DE60224020T2

DE60224020T2 - Elektromotorantriebsachse mit integriertem untersetzungs- und differentialgetriebe

Info

Publication number: DE60224020T2
Application number: DE60224020T
Authority: DE
Inventors: Thomas C. Rochester Hills BOWEN; Philip J. Lapeer FRANCES
Original assignee: New Venture Gear Inc
Current assignee: New Venture Gear Inc
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: EP1377476A2; US20020129979A1; DE60224020D1; US6604591B2; EP1377476A4; US20030037976A1; ATE380703T1; WO2002072375A2; US6484834B2; CA2440418A1; EP1377476B1; AU2002306715A1; WO2002072375A3

Description

FACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hybridantriebssysteme für Motorfahrzeuge. Genauer gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine integrierte Anordnung aus einem Elektromotor und einer Achse zur Anwendung in Hybrid-Motorfahrzeugen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Automobilhersteller arbeiten aktiv daran, alternative Antriebssysteme zu entwickeln, und unternehmen Anstrengungen, die Menge der von konventionellen, mit internen Verbrennungsmotoren ausgerüsteten Antrieben in die Luft abgelassener Schadstoffe zu verringern. Wesentliche Entwicklungstätigkeit wurde auf die Elektrofahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge ausgerichtet. Unglücklicherweise weisen diese alternativen Antriebssysteme verschiedene Nachteile auf und befinden sich, vom Standpunkt der praktischen Anwendung aus betrachtet, noch im Entwicklungsstadium. In jüngster Zeit wurden jedoch mehrere verschiedene Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) zum Kauf angeboten. Diese Hybridfahrzeuge sind mit einem internen Verbrennungsmotor und einem Elektromotor ausgestattet, die sowohl voneinander unabhängig als auch gemeinsam als Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt werden können.
Es gibt zwei Arten von Hybridfahrzeugen, nämlich serielle und parallele Hybridfahrzeuge. In einem seriellen Hybridfahrzeug liefert der Elektromotor die Energie für die Räder, wobei der Motor elektrische Energie von der Batterie aufnimmt. Der Verbrennungsmotor wird in seriellen Hybridfahrzeugen zum Antrieb eines Generators verwendet, der dem Elektromotor direkt Energie liefert oder die Batterie auflädt, wenn deren Ladestatus unter einen vorgegebenen Wert fällt. In parallelen Hybridfahrzeugen können, gemäß den Fahrbedingungen des Fahrzeugs, der Elektromotor und der Motor unabhängig voneinander oder gemeinsam eingesetzt werden. Typischerweise verwendet die Steuerstrategie für derartige parallele Hybridfahrzeuge einen Niederlastmodus, wobei nur der Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird, einen Hochlastmodus, wobei nur der Verbrennungsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird, und einen dazwischen liegenden Unterstützungsmodus, wobei der Verbrennungsmotor und der Elektromotor beide zum Antrieb des Fahrzeugs benutzt werden. Unabhängig von der Art des verwendeten Hybridantriebssystems sind Hybridfahrzeuge stark modifizierte Versionen konventioneller Fahrzeuge, die auf Grund ihrer Komponenten, der erforderlichen Steuersysteme und des speziellen Verpackungsbedarfs kostspielig sind.
Hybridantriebe wurden auch für die Verwendung in Fahrzeugen mit Vierradantrieb angepasst und nutzen typischerweise den oben erwähnten parallelen Hybridantrieb als Antrieb der Primärräder und einen zweiten Elektromotor als Antrieb der Sekundärräder.
Offensichtlich ist ein derartiges Vierrad-Antriebssystem äußerst kostspielig und schwierig zu verpacken. Von daher existiert ein Bedarf, zur Verwendung in Fahrzeugen mit Vierradantrieb Hybridantriebe zu benutzen, die viele konventionelle Antriebskomponenten aufweisen, um die spezielle Verpackung zu minimieren und die Kosten zu reduzieren.
EP 0 587 389 offenbart eine Antriebsachse mit Elektroantrieb für ein Motorfahrzeug, umfassend ein Gehäuse, in dem eine erste und eine zweite Kammer definiert sind, einen in der ersten Kammer angeordneten Elektromotor, eine sich in die zweite Kammer erstreckende Rotorwelle und ein in der zweiten Kammer angeordnetes Getriebe, durch das die Rotorwelle mit einer ersten und zweiten Abtriebswelle wirkverbunden ist, wobei das Getriebe ein Untersetzungsgetriebe mit einem ersten Getriebe und einem zweiten Getriebe umfasst, und wobei das erste Getriebe umfasst: ein von der Rotorwelle angetriebenes erstes Sonnenrad, ein erstes Hohlrad 76, einen ersten, an dem Gehäuse 50 befestigten Träger 78, einen Satz erster Planetenräder 80, die von dem ersten Träger 78 drehbar gestützt werden und mit dem ersten Sonnenrad 74 und dem ersten Hohlrad 76 ineinandergreifen, und wobei das zweite Getriebe umfasst: ein zweites Sonnenrad 90, ein zweites, an dem Gehäuse 50 befestigtes Hohlrad 92, einen zweiten Träger 94, einen Satz zweiter Planetenräder 96, die von dem zweiten Träger 94 drehbar gestützt werden und mit dem zweiten Sonnenrad 90 und dem zweiten Hohlrad 92 ineinandergreifen, wobei das Getriebe 68 weiter umfasst: eine Differenzialbaugruppe 72 mit einem von dem zweiten Träger 94 angetriebenen Antrieb, einen ersten Abtrieb, der die erste Abtriebswelle 120 antreibt, und einen zweiten Abtrieb, der die zweite Abtriebswelle 122 antreibt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hybridantrieb oder -Antriebssystem für ein Fahrzeug mit Vierradantrieb zur Verfügung zu stellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Getriebe- und Elektromotoranordnung zur Verwendung als Elektromotorantriebsachse in einem Hybridfahrzeug zur Verfügung zu stellen.
