DE69909908T2 - Elektro-mechanischer Antriebsstrang - Google Patents

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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F16H37/02—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings
    • F16H37/06—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts
    • F16H37/08—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts with differential gearing
    • F16H37/10—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts with differential gearing at both ends of intermediate shafts
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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft hybride elektromechanische Motor-/Antriebsstränge.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es ist bekannt, dass elektromechanische Hybridgetriebe die Abgasemissionen eines Fahrzeuges verbessern, indem die elektrische Energie den in der Antriebsmaschine verwendeten fossilen Kraftstoff verringert. Auch existieren im Stand der Technik Getriebe vom parallelen, hybriden Typ mit geteiltem Eingang. Eines davon wird in dem US-Pat. Nr. 5 558 588 offenbart.
  • Die elektromechanischen Hybridgetriebe sind so aufgebaut, dass der Motor und die elektrischen Motorantriebe oder Generatoren an dem Eingang kombiniert sind, um einen bezüglich der Nutzung der Energiequellen geteilten Eingang bereitzustellen. Die Energie von der Antriebsmaschine und den Motor-/Generator-Sätzen wird in einem oder mehreren Planetenradsätzen kombiniert, um eine Ausgangsleistung zu erzeugen, die dann genutzt wird, um ein Fahrzeug anzutreiben. Das Fahrzeug kann so groß wie ein Erdbewegungsfahrzeug oder ein Panzer sein, und auch so klein wie ein Personenwagen.
  • Des Weiteren wird auf die US 5 571 058 aufmerksam gemacht, die verwendet wurde, um den Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 zu verfassen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes elektromechanisches Hybridgetriebe mit geteiltem Eingang bereitzustellen, worin eine koaxiale Anordnung der elektrischen und Planetenradsätze vorgesehen ist.
  • In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Motor-/Generator-Einheiten radial außen von den Planetenradsätzen angeordnet, womit eine kompakte axiale Anordnung bereitgestellt wird, die in vielen Fahrzeugen bevorzugt wird.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung umgeben die Motor-/Generator-Einheiten vier Planetenradeinheiten und zwei selektiv in Eingriff bringbare Reibungsvorrichtungen, um zwei Betriebsmodi mit geteiltem Eingang bereitzustellen.
  • In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Motor-/Generator-Einheiten durch eine elektrische Steuereinheit gesteuert, welche betrieben werden kann, um elektrische Energie zwischen den Einheiten zu verteilen und auch um elektrische Energie von einer Batterieeinheit zu einer oder zu beiden Einheiten zu verteilen.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Motor-/Antriebsstranges, welcher die vorliegende Erfindung umfasst.
  • 2 ist eine Querschnitts-Aufriss-Ansicht eines elektromechanischen Hybridgetriebes, welches die vorliegende Erfindung umfasst.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszeichen innerhalb der verschiedenen Ansichten dieselben oder einander entsprechende Teile darstellen, ist in den Zeichnungen ein hybrider Motor-/Antriebsstrang, allgemein mit 10 bezeichnet, der einen Motor 12, eine Motor/Generator-(M/G-)Einheit 14, eine Motor-/Generator-(M/G-)Einheit 16, eine elektrische Steuereinheit (ECU), eine Batterieeinheit 18, und eine Planetenradanordnung 20 umfasst, zu sehen.
  • Die Planetenradanordnung 20 umfasst vier Planetenradsätze 22, 24, 26 und 28. Der Planetenradsatz 22 umfasst ein Sonnenrad 30, ein Hohlrad 32 und eine Trägeranordnung 34, welche aus einer Vielzahl von drehbar befestigten, verzahnten Zahnritzeln 36 und 38 besteht. Die Zahnritzel 36 sind mit dem Sonnenrad 30 verzahnt und die Zahnritzel 38 sind mit dem Hohlrad 32 verzahnt. Wie bei solchen Einheiten wohl bekannt ist, führt die Drehung des Hohlrades zu einer Vorwärtsdrehung des Sonnenrades, wenn die Trägeranordnung 34 feststehend gehalten wird. Das Hohlrad 32 ist antriebsmäßig durch eine herkömmliche Schwungradanordnung und eine Motortrennkupplung 40 angeschlossen. Somit wird das Hohlrad 32 immer dann gedreht, wenn die Vorrichtung 40 betätigt wird und der Motor 12 in Betrieb ist.
