DE69921550T2

DE69921550T2 - Elektromechanisches compound-split-fahrzeuggetriebene mit zwei betriebsarten

Info

Publication number: DE69921550T2
Application number: DE69921550T
Authority: DE
Inventors: Michael Roland Schmidt
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2019-04-22
Also published as: EP0967102A3; US5931757A; DE69921550D1; JP2000062483A; EP0967102B1; JP3220115B2; EP0967102A2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Fahrzeuggetriebe. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Fahrzeuggetriebe, die in der Lage sind, Antriebsleistung von einem Motor wie auch von einer Quelle gespeicherter elektrischer Energie, entweder selektiv oder in Kombination aufzunehmen. Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung ein elektromechanisches Compound-Split-Fahrzeuggetriebe mit zwei Betriebsarten, welches drei interaktive Planetenradanordnungen verwendet, die wirksam mit einem Motor und zwei Motor/Generatoren, die kreisringförmig ausgebildet sein können, verbunden sind. Die Planetenradanordnungen wie auch die beiden Motor/Generatoren sind koaxial mit den radial innen in Bezug auf den Motor/Generator angeordneten Planetenradanordnungen angeordnet. Die Planetenradanordnungen stellen zwei Betriebsarten oder Zahnradsätze bereit, die durch die Verwendung von nur zwei Drehmomentübertragungseinrichtungen, um in Abhängigkeit von der gewünschten oder erforderlichen Leistung und/oder Geschwindigkeit, die durch die Abtriebswelle abgegeben werden soll, Leistung von dem Motor und/oder dem Motor/Generator zu dem Abtriebselement des Getriebes zu übertragen, selektiv verfügbar sind. Das Getriebe umfasst zumindest einen mechanischen Punkt in seiner ersten Betriebsart und zumindest zwei mechanische Punkte in seiner zweiten Betriebsart.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Zweck eines Fahrzeuggetriebes besteht darin, einen Leerlauf, zumindest einen Rückwärts- und einen oder mehrere Vorwärtsfahrbereich/e bereitzustellen, die Energie von einem Motor und/oder anderen Energiequellen an die Antriebselemente weitergeben, die die Traktionskraft von dem Fahrzeug auf das Gelände, über welches das Fahrzeug gefahren wird, abgeben. Als solches können die Antriebselemente Vorderräder, Hinterräder oder eine Kette sein, wie zur Bereitstellung der gewünschten Leistung erforderlich.
Ein serielles Antriebssystem ist ein System, in dem Energie einem Pfad von einem Motor zu einer elektrischen Speichereinrichtung und dann zu einem Elektromotor, der Leistung aufbringt, um die Antriebselemente zu drehen, folgt. In einem seriellen Antriebssystem gibt es keine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Motor und den Antriebselementen.
Getriebe, die derart ausgebildet sind, das sie die Ausgangsleistung entweder von einem Motor oder einem Elektromotor oder von beiden aufnehmen, beruhten bislang weitgehend auf so genannten seriellen Hybridantriebssystemen. Solche Systeme sind mit Hilfsleistungseinheiten (APUs) mit relativ geringer Leistung für minimale Emissionen und beste Brennstoffökonomie entworfen. Solche Kombinationen von kleinen APUs und sogar großen Energiespeichervorrichtungen kommen jedoch Fahrzeugen mit hoher Durchschnittsleistung nicht entgegen oder zielen nicht auf Arbeitszyklen ab, die einen kontinuierlichen drehzahlkonstanten Betrieb erfordern. Mit einem typischen seriellen Hybridgetriebeaufbau sind starke Steigungen und anhaltende hohe Dauergeschwindigkeiten bei gewünschten hohen Wirkungsgraden nicht erreichbar.
