werden keine Batterie einzusetzen.
In der Praxis und unabhängig von der Übertragungsvorrichtung wird das Vorhandensein der Batterie als Folge der bei der Fahrzeugkonzeption gewählten Fahrstrategie bestimmt.
In diesem Fall stellt eine Verbindungsvorrichtung einen direkten Leistungsübergang zwischen den beiden Elektromaschinen bereit, wobei bei den Elektromaschinen notwendigerweise die von einer Elektromaschine erzeugte Leistung unmittelbar von der anderen verbraucht wird.
Eine solche Verbindungsvorrichtung ist insbesondere im Dokument FR-00 09461 beschrieben.
Die Bezugszeichen, die hinter den in den Ansprüchen vorkommenden technischen Eigenschaften stehen, haben nur zum Ziel deren Verständlichkeit zu erleichtern und schränken deren Reichweite nicht ein.

Claims

Vorrichtung zur Kraftübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und den Rädern (2) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: zwei unabhängige Elektromaschinen (3, 4), wenigstens zwei Planetengetriebezüge (5, 15, 25, 35; 6, 16, 26, 36), die den Verbrennungsmotor und die Elektromaschinen untereinander und mit den Rädern des Fahrzeugs verbinden, eine mechanische Schaltvorrichtung (7), die den Wechsel von einem Betriebsmodus der Kraftübertragungsvorrichtung zu einem anderen bereitstellt, wobei jeder Kraftübertragungsmodus einer unterschiedlichen Spanne von Übersetzungsverhältnissen entspricht und die Schaltvorrichtung (7) es gestattet, eine der Elektromaschinen (4) direkt mit den Rädern (2) des Fahrzeugs zu verbinden, und eine Steuervorrichtung, die den Verbrennungsmotor (1), die zwei Elektromaschinen (3, 4) und die mechanische Schaltvorrichtung (7) derart steuert, daß die Arbeitspunkte des Verbrennungsmotors und der Elektromaschinen dem momentanen minimalen Verbrauch entsprechen und es gestatten, die an den Rädern benötigte Leistung zu erhalten.
Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schaltvorrichtung (7) kein Verlustelement enthält und es gestattet, die Stöße beim Wechsel von einem Arbeitsmodus zu einem anderen einzuschränken oder zu unterdrücken.
Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die mechanische Schaltvorrichtung (7) zwischen einer der beiden Elektromaschinen (4) und dem Rest der Übertragungsvorrichtung angeordnet ist.
Kraftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die mechanische Schaltvorrichtung die Wahl zwischen zwei verschiedenen Arbeitsmodi gestattet.
Kraftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die zwei Planetengetriebezüge (5, 6; 15, 16; 25, 26; 35, 36) umfaßt, deren drei Achsen sich gegenüber der Fahrzeugkarosserie und dem Motorgehäuse frei drehen können.
Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die zwei Planetenradträger (51, 61) untereinander und mit den Rädern (2) verbunden sind.
Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der eine der Elektromaschinen (4) mittels der mechanischen Schaltvorrichtung (7) entweder mit den Rädern (2) des Fahrzeugs oder mit dem Sonnenrad (60) eines der beiden Planetengetriebezüge (6) verbunden werden kann.
Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Planetenradträger (151) des ersten Planetengetriebezugs (15) mit dem Hohlrad (162) des zweiten Planetengetriebezugs (16) und den Rädern (2) verbunden ist.
Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 8, bei der eine der Elektromaschinen (4) mittels der Schaltvorrichtung (7) entweder mit dem Hohlrad (162) oder mit dem Sonnenrad (160) des zweiten Planetengetriebezugs (6) verbunden werden kann.
Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Hohlrad (252) des ersten Planetengetriebezugs (25) mit dem Planetenradträger (261) des zweiten Planetengetriebezugs (26) und den Rädern (2) verbunden ist.
Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 10, bei der eine der Elektromaschinen (4) mittels der Schaltvorrichtung (7) entweder mit dem Sonnenrad (250) des ersten Zugs (25) oder dem Planetenradträger (261) des zweiten Zugs (26) verbunden werden kann.
Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Sonnenrad (350) des ersten Zugs (35) mit dem Hohlrad (362) des zweiten Zugs (36) und den Rädern (2) verbunden ist.
Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 12, bei der eine der Elektromaschinen (4) mittels der Schaltvorrichtung (7) entweder mit dem Sonnenrad (350) oder dem Planetenradträger des ersten Planetengetriebezugs (35) verbunden werden kann.
Kraftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, bei der die Verhältnisse der beiden Planetengetriebezüge (5; 6) derart gewählt sind, daß wenn die Geschwindigkeit der Ausgangswelle (40) der Elektromaschine (4) gleich der Geschwindigkeit des Sonnenrads (60) des Planetengetriebezugs (6) ist, die Geschwindigkeit der Ausgangswelle (30) der anderen Elektromaschine (3) Null ist.
Kraftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, bei der die mechanische Schaltvorrichtung (7) eine Klauenkupplung ist.
Verfahren zur Kraftübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und den Rädern (2) eines Kraftfahrzeugs, mittels zweier unabhängiger Elektromaschinen (3, 4), wenigstens zweier Planetengetriebezüge (5, 15, 25, 35; 6, 16, 26, 36), die den Verbrennungsmotor und die Elektromaschinen untereinander verbinden, und einer mechanischen Schaltvorrichtung (7), die es gestattet, eine der Elektromaschinen (4) direkt mit den Rädern (2) des Fahrzeugs zu verbinden, wobei dieses Verfahren darin besteht, das Übertragungsverhältnis zu bestimmen, die Schaltvorrichtung zu steuern, damit die Übertragung gemäß dem Modus entsprechend dem genannten Verhältnis sichergestellt wird, und den Verbrennungsmotor und die beiden Elektromaschinen derart zu steuern, daß die Arbeitspunkte des Verbrennungsmotors und der Elektromaschinen dem momentanen minimalen Verbrauch entsprechen und es gestatten, die an den Rädern benötigte Leistung zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische Schaltvorrichtung kein Verlustelement enthält.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem der Wechsel von einem Arbeitsmodus zu einem anderen durchgeführt wird, wenn die Geschwindigkeit der mit der mechanischen Schaltvorrichtung verbundenen Ausgangswelle (40) der Elektromaschine (4) gleich der Geschwindigkeit der Welle (41) ist, die andererseits diese mechanische Schaltvorrichtung mit dem Rest der Übertragungsvorrichtung verbindet.
Kraftübertragungsverfahren nach Anspruch 18, bei dem der Wechsel von einem Arbeitsmodus zu einem anderen durchgeführt wird, wenn die auf die beiden Elektromaschinen abgeleitete Leistung Null ist, derart, daß eine heftige Änderung des Drehmoments vermieden wird.
Kraftfahrzeug, das mit einer Kraftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgerüstet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 20, das eine Leistungsbatterie umfaßt.