  • Alle Planetenradsätze 24, 26 und 28 sind einfache Planetenradsätze mit einem Ritzel. Der Planetenradsatz 24 besitzt ein Sonnenrad 42 und ein Hohlrad 44, welches durch einen Abschnitt eines Getriebegehäuses 46 feststehend gehalten wird. Die Planetenradanordnung 20 umfasst auch eine Trägeranordnung 48, an welcher eine Vielzahl von Ritzeln 50, die mit dem Sonnenrad 42 und dem Hohlrad 44 verzahnt sind, drehbar befestigt ist. Der Träger 48 ist einteilig mit dem Träger 34 verbunden und das Sonnenrad 42 ist antriebsmäßig mit der Motor-/Generator-Einheit 16 verbunden.
  • Der Planetenradsatz 26 besitzt ein Sonnenrad 54, ein Hohlrad 56 und eine Trägeranordnung 58, an welcher eine Vielzahl von Ritzeln 60, die mit dem Sonnenrad 54 und dem Hohlrad 56 verzahnt sind, drehbar befestigt ist. Das Hohlrad 56 ist selektiv mit dem Getriebegehäuse 46 durch eine herkömmliche, fluidbetätigte Reibungsbremse 62 verbindbar.
  • Das Sonnenrad 54 ist kontinuierlich antriebsmäßig sowohl mit dem Sonnenrad 30 des Planetenradsatzes 22 als auch mit der Motor-/Generator-Einheit 14 verbunden. Der Planetenradsatz 28 besitzt ein Sonnenrad 64, ein Hohlrad 66 und eine Trägeranordnung 68, an welcher eine Vielzahl von Zahnritzeln 70, die mit dem Sonnenrad 64 und dem Hohlrad 66 verzahnt sind, gedreht wird. Das Hohlrad 66 ist operativ mit einer herkömmlichen fluidbetätigten Reibungsbremse 72 verbunden, welche ihrerseits mit dem Getriebegehäuse 46 verbunden ist.
  • Die Trägeranordnungen 58 und 68 sind miteinander verbunden und auch mit einer Getriebeabtriebswelle 74, welche angepasst ist, Energie von dem Motor 12 und den Motor-/Generator-Einheiten 14 und 16 an einen herkömmlichen Satz von Fahrzeugantriebsrädern oder Antriebsraupen zu liefern. Der Motor 12 ist auch mit einem Antriebszahnrad 76 verbunden, welches betätigt werden kann, um über ein Zwischenzahnrad 78 ein Zahnrad 80 anzutreiben.
  • Das Zahnrad 80 ist antriebsmäßig mit einer Welle 82 verbunden, welche eine Hydraulikpumpe 84 und eine herkömmliche Abtriebseinheit 86 antreiben wird. Die Pumpe 84 kann betrieben werden, um Hydraulikfluid zur Steuerung des In- und Außereingriffbringens der Bremsen 62 und 72, und auch zur Steuerung des Eingreifens der Kupplung 40, bereitzustellen. Die Kupplung 40 kann außer Eingriff gebracht werden, um den Motor freizugeben, wenn ein ausschließlich elektrischer Antrieb gewünscht ist.
  • Der Motor-/Antriebsstrang 10 arbeitet in zwei unterschiedlichen Modi und besitzt einen synchronen Umschaltpunkt von dem ersten Modus zu dem zweiten Modus. Während des ersten Betriebsmodus steht die Bremse 72 in Eingriff, wodurch das Hohlrad 66 gesperrt wird, so dass Energie, die zu dem Sonnenrad 64 geliefert wird, an die Abtriebswelle 74 bei einem Unterantriebsverhältnis abgegeben wird. Die Energie, die an das Sonnenrad 64 abgegeben wird, wird in dieses von den Trägeranordnungen 48 und 34 eingeleitet, welche kontinuierlich antriebsmäßig mit dem Sonnenrad 64 verbunden sind.
  • Während des ersten Betriebsmodus arbeitet die Motor-/Generator-Einheit 14 als ein Generator, während die Motor-/Generator-Einheit 16 als ein Motor arbeitet. Durch einen ersten Abschnitt des ersten Modus ist die Batterieleistung der Einheiten 18 Null, somit erfolgt die anfängliche Beschleunigung des Fahrzeuges ohne die Verwendung der Batterien 18. Nach der anfänglichen Beschleunigung steuern die Batterien von null bis zur vollen Batterieleistung bei, und für den letzten Abschnitt des ersten Betriebsmodus steuern die Batterien die volle Leistung bei. Somit steuern während dieses Betriebsabschnittes sowohl der Motor als auch die Batterien die maximale Leistung bei. Dies tritt selbstverständlich nur dann auf, wenn die maximale Beschleunigung und Leistung des Fahrzeuges gewünscht wird. Bei geringeren Motordrosselungen, welche beim Fahren auf Autobahnen oder in der Stadt auftreten könnten, ist der Beitrag der Batterie beträchtlich geringer, und während eines gewissen Betriebszustandes wird die Batterie durch eine der Motor-/Generator-Einheiten 14 oder 16 aufgeladen.