Die Herausforderung besteht daher darin, ein Leistungsystem bereitzustellen, das mit hohen Wirkungsgraden über eine breite Vielfalt von Betriebsbedingungen arbeitet. Wünschenswerte variable elektrische Getriebe sollten nicht nur die Vorteile eines seriellen Hybridgetriebes für wünschenswerte Arbeitszyklen mit geringer Durchschnittsleistung, d. h., Start/Stop-Arbeitszyklen bei niedriger Geschwindigkeit, sondern auch die Vorteile eines parallelen Hybridgetriebes für eine hohe durchschnittliche Leistungsabgabe, d. h., Arbeitszyklen bei hoher Geschwindigkeit, wirksam einsetzen. In einer parallelen Anordnung sind die von dem Motor gelieferte Leistung und die von der Quelle elektrischer Energie gelieferte Leistung einzeln mit den Antriebselementen verbunden.
Darüber hinaus resultiert die Perfektionierung eines Konzeptes, in dem zwei Betriebsarten oder Zahnradsätze für eine synchrone Auswahl durch den On-Board-Computer verfügbar sind, um Leistung von dem Motor und/oder dem Motor/Generator an die Abtriebswelle zu übertragen, in einem Hybridgetriebe mit einem extrem breiten Anwendungsbereich.
Die wünschenswerten vorteilhaften Ergebnisse können durch die Verwendung eines variablen elektromechanischen parallelen Input-Split-Hybridgetriebes mit zwei Betriebsarten erreicht werden. Solch ein Getriebe verwendet ein Leistungsantriebselement, um Leistung von dem Fahrzeugmotor aufzunehmen und ein Abtriebselement, um Leistung abzugeben und das Fahrzeug anzutreiben. Ein erster und ein zweiter Motor/Generator sind mit Energiespeichereinrichtungen wie z. B. Akkumulatoren verbunden, so dass die Energiespeichervorrichtungen Leistung von dem ersten und dem zweiten Motor/Generator aufnehmen und an diese liefern können. Eine Steuereinheit regelt den Energiefluss zwischen den Energiespeichervorrichtungen und dem Motor/Generator sowie zwischen dem ersten und zweiten Motor/Generator.
Ein variables elektromechanisches paralleles Input-Split-Hybridgetriebe mit zwei Betriebsarten verwendet auch zumindest einen Planetenradsatz. Der Planetenradsatz weist ein inneres Zahnradelement und ein äußeres Zahnradelement auf, wobei jedes kämmend mit einer Vielzahl von Planetenradelementen in Eingriff steht. Das Antriebselement ist wirksam mit einem der Zahnradelemente in dem Planetenradsatz verbunden und es ist ein Mittel vorgesehen, das dazu dient, das Leistungs-Abtriebselement mit einem weiteren der Zahnradelemente in dem Planetenradsatz zu verbinden. Einer von dem Motor/Generatoren ist mit dem verbleibenden Zahnradelement in dem Planetenradsatz verbunden und es ist ein Mittel vorgesehen, das dazu dient, den anderen Motor/Generator mit der Abtriebswelle zu verbinden.
Der Betrieb in der ersten oder der zweiten Betriebsart kann selektiv durch Verwendung von Drehmomentübertragungseinrichtungen erreicht werden. Bisher ist in einer Betriebsart die Abtriebsdrehzahl des Getriebes im Allgemeinen proportional zu der Drehzahl eines Motor/Generators und ist in der zweiten Betriebsart die Abtriebsdrehzahl des Getriebes im Allgemeinen proportional zu der Drehzahl des anderen Motor/Generators.
In einigen Ausführungsformen des variablen elektromechanischen parallelen Input-Split-Hybridgetriebes wird ein zweiter Planetenradsatz verwendet. Zusätzlich können einige Ausführungsformen drei Drehmomentübertragungseinrichtungen verwenden – zwei, um die gewünschte Betriebsart des Getriebes auszuwählen und die dritte, um das Getriebe selektiv von dem Motor zu trennen. In weiteren Ausführungsformen können alle drei Drehmomentübertragungen verwendet werden, um die gewünschte Betriebsart des Getriebes auszuwählen.
Unter erneuter Bezugnahme auf einen einfachen Planetenradsatz sind die Planetenradelemente normalerweise für eine Drehung auf einem Träger, der selbst drehbar ist, gelagert. Wenn das Sonnenrad stationär gehalten ist und Leistung auf das Hohlrad aufgebracht wird, drehen sich die Planetenradelemente in Ansprechen auf die auf das Hohlrad aufgebrachte Leistung und „wandern" somit um den Umfang des fixen Sonnenrads herum, um eine Drehung des Trägers in der gleichen Richtung wie die, in die das Hohlrad gedreht wird, zu bewirken.