Eine verwandte Aufgabe ist folgende: Das Hybridantriebssystem der vorliegenden Erfindung benutzt einen internen Verbrennungsmotor als eine erste Antriebsquelle, um Antriebskraft für einen ersten Satz Räder zur liefern, und verwendet ferner die Elektromotorantriebsachse als eine zweite Antriebsquelle, um Antriebskraft für einen zweiten Satz Räder zur liefern. Ein Steuersystem steuert den Betrieb der ersten und zweiten Antriebsquellen, entweder unabhängig voneinander oder in Verbindung miteinander, je nachdem, wie die gegenwärtigen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs es vorschreiben.
Diese und andere Aufgaben werden von der Antriebsachse bereitgestellt, die für die Verwendung in Hybridfahrzeugen angepasst ist, und die einen Elektromotor und ein Getriebe aufweist, die in einem üblichen Gehäuse untergebracht sind. Das Getriebe beinhaltet eine Differenzialbaugruppe, die von einer Untersetzungsgetriebeeinheit des Planetengetriebe-Typs angetrieben wird. Das Untersetzungsgetriebe umfasst ein erstes Planetengetriebe mit einem ersten Sonnenrad, angetrieben von dem Motor, ein erstes Hohlrad und einen Satz erster Planetenräder, die mit dem ersten Sonnenrad und dem ersten Hohlrad ineinandergreifen. Ein erster Planetenträger ist nicht drehbar an einem feststehenden Element befestigt und stützt drehbar die ersten Planetenräder. Ein zweites Planetengetriebe umfasst ein zweites Sonnenrad, das zwecks Drehung mit dem ersten Hohlrad befestigt ist, ein zweites Hohlrad, das nicht drehbar an dem feststehenden Element befestigt ist, und einen Satz zweiter Planetenräder, die durch einen zweiten Planetenträger drehbar unterstützt werden, und die dem zweiten Sonnenrad und dem zweiten Hohlrad ineinandergreifen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Differenzialbaugruppe ein Planetengetriebe mit einem dritten Hohlrad, das zwecks Rotation mit einer ersten Abtriebswelle befestigt ist, einem dritten Sonnenrad, das zwecks Rotation mit einer zweiten Abtriebswelle befestigt ist, und einem Satz dritter Planetenräder, die durch den zweiten Planetenträger drehbar gestützt werden, und die mit dem dritten Sonnenrad und dem dritten Hohlrad ineinandergreifen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Differenzialbaugruppe ein Planetengetriebe mit einem dritten Sonnenrad, das zwecks Rotation mit einer ersten Abtriebswelle befestigt ist, einem dritten Hohlrad, das zwecks Rotation mit dem zweiten Planetenträger befestigt ist, einem dritten Planetenträger, der zwecks Rotation mit einer zweiten Abtriebswelle befestigt ist, einem Satz dritter Planetenräder, die durch den dritten Planetenträger drehbar gestützt werden und mit dem dritten Hohlrad ineinandergreifen, und einem Satz vierter Planetenräder, die durch den dritten Planetenträger drehbar gestützt werden und mit dem dritten Sonnenrad und den dritten Planetenrädern ineinandergreifen.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich durch die später folgende detaillierte Beschreibung. Es ist jedoch zu beachten, dass, während die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erkennen lassen, sie aber nur zu Erläuterungszwecken gedacht sind, da für Fachleute verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Anwendungsbereichs dieser speziellen Erfindung offensichtlich sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schemazeichnung, die einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug mit Vierradantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Schemazeichnung einer alternativen Anordnung des Hybridantriebs der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Schnitt einer Elektromotorantriebsachse, die mit den Hybridantrieben aus den 1 und 2 verbunden ist;
4 ist ein vergrößerter Teil der 3 und zeigt die Komponenten, die mit dem Getriebe der Elektromotorantriebsachse verbunden sind, detaillierter;
5 ist ein Teil-Schnitt, der eine alternative Ausführungsform des Getriebes zeigt, das für die Verwendung in der Elektromotorantriebsachse der vorliegenden Erfindung angepasst ist;
6 ist ein Schema einer anderen alternativen Ausführungsform eines Getriebes, das für die Verwendung in der Elektromotorantriebsachse der vorliegenden Erfindung angepasst ist;
7 ist ein Schema einer anderen alternativen Ausführungsform eines Getriebes, das für die Verwendung in der Elektromotorantriebsachse der vorliegenden Erfindung angepasst ist;
8 ist ein Schemadiagramm eines beispielhaften Steuersystems, das mit den Hybridantrieben der vorliegenden Erfindung verbunden ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung steht in Beziehung zu einer integrierten Getriebe-Elektromotor-Anordnung, die hier nachfolgend als Elektromotorantriebsachse bezeichnet werden soll, und die als eine elektrisch gesteuerte Querachse in einem Hybridmotorfahrzeug arbeitet, um Bewegungskraft (z. B. ein Antriebsdrehmoment) für ein Paar mit dem Boden in Kontakt stehende Räder zu liefern. Die kompakte Anordnung von Elektromotor und Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse erlaubt die Verwendung der Elektromotorantriebsachse als Ersatz für eine konventionelle Achsenanordnung. Als solche können konventionelle Hinterradantriebe und Vorderradantriebe gemeinsam mit der Elektromotorantriebsachse verwendet werden, um ein Hybridantriebsystem für ein Motorfahrzeug mit Vierradabtrieb herzustellen. Dementsprechend werden verschiedene Eigenschaften und funktionelle Merkmale der Elektromotorantriebsachse unten auf eine Weise dargelegt, die es Fachleuten ermöglicht, die von der vorliegenden Erfindung gebotenen Vorteile vollständig zu verstehen und zu erkennen, besonders, wenn die Erfindung in Hybridfahrzeugen mit Vierradantrieb Anwendung findet.