  • Die Umschaltung oder der Wechsel von dem ersten Modus zu dem zweiten Modus tritt bei einer synchronen Drehzahl an beiden Motor-/Generator-Einheiten 14 und 16 auf. Die Umschaltung tritt mit der Erschöpfung oder dem Außereingriffbringen der Bremse 72 und dem Ineingriffbringen der Bremse 62 auf. Das Ineingriffbringen der Bremse 62 macht das Hohlrad 56 zu einer Reaktionseinheit, so dass Energie, die von dem Sonnenrad 54 abgegeben wird, durch die Trägeranordnung 58 zu der Abtriebswelle 74 geleitet wird.
  • Während des ersten Abschnittes des zweiten Modus arbeitet die Motor-/Generator-Einheit 16 als der Generator, während die Motor-/Generator-Einheit 14 als ein Motor arbeitet. Während eines zweiten Abschnittes des zweiten Modus arbeiten beide Motor-/Generator-Einheiten 14 und 16 als Motoren unter dem vollen Leistungszustand, wobei sie Energie von der Batterie 18 beziehen. Für den letzten Abschnitt, dem Abschnitt mit maximaler Drehzahl des zweiten Modus, arbeitet die Motor-/Generator-Einheit 14 als ein Generator und die Motor-/Generator-Einheit 16 arbeitet als ein Motor.
  • Der umgekehrte Betrieb wird erreicht, indem die Planetenradanordnung 20 für das niedrige Verhältnis konditioniert wird und die Motor-/Generator-Einheit 16 umgekehrt gedreht wird. Der Betrieb kann unter Verwendung der Batterieleistung oder der Motorleistung oder beider durchgeführt werden. Die ECU wird für die richtige elektrische Steuerung der Motoren/Generatoren 14 und 16 sorgen, wenn der umgekehrte Betrieb von dem Bediener befohlen wird.
  • Die folgenden Zahlen werden als ein Beispiel für eine betriebliche Ausführungsform angegeben:
  • Figure 00070001
  • Der Motor liefert ein Maximum von 194 PS bei 1.950 U/min. Die Batterie 18 liefert ein Maximum von 55 PS. Die ECU kann betrieben werden, um die Energie von der Batterie zu den jeweiligen Motor-/Generator-Einheiten 14 und 16 zu verteilen und auch um Energie zwischen den zwei Motor-/Generator-Einheiten zu verteilen, wenn eine als ein Motor arbeitet und die andere als ein Generator. Die Motor-/Generator-Einheiten 16 und 14 sind Einheiten mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment, welche erwünscht sind, da die Energieverluste mit diesen Typen von Einheiten minimal werden. Auch ist es die Verwendung von Einheiten mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment, die den Planetenradanordnungen gestattet, radial innen und konzentrisch mit den Motor-/Generator-Einheiten 14 und 16 angeordnet zu werden.
  • Die Masse der Motor-/Generator-Einheiten ist im Vergleich zu früheren Einheiten, insbesondere jenen, die in dem US-Pat. Nr. 5 558 588 offenbart werden, beträchtlich verringert. Ein weiterer wichtiger Unterschied, der zwischen der vorliegenden Erfindung und dem vorstehend erwähnten US-Patent zu erkennen ist, besteht darin, dass zumindest zwei der Reibungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik Drehkupplungen sind und eine Reibungsvorrichtung eine feststehende Bremse ist. In der vorliegenden Erfindung sind beide Reibungsvorrichtungen feststehende Bremsen. Dieser Aufbau verkürzt auch die axiale Länge des Getriebes durch die Beseitigung von rotierenden Dichtungen, die zur Speisung von Reibungsvorrichtungen des Kupplungstyps notwendig sind.
  • Es ist auch anzumerken, dass die vorliegende Erfindung vier Planetenradsätze im Gegensatz zu drei Planetenradsätzen nach dem Stand der Technik verwendet, jedoch sorgt die Verwendung der Radsätze auch für eine kompaktere Einheit, in welcher die Radelemente konzentrisch und radial innen von den Motor-/Generator-Einheiten 14 und 16 angeordnet werden können.