Wenn eines von den zwei Elementen eines einfachen Planetenradsatzes sich in der gleichen Richtung mit gleicher Geschwindigkeit dreht, wird das dritte Element gezwungen mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung zu drehen. Wenn z. B. das Sonnenrad und das Hohlrad sich in der gleiche Richtung und mit gleicher Geschwindigkeit drehen, drehen sich die Planetenräder nicht um ihre eigenen Achsen herum, sondern wirken vielmehr als Keile, die die gesamte Einheit verblocken, um einen so genannten Direktantrieb zu bewirken. Das heißt, der Träger dreht sich mit den Sonnen- und Hohlrädern.
Wenn jedoch die beiden Zahnradelemente sich in der gleichen Richtung aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, kann die Richtung, in der sich das dritte Zahnradelement dreht, oft einfach durch Sichtanalyse bestimmt werden, aber in vielen Fällen wird die Richtung nicht offenkundig sein und kann nur bestimmt werden, wenn man die Anzahl der in den Zahnradelementen des Planetenradsatzes vorhandenen Zähne kennt.
Wann immer der Träger darin eingeschränkt ist, sich frei zu drehen, und Leistung entweder auf das Sonnenrad oder das Hohlrad aufgebracht wird, wirken die Planetenradelemente als Zwischenräder. Auf diese Art und Weise wird das angetriebene Element in der entgegengesetzten Richtung wie das Antriebselement gedreht. Somit wird in vielen Getriebeanordnungen, wenn der Rückwärtsfahrbereich ausgewählt ist, eine Drehmomentübertragungseinrichtung, die als eine Bremse dient, reibend betätigt, um den Träger in Eingriff zu setzen und ihn dadurch gegenüber einer Drehung einzuschränken, so dass auf das Sonnenrad aufgebrachte Leistung das Hohlrad in der entgegengesetzten Richtung drehen wird. Somit ist solch eine Anordnung in der Lage, wenn das Hohlrad wirksam mit den Antriebsrädern eines Fahrzeuges verbunden ist, die Drehrichtung der Antriebsräder umzudrehen und dadurch die Richtung des Fahrzeuges selbst umzudrehen.
Wie der Fachmann einsehen wird, wird ein Getriebesystem, das eine Leistungs-Split-Anordnung verwendet, Leistung von zwei Quellen beziehen. Die Verwendung eines oder mehrerer Planetenradsatzes/sätze erlaubt zwei oder mehrere Zahnradsätze oder Betriebsarten, durch die Leistung von dem Antriebselement des Getriebes zu seinem Abtriebselement abgegeben wird.
So erfolgreich variable parallele elektromechanische Input-Split-Hybridgetriebe mit zwei Betriebsarten sind, legt bis dato nur ein Patent nach dem Stand der Technik eine Anordnung, in der ein „mechanischer Punkt" in der ersten Betriebsart und zwei mechanische Punkte in der zweiten Betriebsart vorhanden sind, offen. Diese Anordnung ist in dem U.S. Patent 5 558 589, erteilt am 24. September 1996 an General Motors Corporation, offen gelegt.
Ein mechanischer Punkt tritt dann auf, wenn einer von dem Motor/Generator zu irgendeiner Zeit während des Betriebes des Getriebes in entweder der ersten oder der zweiten Betriebsart stationär ist. Das Fehlen eines mechanischen Punktes ist ein Nachteil insoweit, als der maximale mechanische Wirkungsgrad in der Übertragung von Leistung von dem Motor zu dem Abtrieb auftritt, wenn einer von dem Motor/Generator sich an einem mechanischen Punkt befindet – d. h. stationär ist. In variablen parallelen elektromechanischen Input-Split-Hybridgetrieben mit zwei Betriebsarten gibt es jedoch typischerweise einen Punkt in der zweiten Betriebsart, an dem einer von dem Motor/Generator sich nicht dreht, so dass die gesamte Motorleistung mechanisch zu dem Abtrieb übertragen wird. In dem vorstehend genannten US Patent Nr. 5 558 589 gibt es zwei mechanische Punkte in der zweiten Betriebsart sowie einen mechanischen Punkt in der ersten Betriebsart.