In 1 wird ein Vierradantrieb für ein Hybrid-Elektrofahrzeug 10 gezeigt, der umfasst: eine erste motorisch angetriebene Antriebswelle 12 und eine zweite motorisch angetriebene Antriebswelle 14. Die erste motorisch angetriebene Antriebswelle 12 umfasst einen internen Verbrennungsmotor 16, ein Getriebe 18, eine Antriebswelle 20 und eine Achsenanordnung 22, die ein Paar Räder 24 verbindet. Die Motorleistung wird an eine Differenzialbaugruppe 26 geliefert, die mit der Achsenanordnung 22 durch das Getriebe 18 und die Antriebswelle 20 verbunden ist. Das an die Differenzialbaugruppe 26 gelieferte Antriebsdrehmoment wird durch die Achswellen 28 und 30 auf die Räder 24 übertragen. Die zweite motorisch angetriebene Antriebswelle 14 umfasst eine Elektromotorantriebsachse (EDMA) 32, die durch die Achswellen 36 und 40 ein zweites Paar Räder 34 antreibt.
In der in 1 gezeigten speziellen Anordnung liefert die erste motorisch angetriebene Antriebswelle 12 den Hinterrädern 24 Leistung, während die zweite motorisch angetriebene Antriebswelle 14 den Vorderrädern 34 Leistung liefert. Für Fachleute ist ersichtlich, dass auch die umgekehrte Antriebswellenanordnung eingesetzt werden kann, so dass die EDMA 32 die Hinterräder mit Leistung versorgt. Zur besseren Darstellung dieser Anordnung zeigt 2 die EDMA 32, die die Hinterräder 24 durch die Achswellen 28 und 30 mit Leistung versorgt, während die Vorderräder 34 durch eine Querachse 18A und die Achswellen 36 und 40 mit Motorleistung versorgt werden. Ungeachtet der speziellen Anordnung umfasst das Hybridfahrzeug 10 zwei verschiedene motorisch angetriebene Antriebswellen, die sowohl im Einzel- auch im Verbundbetrieb in der Lage sind, das Fahrzeug anzutreiben.
In den 3 und 4 wird eine erste bevorzugte Ausführungsform der EDMA 32 im Detail beschrieben. Die EDMA 32 umfasst ein Gehäuse 50 mit mehreren Abschnitten, das eine Motorkammer 52 und eine Getriebekammer 54 definiert, die durch eine radiale Stützwand 56 getrennt sind. Ein drehzahlvariabler Elektromotor 58 ist in der Motorkammer 52 angeordnet und umfasst einen an dem Gehäuse 50 befestigten gewickelten Stator 60 und einen Rotor 66, der zwecks Rotation an einer länglichen, röhrenförmigen Rotorwelle 62 befestigt ist. Die Rotorwelle 62 wird an ihrem entgegengesetzten Ende zwecks Rotation relativ zu dem Gehäuse 50 durch die Lageranordnungen 64 gestützt.
Die EDMA 32 umfasst ferner ein Getriebe 68, das in der Getriebekammer 54 angeordnet ist und aus einem Untersetzungsgetriebe 70 und einer Differenzialbaugruppe 72 besteht. Das Untersetzungsgetriebe 70 umfasst ein Paar Planetengetriebe, die in Serie wirkverbunden sind. Insbesondere umfasst ein erstes Planetengetriebe ein erstes Sonnenrad 74, ein erstes Hohlrad 76, einen ersten Planetenträger 78 und einen Satz erster Planetenräder 80, die mit dem ersten Sonnenrad 74 und dem ersten Hohlrad 76 ineinandergreifen. Das erste Sonnenrad 74 kann an einem Ende der Rotorwelle 62 angeformt sein oder alternativ eine mit der Rotorwelle 62 formschlüssige röhrenförmige Einheit sein. Der Planetenträger 78 ist feststehend an dem Gehäuse 50 angebracht und umfasst einen Trägerring 82 und Stifte 84, die starr an dem Gehäuse befestigt sind, beispielsweise durch Schrauben (nicht gezeigt). Die Planetenräder 80 werden durch die Lager 86 auf den Stiften 84 drehbar gestützt. Da der erste Planetenträger 78 gegen Drehung gesichert ist, fungieren die ersten Planetenräder 80 als Losräder, die Anteil an der Last haben und das erste Hohlrad 76 mit einer reduzierten Geschwindigkeit relativ zu der Rotationsgeschwindigkeit des ersten Sonnenrades 74 antreiben.