  • Unter Ausnützung der oben dargelegten Daten wird die Motor-/Generator-Einheit 14 zwischen 1.950 U/min und einem Maximum von 3.905 U/min in dem ersten Betriebsmodus arbeiten, während die Motor-/Generator-Einheit 16 von null U/min bis 5.720 U/min arbeiten wird, zu welchem Zeitpunkt die Bremse 72 außer Eingriff gebracht wird und die Bremse 62 in Eingriff gebracht wird. Die Drehzahl der Motor-/Generator-Einheiten 14 und 16 bleibt während des Wechsels dieser Reibungsvorrichtungen konstant.
  • Der Wechsel der Reibungsvorrichtung tritt während der maximalen Leistung auf, wenn die Motor-/Generator-Einheit 14 bei 1.950 U/min rotiert und die Motor-/Generator-Einheit 16 bei 5.720 U/min rotiert. Während des zweiten Betriebsmodus erhöht sich die Drehzahl der Motor-/Generator-Einheit 14 von 1.950 auf 5.854 U/min, während die Drehzahl der Motor-/Generator-Einheit 14 von 5.720 auf Null abnimmt und dann auf einen negativen Wert von –3.267.
  • Wenn sich die Motor-/Generator-Einheit 16 bei einer Drehzahl von Null befindet, tritt der vom mechanischen Standpunkt aus gesehen effizienteste Betriebspunkt auf. An diesem Punkt wird das Sonnenrad 42 feststehend gehalten, und da das Hohlrad 44 feststeht, ist der Träger 48 ebenso feststehend, genauso wie auch der Träger 34. Somit ist ersichtlich, dass die gesamte Energie von dem Motor 12 direkt durch den Planetenradsatz 22 mit dem Sonnenrad 54 verbunden ist. Die Motor-/Generator-Einheit 14 ist ebenfalls direkt mit der Sonnenradeinheit 54 verbunden, so dass die gesamte Energie sowohl des Motors als auch der Batterie direkt mit dem Planetenradsatz 26 verbunden ist.
  • Mit den oben angegebenen Datenwerten wird dieser mechanische Punkt bei ungefähr 64 mph auftreten. Auch tritt mit diesem Satz von Werten die Umschaltung oder der Wechsel von Modus eins zu Modus zwei bei ungefähr 21,5 mph auf, und die maximale Abtriebsgeschwindigkeit des Fahrzeuges beträgt ungefähr 65 mph. Dies sind selbstverständlich Werte, die bei maximalen Leistungseinstellungen erreicht werden. Werte bei weniger als Motorvollgas werden natürlich verringert, so dass der mechanische Geschwindigkeitspunkt von 64 mph nach unten auf einen Wert, der mit dem Stadtbetrieb und auch mit einer geringeren Geschwindigkeit für den Autobahnbetrieb in Einklang steht, eingestellt werden kann.
  • Aus der obigen Beschreibung ist klar geworden, dass ein in seiner axialen Dimension viel kompakteres Getriebe bereitgestellt wird, das den Einbau des Hybridgetriebes in eine Vielzahl von Fahrzeugen erlaubt, in welchen die axiale Dimension des Motor-/Antriebsstranges in den Insassenraum reichen könnte, was die Nutzung von Raum erfordert, der ansonsten den Insassen zur Verfügung stehen würde.