Der Stand der Technik lehrt oder schlägt jedoch keinen Getriebeaufbau vor, in dem die vorstehend genannten wünschenswerten Merkmale durch eine Anordnung, in der das variable parallele elektromechanische Input-Split-Hybridgetriebe mit zwei Betriebsarten sowie die beiden Motor/Generatoren koaxial angeordnet sind, und der Motor/Generator jeweils als ein Kreisring aufgebaut ist, der eine oder mehrere der Planetenradanordnungen umgibt, so dass die Planetenradanordnungen radial innen in Bezug auf den Motor/Generator angeordnet sind.
Die DE 196 06 771 A , die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, offenbart
ein elektromechanisches Compound-Split-Hybridgetriebe mit zwei Betriebsarten, umfassend:
ein Antriebselement zur Aufnahme von Leistung von einer Antriebsmaschinen-Leistungsquelle;
ein Abtriebselement zum Abgeben von Leistung von dem Getriebe; einen ersten und einen zweiten Motor/Generator;
ein Energiespeichermittel zum Austauschen elektrischer Leistung zwischen dem Speichermittel und dem ersten und dem zweiten Motor/Generator;
ein Steuermittel zum Regeln des elektrischen Leistungsaustauschs zwischen dem Energiespeichermittel und dem ersten und dem zweiten Motor/Generator und auch zum Regeln des elektrischen Leistungsaustauschs zwischen dem ersten und dem zweiten Motor/Generator;
drei koaxial ausgerichtete Planetenradanordnungen;
wobei jede Planetenradanordnung erste und zweite Zahnradelemente verwendet;
wobei die ersten und zweiten Zahnradelemente jeder Planetenradanordnung kämmend mit einer Vielzahl von Planetenrädern in Eingriff stehen, die an einem Träger montiert sind, der in jeder entsprechenden Planetenradanordnung eingebaut ist;
wobei der erste und der zweite Motor/Generator koaxial miteinander und mit den drei Planetenradanordnungen ausgerichtet sind; wobei zumindest eines der Zahnradelemente in der ersten oder der zweiten Planetenradanordnung mit dem ersten Motor/Generator verbunden ist;
zumindest eines der Zahnradelemente in der ersten oder der zweiten Planetenradanordnung mit dem zweiten Motor/Generator verbunden ist;
ein Mittel, das dazu dient, die Träger, die zu der ersten, der zweiten und der dritten Planetenradanordnung gehören, miteinander und mit dem Abtriebselement zu verbinden;
wobei eines der Zahnradelemente der ersten oder der zweiten Planetenradanordnung, das nicht mit dem ersten Motor/Generator verbunden ist, kontinuierlich mit einem der Zahnradelemente in der dritten Planetenradanordnung verbunden ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher ein vordringliches Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges elektromechanisches Compound-Split-Hybridgetriebe mit zwei Betriebsarten bereitzustellen, das den gewünschten hohen Wirkungsgrad, der für einen Betrieb bei fortlaufend konstanter Drehzahl wie auch für Anwendungen mit hoher durchschnittlicher Leistung erwünscht ist, bereitstellt, während es mit zumindest einem mechanischen Punkt in der ersten Betriebsart und zumindest zwei mechanischen Punkten in der zweiten Betriebsart, d. h., drei mechanischen Punkten, einem für jede der drei separaten Fahrzeuggeschwindigkeiten, arbeitet.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Getriebe wie vorstehend bereitzustellen, worin die Planetenradanordnungen und der Motor/Generator koaxial angeordnet sind.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Getriebe wie vorstehend bereitzustellen, worin die Planetenradanordnungen radial innen in Bezug auf den kreisringförmig aufgebauten Motor/Generator angeordnet sind, um die Umhüllende, d. h., zumindest die Umfangsabmessung des Getriebes zu minimieren.
Es ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Getriebe wie vorstehend bereitzustellen, worin die betrieblichen Ergebnisse mit drei einfachen Planetenradsätzen erzielt werden können.