Das Untersetzungsgetriebe 70 umfasst ferner ein zweites Planetengetriebe, umfassend ein zweites Sonnenrad 90, ein zweites Hohlrad 92, einen zweiten Planetenträger 94 und einen Satz zweiter Planetenräder 96, die mit dem zweiten Sonnenrad 90 und dem zweiten Hohlrad 92 ineinandergreifen. Das zweite Sonnenrad 90 ist zwecks Drehung mit dem ersten Hohlrad 76 durch eine Antriebsplatte 98 befestigt. Das zweite Hohlrad 92 ist fest an dem Gehäuse 50 befestigt. Der zweite Planetenträger 94 umfasst einen ersten Trägerring 100, einen zweiten Trägerring 102 und einen dritten Trägerring 104, die untereinander seitlich beabstandet und durch eine Vielzahl von Ritzelwellen 106 verbunden sind. Wie zu sehen ist, werden die zweiten Planetenräder 96 durch die Lager 108 auf Ritzelwellen 106 zwischen dem ersten 100 und dem zweiten Trägerring 102 drehbar gestützt. Der zweite Trägerring 102 ist mit einem röhrenförmigen Nabenfortsatz 110 versehen, auf dem ein Hülse 112 angebracht ist, um das zweite Sonnenrad 90 zu stützen.
In den 3 und 4 wird weiter die Differenzialbaugruppe 72 mit einem dritten Planetengetriebe gezeigt, umfassend ein drittes Sonnenrad 114, ein drittes Hohlrad 116 und einen Satz dritter Planetenräder 118, die mit dem dritten Sonnenrad 114 und dem dritten Hohlrad 116 ineinandergreifen. Das dritte Sonnenrad 114 ist fest an einem Ende der ersten Abtriebswelle 120 befestigt. Gleichermaßen ist das dritte Hohlrad 116 zwecks Drehung mit einem Ende einer zweiten Abtriebswelle 122 durch eine zweite Antriebsplatte 124 verbunden. Die dritten Planetenräder 118 werden durch die Lager 126 auf den Ritzelwellen 106 zwischen dem zweiten 102 und dem dritten Trägerring 104 drehbar gestützt. Wie gezeigt, stützt eine Lageranordnung 128 die zweite Abtriebswelle 122 von dem Gehäuse 50 aus, während eine Einführende der ersten Abtriebswelle 120 durch eine Lageranordnung 130 gestützt wird, die sich in einer in der zweiten Abtriebswelle 122 ausgebildeten Aufnahmeöffnung befindet. Es werden auch Lager 132 bereitgestellt, um drehbar die Nabe 110 des ersten Trägerrings 102 auf der ersten Abtriebswelle 120 zu stützen. Die EDMA 32 umfasst auch die Enddichtungen 132, die für eine flüssigkeitsdichte Dichtung zwischen dem Gehäuse 50 und den Endabschnitten der Abtriebswellen 120 und 122 sorgen. In der speziellen dargestellten Konstruktion sind die Endabschnitte Joche 120A, 122A, die für die Verbindung mit entsprechenden Achswellen angepasst sind. Obwohl hier nicht dargestellt, ist beabsichtigt, dass eine Schmiermittelpumpe zur Verbreitung von Schmiermittel mit der Getriebekammer 54 bereitgestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Verwendung der EDMA 32 sind die Abtriebswellen 120 und 122 dafür eingerichtet, für die in 1 gezeigte Hybrid-Antriebsachsenanordnung mit entsprechenden Vorderachswellen 36 und 40 verbunden zu werden oder alternativ für die in 2 gezeigte Hybrid-Antriebsachsenanordnung mit entsprechenden Hinterachswellen 36 und 40 verbunden zu werden. 3 zeigt am besten, dass die erste Abtriebswelle 120 sich durch die röhrenförmige Rotorwelle 62 erstreckt, so dass die Rotorwelle 62 darin drehbar gelagert ist.
Im Betriebszustand bewirkt die Rotation der Rotorwelle 62 durch die Betätigung des Elektromotors 58 eine gleichzeitige Rotation des ersten Sonnenrades 74. Da der erste Planetenträger 78 stationär gehalten wird, bewirkt die Rotation des ersten Sonnenrades 74, dass die ersten Planetenräder 80 sich drehen und das erste Hohlrad 76 mit reduzierter Geschwindigkeit antreiben. Diese Rotation des ersten Hohlrades 76 bewirkt die Rotation des zweiten Sonnenrades 90, die, da das zweite Hohlrad 92 stationär gehalten wird, bewirkt, das der zweite Planetenträger 94 mit noch weiter reduzierter Geschwindigkeit rotiert. Offenbar wird das gesamte Geschwindigkeitsreduktionsverhältnis durch die speziellen Geometrien der ineinandergreifenden Räder begründet; vorzugsweise liegt es aber für derartige Hybridmotorfahrzeuganwendungen in der Spanne von 10,0:1 bis 15,0:1. Da der zweite Planetenträger 94 als angetriebener Abtrieb des Planeten-Untersetzungsgetriebes 70 fungiert, treibt er die dritten Planetenräder 118 der Differenzialbaugruppe 72 mit einer gemeinsamen Rotationsgeschwindigkeit an. Die Leistung wird dann durch die dritten Planetenräder 118 übertragen und schließlich zu den Abtriebswellen 120 und 122 übertragen. Die variable Drehzahlsteuerung des Motors 58 erlaubt eine kontinuierliche Steuerung des an die Räder übermittelten Drehmoments.