Claims (2)

  1. Elektromechanisches Hybridgetriebe mit geteiltem Eingang, umfassend: ein Antriebselement zum Aufnehmen einer Eingangsleistung von einer Antriebsmaschinen-Energiequelle (12); ein Abtriebselement (74) zum Liefern von Leistung von dem Getriebe; einen ersten Motor/Generator (14); einen zweiten Motor/Generator (16), der koaxial mit dem ersten Motor/Generator ausgerichtet ist; ein Energiespeichermittel (18) zum Austausch elektrischer Leistung mit dem ersten und dem zweiten Motor/Generator (14, 16); ein Steuermittel zum Regeln des elektrischen Leistungsaustausches zwischen dem Speichermittel (18) und dem ersten und dem zweiten Motor/Generator (14, 15) und auch zum Regeln des elektrischen Leistungsaustausches zwischen dem ersten und dem zweiten Motor/Generator (14, 16); dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ferner umfasst: eine Planetenradanordnung, die erste, zweite, dritte und vierte koaxial ausgerichtete Planetenradsätze (22, 24, 26, 28) umfasst, wobei jeder Planetenradsatz ein erstes, ein zweites und ein drittes Element mit jeweils einem Sonnenradelement (30, 42, 54, 64), einem Hohlradelement (32, 44, 56, 66) und einem Planetenträgerelement (34, 48, 58, 68) umfasst, wobei die Planetenradanordnung (20) koaxial mit und radial innen von dem ersten und dem zweiten Motor/Generator (14, 16) angeordnet ist; wobei das erste Element (30) des ersten Planetenradsatzes (22) kontinuierlich mit dem Antriebselement verbunden ist; das erste Element (42) des zweiten Planetenradsatzes (24) kontinuierlich mit dem zweiten Motor/Generator (16) verbunden ist; das erste Element (54) des dritten Planetenradsatzes (26) und das zweite Element (32) des ersten Planetenradsatzes (22) kontinuierlich mit dem ersten Motor/Generator (14) verbunden sind; das dritte Element (34) des ersten Planetenradsatzes (22), das zweite Element (44) des zweiten Planetenradsatzes (24) und das erste Element (64) des vierten Planetenradsatzes (28) kontinuierlich verbunden sind; das zweite Element (56, 66) von sowohl dem dritten Planetenradsatz (26) als auch dem vierten Planetenradsatz (28) kontinuierlich mit dem Abtriebselement (74) verbunden sind; das dritte Element (58, 68) von sowohl dem dritten Planetenradsatz (26) als auch dem vierten Planetenradsatz (28) selektiv mit jeweiligen selektiv betätigten Bremsmechanismen (62, 72) verbindbar sind; und das dritte Element (48) des zweiten Planetenradsatzes kontinuierlich feststehend gehalten ist.
  2. Elektromechanisches Hybridgetriebe mit geteiltem Eingang, umfassend: ein Antriebselement zum Aufnehmen einer Eingangsleistung von einer Antriebsmaschinen-Energiequelle (12); ein Abtriebselement (74) zum Liefern von Leistung von dem Getriebe; einen ersten Motor/Generator (14); einen zweiten Motor/Generator (16), der koaxial mit dem ersten Motor/Generator ausgerichtet ist; ein Energiespeichermittel (18) zum Austausch elektrischer Leistung mit dem ersten und dem zweiten Motor/Generator (14, 16); ein Steuermittel (18) zum Regeln des elektrischen Leistungsaustausches zwischen dem Speichermittel (18) und dem ersten und dem zweiten Motor/Generator (14, 16) und auch zum Regeln des elektrischen Leistungsaustausches zwischen dem ersten und dem zweiten Motor/Generator (14, 16); dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ferner umfasst: eine Planetenradanordnung (20), die radial innen angeordnet ist von und koaxial ausgerichtet ist mit dem ersten und dem zweiten Motor/Generator (14, 16), wobei die Planetenradanordnung einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Planetenradsatz (22, 24, 26, 28) umfasst, wobei jeder Planetenradsatz ein Sonnenradelement (30, 42, 54, 64), ein Hohlradelement (32, 44, 56, 66) und ein Trägerelement (34, 48, 58, 68) umfasst; wobei das Hohlradelement (32) des ersten Planetenradsatzes (22) kontinuierlich mit dem Antriebselement verbunden ist; das Sonnenradelement (42) des zweiten Planetenradsatzes (24) kontinuierlich mit dem zweiten Motor/Generator (16) verbunden ist; das Sonnenradelement (54) des dritten Planetenradsatzes (26) und das Sonnenradelement (30) des ersten Planetenradsatzes (22) kontinuierlich mit dem ersten Motor/Generator (16) verbunden sind; das Trägerelement (34) des ersten Planetenradsatzes (22), das Trägerelement (48) des zweiten Planetenradsatzes (24) und das Sonnenradelement (64) des vierten Planetenradsatzes (28) kontinuierlich verbunden sind; die Trägerelemente (58, 68) von sowohl dem dritten Planetenradsatz (26) als auch dem vierten Planetenradsatz (28) kontinuierlich mit dem Abtriebselement (74) verbunden sind; die Hohlradelemente (56, 66) von sowohl dem dritten Planetenradsatz (26) als auch dem vierten Planetenradsatz (28) selektiv mit jeweiligen selektiv betätigten Bremsmechanismen (62, 72) verbindbar sind; und das Hohlradelement (44) des zweiten Planetenradsatzes (24) kontinuierlich feststehend gehalten ist.
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