In 5 wird ein modifiziertes Getriebe 150 zur Anwendung in der EDMA 32 als Ersatz für das Getriebe 68 gezeigt. Da die Getriebe 150 und 68 viele gleiche Komponenten aufweisen, werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um Teile mit gleicher Funktion zu kennzeichnen. Im Allgemeinen gleicht das Untersetzungsgetriebe 152 dem Untersetzungsgetriebe 70, außer dass der zweite Planetenträger 94 jetzt so angeordnet ist, dass er das dritte Hohlrad 116 der Differenzialbaugruppe 154 durch eine verzahnte Verbindung 156 antreibt. Das erste Sonnenrad 74 ist nun durch eine formschlüssige Verbindung 158 an der Rotorwelle 2 befestigt, und die Schrauben 160 befestigen den ersten Träger 80 an dem Gehäuse 50. Das zweite Sonnenrad 90 wird jetzt auch von dem Lager 112 auf der ersten Abtriebswelle 120 unterstützt, da der Nabenfortsatz 110 des zweiten Trägerrings 102 entfällt.
Die Differenzialbaugruppe 154 ist ein Planetengetriebe mit einem dritten Planetenträger 162, der durch eine verzahnte Verbindung 164 an der ersten Abtriebswelle 120 befestigt ist, einem an der zweiten Abtriebswelle 122 befestigten dritten Sonnenrad 166 und ineinandergreifenden Paaren dritter Planetenräder 168 und vierter Planetenräder 170. Der dritte Planetenträger 162 umfasst einen mit einem Außenring 174 verbundenen Innenring 172 und die Ritzelwellen 176 und 178, die sich zwischen den Ringen 172 und 174 erstrecken. Insbesondere sind die dritten Planetenräder 168 drehbar auf den Ritzelwellen 176 gelagert und radial positioniert, um mit dem dritten Hohlrad 116, aber nicht mit dem dritten Sonnenrad 166 ineinanderzugreifen. Gleichermaßen sind die vierten Planetenräder 170 drehbar auf Ritzelwellen 178 gelagert und radial positioniert, um mit dem dritten Sonnenrad 166, aber nicht mit dem dritten Hohlrad 116 ineinanderzugreifen. Wie festgestellt, sind die Planetenräder als ineinandergreifende Paare angeordnet, um ein indirektes Ineinandergreifen zwischen dem dritten Hohlrad 116 und dem dritten Sonnenrad 166 herzustellen. Daher wird die von der Reduktionsgetriebeeinheit 152 zu dem dritten Hohlrad 116 übertragene Leistung mit einem vorgegebenen Drehmoment-Verteilungsverhältnis zwischen den Abtriebswellen 120 und 122 übertragen.
In 6 wird eine Schemaillustration einer anderen alternativen Konstruktion eines für die Verwendung in der EDMA 32 angepassten Getriebes 200 gezeigt. Das Getriebe 200 enthält ein modifiziertes Reduktionsgetriebe 202 mit der Antriebsdifferenzialbaugruppe 154 aus 5. Das Reduktionsgetriebe 202 gleicht im Wesentlichen der Reduktionsgetriebeeinheit 152, außer dass der zweite Planetenträger 94 jetzt feststehend an dem Gehäuse 50 befestigt ist und das zweite Hohlrad 92 jetzt die angetriebene Abtriebswelle ist, die mit dem dritten Hohlrad 116 verbunden ist. Insbesondere verbindet eine Bremsplatte 204 den zweiten Trägerring 102 mit dem Gehäuse 50, während das zweite Hohlrad 92 durch eine axiale Hülse 206 mit dem dritten Hohlrad 116 antriebsverbunden ist. Es wird eine Bremsplatte 208 gezeigt, um schematisch anzudeuten, dass der erste Planetenträger 78 noch fest an dem Gehäuse 50 angebracht ist.
7 zeigt eine Schemaillustration einer weiteren alternativen Konstruktion eines für die Verwendung mit der EDMA 32 angepassten Getriebes 220. Das Getriebe 220 enthält eine modifizierte Untersetzungsgetriebeeinheit 222, die die Baugruppe 154 aus 5 antreibt. In dem Untersetzungsgetriebe 222 treibt die Rotorwelle 62 das zweite Sonnenrad 90 an, das zweite Hohlrad 92 treibt das erste Sonnenrad 74 durch eine Antriebsplatte 224 an, und das erste Hohlrad 76 treibt das dritte Hohlrad 116 an. Der zweite Planetenträger 94 ist durch eine Antriebsplatte 226 auch antriebsverbunden mit dem dritten Hohlrad 116. Eine röhrenförmige Antriebswelle 228 verbindet das erste Hohlrad 76 und den zweiten Planetenträger 94 mit dem dritten Hohlrad 116.
Wie festgestellt, umfasst das Hybridantriebssystem der vorliegenden Erfindung zwei Antriebskraftquellen, nämlich den Verbrennungsmotor 16 und die Motorbaugruppe 58 der EDMA 32. Die Leistung des Verbrennungsmotors 16 wird zu dem Getriebe 18 (oder der Querachse 18A) übertragen, das jeder bekannte Typ mit einer Vorwärts-Rückwärts-Vorrichtung und einer Kupplungsvorrichtung sein kann (d. h. automatisch, manuell, automatisch-manuell, CVT usw.). Der Motor 58 der EDMA 32 ist mit einer Batterie 250 verbunden und kann selektiv durch ein elektronisches Steuersystem 252 in den Antriebszustand, den Aufladezustand und einen ladungslosen Zustand geschaltet werden. Im Antriebszustand arbeitet die EDMA 32 als motorgetriebenes Getriebe, das durch von der Batterie 250 aufgenommene elektrische Energie angetrieben wird. Im Aufladezustand arbeitet die EDMA 32 als elektrischer Generator zur Speicherung elektrischer Energie in der Batterie 250. In dem ladungslosen Zustand ist der Motor 58 ausgeschaltet und die Rotorwelle 62 kann relativ zum Stator 60 frei rotieren.
Das Steuersystem 252 wird zur Steuerung des Betriebes der in 1 und 2 gezeigten Hybridantriebe zur Verfügung gestellt. In 8 enthält das Steuersystem 252 einen Controller 254, der dafür angepasst ist, Eingabesignale von verschiedenen Sensoren und Eingabevorrichtungen zu empfangen, die in 1 und 2 insgesamt als die Fahrzeugsensoren 256 bezeichnet werden. Der Controller 254 wird schematisch als Block dargestellt und repräsentiert eine Anordnung mit einem Verbrennungsmotorsteuerabschnitt, einem Elektromotorsteuerabschnitt und einem Traktionssteuerabschnitt. Der Controller 254 besteht prinzipiell aus einem Mikrocomputer mit einer Zentraleinheit (CPU), Arbeitsspeicher (RAM), Lesespeicher (ROM) und einem Eingabe-Ausgabe-Aktor-Interface. Der Controller 254 führt Datenverarbeitungsvorgänge durch, um gemäß der in dem Lesespeicher gespeicherten Steuerprogramme und/oder -pläne verschiedene Steuerroutinen auszuführen. Der Controller 254 empfängt Daten von einem Zündschalter 258, einem Kupplungshebelschalter 260, einem Gaspedalpositionssensor 262, einem Bremsstatusschalter 264, einem Batterietemperatursensor 266, einem Batterieladestatussensor 268 und einem Drosselklappenpositionssensor 270. Zusätzliche andere Eingaben umfassen einen Verbrennungsmotorgeschwindigkeitssensor 272, einen Elektromotorgeschwindigkeitssensor 276 und einen Antriebswellengeschwindigkeitssensor 278. Der Zündschalter 258 ist geschlossen, wenn der Fahrzeugschlüssel angeschaltet ist. Ausgehend von der Annahme, dass das Getriebe 18 ein Automatikgetriebe ist, sind die „P"-, „N"-, „R"- und „D"-Schalter in dem Kupplungshebelschalter 260 geschlossen, wenn sich der Kupplungsmechanismus in seiner Park-(P), Neutral-(N), Rückwärts-(R) und Fahr-(D) Position befindet. Der Gaspedalpositionssensor 262 erfasst den Absenkungswinkel des Gaspedals. Der Bremsstatusschalter 264 ist angeschaltet, wenn das Bremspedal abgesenkt ist. Der Batterietemperatursensor 266 erfasst die Temperatur der Batterie 250. Der Batteriesensor 268 erfasst den Ladestatus der Batterie 250. Der Drosselklappenpositionssensor 270 erfasst den Öffnungsgrad der Drosselklappe. Der Verbrennungsmotorgeschwindigkeitssensor 272 erfasst einen Parameter, der die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle des Verbrennungsmotors 16 anzeigt. Der Elektromotorgeschwindigkeitssensor 276 erfasst einen Parameter, der die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 62 des Motors 58 anzeigt. Der Antriebswellengeschwindigkeitssensor 278 erfasst die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 20 und kann darüber hinaus als Anzeige der Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet werden.
Auf der Grundlage der in den Controller 254 eingegebenen Betriebsinformationen wird ein Betriebsmodus des Hybridantriebs ausgewählt, und der Controller 254 sendet elektrische Steuersignale an verschiedene elektrisch betriebene Steuervorrichtungen. Der Controller 254 überwacht und steuert kontinuierlich die Betätigung des Motors 58 der EDMA 32 und verschiedener Management-Systeme des Verbrennungsmotors zur Steuerung der von dem Verbrennungsmotor 16 erzeugten Geschwindigkeit und des erzeugten Drehmoments. Management-Systeme des Verbrennungsmotors umfassen ein Treibstoffzufuhrsystem 280, ein Zündungssystem 282 und ein Ventiltimingsystem 286. Eine Niedervoltbatterie 286 kann als Energieversorgung für den Controller 254 dienen.
Es existieren vier Betriebsmodi für das Fahrzeug 10, nämlich a) ein Elektromodus, b) ein Hybridmodus, c) ein Verbrennungsmotormodus und d) ein Regenerativmodus. Im Elektromodus versorgt nur der Elektromotor 58 das Fahrzeug 10 mit Bewegungsenergie. Im Hybridmodus versorgen sowohl der Verbrennungsmotor 16 als auch der Elektromotor 58 das Fahrzeug 10 mit Bewegungsenergie. Im Verbrennungsmotormodus versorgt nur der Verbrennungsmotor 16 das Fahrzeug 10 mit Bewegungsenergie. Im Regenerativmodus wird ein Teil der Verbrennungsmotorleistung von dem Elektromotor 58 aufgenommen, um die Batterie 250 aufzuladen. Der Übergang von einem Modus in einen anderen verläuft reibungslos und ist für den Bediener des Fahrzeugs gut zu erkennen, da der Controller 254 in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Gaspedalbenutzung und Batterieladestatus den geeignetsten Modus auswählt.
Im Elektromodus ist der Motor 58 in den Antriebszustand geschaltet, so dass Bewegungsenergie von der EDMA 32 erzeugt wird. Beim Schalten vom Elektromodus in den Hybridmodus wird der Verbrennungsmotor 16 gestartet und sorgt in Verbindung mit der EDMA 32 für Bewegungsenergie, um den Vierradantriebsbetrieb herzustellen. Wenn die Betriebsbedingungen des Fahrzeugs den Betrieb im Verbrennungsmotormodus rechtfertigen, wird der Motor 58 in den Auflade- oder ladungslosen Zustand geschaltet. Daher ist ein Vierradantriebs-Betriebsmodus hergestellt, wenn beide motorisch angetriebenen Antriebe betätigt und gesteuert werden. Der Traktionssteuerabschnitt des Controllers ist betriebsbereit, um bei rutschigem Untergrund zwischen den Vorder- und Hinterrädern zu steuern.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wurden offenbart, um Fachleuten ein Verständnis der gegenwärtig beabsichtigten besten Art des Betriebes und der Konstruktion der Hybridantriebssysteme zu ermöglichen. Da die Erfindung derart beschrieben wurde, ist ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den angefügten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

Elektrisch angetriebene Antriebsachse (32) für ein Motorfahrzeug (10), umfassend: ein Gehäuse (50), das eine erste und eine zweite Kammer (52, 54) definiert; einen in der ersten Kammer (52) angeordneten Elektromotor (58) mit einer Rotorwelle (62), die sich in die zweite Kammer (54) erstreckt und einen in der zweiten Kammer (54) angeordneten Getriebekasten (68), der die Rotorwelle (62) funktionell mit einer ersten und zweiten Abtriebswelle (120, 122) verbindet, wobei der Getriebekasten (68) eine Untersetzungsgetriebe-Einheit (70) mit einem ersten Getriebe und einem zweiten Getriebe umfasst, wobei das erste Getriebe umfasst: ein von der Rotorwelle (62) angetriebenes erstes Sonnenrad (74), ein erstes Hohlrad (76), einen an dem Gehäuse (50) befestigten ersten Träger (78) sowie einen Satz erster Planetenräder (80), die durch den ersten Träger (78) drehbar gehalten werden und mit dem ersten Sonnenrad (74) und dem ersten Hohlrad (76) ineinander greifen, und wobei das zweite Getriebe umfasst: ein zweites Sonnenrad (90), ein zweites, an dem Gehäuse (50) befestigtes Hohlrad (92), einen zweiten Träger (94) und einen Satz zweiter Planetenräder (96), die durch den zweiten Träger (94) drehbar gehalten werden und mit dem zweiten Sonnenrad (90) und dem zweiten Hohlrad (92) ineinander greifen, und wobei der Getriebekasten (68) ferner umfasst: eine Differenzialbaugruppe (72) mit einem von dem zweiten Träger (94) angetriebenen Antrieb, einem ersten Abtrieb, der die erste Abtriebswelle (120) antreibt, und einem zweiten Abtrieb, der die zweite Abtriebswelle (122) antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sonnenrad (90) durch das erste Hohlrad (76) angetrieben wird.
Antriebsachse (32) nach Anspruch 1, wobei die Differenzialbaugruppe (72) ein drittes Getriebe ist, das umfasst: ein drittes Hohlrad (116), das von dem zweiten Träger (94) angetrieben wird, und ein drittes Sonnenrad (114), das die erste Abtriebswelle (120) antreibt, sowie einen dritten Träger (102), der die zweite Abtriebswelle (122) antreibt, und einen Satz dritter Planetenräder (118), die durch den dritten Träger (102) drehbar gehalten werden und mit dem dritten Hohlrad (116) und einem Satz vierter Planetenräder (170) ineinander greifen, die durch den dritten Träger (102) drehbar gehalten werden und mit dem dritten Sonnenrad (114) sowie den dritten Planetenrädern (118) ineinander greifen.
Antriebsachse (32) nach Anspruch 1, wobei die Differenzialbaugruppe (72) ein drittes Getriebe ist, das umfasst: ein drittes Hohlrad (116), das die erste Abtriebswelle (120) antreibt, ein drittes Sonnenrad (114), das die zweite Abtriebswelle (122) antreibt sowie ein Satz dritter Planetenräder (118), die durch den zweiten Träger (102) drehbar gehalten werden und mit dem dritten Hohlrad (116) und dem dritten Sonnenrad (114) ineinander greifen.
Antriebsachse (32) nach Anspruch 3, wobei die zweiten Planetenräder (96) und die dritten Planetenräder (118) drehbar auf üblichen Ritzelwellen (106) gelagert sind, die am zweiten Träger (94) montiert sind.
Antriebsachse (32) nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die erste und zweite Abtriebswelle (120, 122) für die Verbindung mit einem Paar erster Räder angepasst sind, um ihnen als Reaktion auf die Betätigung des Elektromotors (58) ein Antriebsdrehmoment zu liefern.
Antriebsachse (32) nach Anspruch 5, wobei die ersten Räder Vorderräder (34) des Motorfahrzeugs (10) sind.
Antriebsachse (32) nach einem der Ansprüche 5–6, wobei das Motorfahrzeug (10) über Hinterräder (24) verfügt, die durch die Leistung eines Motors (16) angetrieben werden.
Antriebsachse (32) nach Anspruch 5, wobei die ersten Räder Hinterräder (24) des Motorfahrzeugs (10) sind.
Antriebsachse (32) nach einem der Ansprüche 5 oder 8, wobei das Motorfahrzeug (10) über Vorderräder (34) verfügt, die durch die Leistung eines Motors (16) angetrieben werden.
Hybridmotorfahrzeug (10), umfassend: eine erste motorisch angetriebene Antriebsanlage (12), umfassend einen Motor (16), der betriebsbereit ist, um ein erstes Paar Räder (24) anzutreiben und eine zweite motorisch angetriebene Antriebsanlage (14), umfassend: eine Antriebsachse (32), die betriebsbereit ist, um ein zweites Paar Räder (34) anzutreiben, wobei die Antriebsachse (32) umfasst: ein Gehäuse (50), einen in dem Gehäuse (50) angeordneten Elektromotor (58) mit einer Rotorwelle (62), einen in dem Gehäuse (50) angeordneten Getriebekasten (68) sowie ein Untersetzungsgetriebe (70) mit einem ersten und zweiten Getriebe, wobei das erste Getriebe umfasst: ein von der Rotorwelle (62) angetriebenes erstes Sonnenrad (74), ein erstes Hohlrad (76), einen an dem Gehäuse (50) befestigten ersten Träger (78) sowie einen Satz erster Planetenräder (80), die durch den ersten Träger (78) drehbar gehalten werden und mit dem ersten Sonnenrad (74) und dem ersten Hohlrad (76) ineinander greifen, und wobei das zweite Getriebe umfasst: ein zweites Sonnenrad (90), ein zweites, an dem Gehäuse (50) befestigtes Hohlrad (92), einen zweiten Träger (94) und einen Satz zweiter Planetenräder (96), die durch den zweiten Träger (94) drehbar gehalten werden und mit dem zweiten Sonnenrad (90) und dem zweiten Hohlrad (92) ineinander greifen, und wobei der Getriebekasten (68) ferner umfasst: eine Differenzialbaugruppe (72) mit einem von dem zweiten Träger (94) angetriebenen Antrieb, und einem ersten und zweiten Abtrieb, die das zweite Paar Räder (34) antreiben, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sonnenrad (90) durch das erste Hohlrad (76) angetrieben wird.
Hybridmotorfahrzeug (10) nach Anspruch 10, wobei die Antriebsachse (32) ferner eine erste und zweite Abtriebswelle (120, 122) umfasst, die jeweils mit dem ersten und zweiten Abtrieb der Differenzialbaugruppe (72) verbunden sind.
Hybridmotorfahrzeug (10) nach Anspruch 11, wobei die Differenzialbaugruppe (72) ein drittes Getriebe ist, das umfasst: ein drittes Hohlrad (116), das von dem zweiten Träger (94) angetrieben wird, ein drittes Sonnenrad (114), das die erste Abtriebswelle (120) antreibt, einen dritten Träger (102), der die zweite Abtriebswelle (122) antreibt, sowie einen Satz dritter Planetenräder (118), die durch den dritten Träger (102) drehbar gehalten werden und mit dem dritten Hohlrad (116) und einem Satz vierter Planetenräder (170) ineinander greifen, wobei die vierten Planetenräder durch den dritten Träger (102) drehbar gehalten werden und mit dem dritten Sonnenrad (114) und den dritten Planetenrädern (118) ineinander greifen.
Hybridmotorfahrzeug (10) nach Anspruch 11, wobei die Differenzialbaugruppe (72) ein drittes Getriebe ist, das umfasst: ein drittes Hohlrad (116), das die erste Abtriebswelle (120) antreibt, ein drittes Sonnenrad (114), das die zweite Abtriebswelle (122) antreibt, und einen Satz dritter Planetenräder (118), die von dem zweiten Träger (102) drehbar gehalten werden und mit dem dritten Hohlrad (116) und dem dritten Sonnenrad (114) ineinander greifen.