Es ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Getriebe wie vorstehend bereitzustellen, durch das die betrieblichen Ergebnisse auch durch Verbinden von zwei Planetenrad-Teilsätzen zu einer Ravigneaux-Anordnung, in der ein herkömmliches Hohlrad mit an einem herkömmlichen Träger montierten verbundenen Planetenrädern verwendet wird, um die getrennten Sonnenräder der beiden Planetenrad-Teilsätze in Eingriff zu bringen.
Es ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Getriebe wie vorstehend bereitzustellen, worin nur zwei Drehmomentübertragungseinrichtungen erforderlich sind, um das Getriebe zu betreiben.
Diese und weitere Ziele der Erfindung sowie deren Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, die im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung deutlich werden, werden durch nachfolgend beschriebene und beanspruchte Mittel erzielt.
Als allgemeine einführende Beschreibung verwendet ein elektromechanisches Compound-Split-Hybridgetriebe mit zwei Betriebsarten, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung enthält, ein Antriebselement zur Aufnahme von Leistung von einer Antriebsmaschinen-Leistungsquelle und ein Abtriebselement zum Abgeben von Leistung von dem Getriebe. Ein erster und ein zweiter Motor/Generator sind wirksam mit einem Energiespeichermittel zum Austausch elektrischer Leistung zwischen dem Speichermittel und dem ersten und dem zweiten Motor/Generator verbunden. Ein Steuermittel wird zum Regeln des elektrischen Leistungsaustausches zwischen dem Energiespeichermittel und dem ersten und dem zweiten Motor/Generator bereitgestellt. Das Steuermittel regelt auch den elektrischen Leistungsaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Motor/Generator.
Es ist besonders wichtig anzumerken, dass das vorliegende Getriebe drei Planetenrad-Teilsätze verwendet, die koaxial ausgerichtet sind. Jede Planetenradanordnung verwendet erste und zweite Zahnradelemente und je des erste und zweite Zahnradelement steht kämmend mit einer Vielzahl von Planetenrädern in Eingriff. Der erste und der zweite Motor/Generator sind koaxial miteinander wie auch mit den drei Planetenrad-Teilsätzen ausgerichtet, die von dem ersten und dem zweiten Motor/Generator umgeben sind.
Zumindest eines der Zahnradelemente in den ersten oder zweiten Planetenrad-Teilsätzen ist mit dem ersten Motor/Generator verbunden. Zumindest eines der Zahnradelemente in den ersten oder zweiten Planetenrad-Teilsätzen ist mit dem zweiten Motor/Generator verbunden. Die Planetenräder der ersten, zweiten und dritten Planetenrad-Teilsätze sind auf Trägern montiert, die wirksam mit dem Abtriebselement verbunden sind. Eines der Zahnradelemente der ersten oder zweiten Planetenrad-Teilsätze, das nicht mit dem ersten Motor/Generator verbundenen ist, ist kontinuierlich mit einem der Zahnradelemente in dem dritten Planetenrad-Teilsatz verbunden. Das andere Zahnradelement des ersten oder des zweiten Planetenrad-Teilsatzes, das nicht mit dem ersten Motor/Generator verbunden ist, ist wirksam mit dem Antriebselement verbunden und das Zahnradelement des dritten Planetenrad-Teilsatzes, das nicht mit dem ersten oder dem zweiten Planetenrad-Teilsatz verbunden ist, ist selektiv mit Fahrzeugmasse verbunden.
Um Fachleuten des der vorliegenden Erfindung nächstliegenden Standes der Technik zu berichten, sind hierin zwei alternative Ausführungsformen eines elektromechanischen Compound-Split-Hybridgetriebes mit zwei Betriebsarten, die zwei repräsentative Aufbauanordnungen, die nun betrachtet werden, um die Erfindung in die Praxis umzusetzen, hierin und mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung bilden, beschrieben. Die beispielhaften elektromechanischen Compound-Split-Hybridgetriebe mit zwei Betriebsarten sind im Detail be schrieben, ohne dass versucht wird, alle verschiedenen Formen und Abwandlungen, in denen die Erfindung ausgeführt sein könnte, zu zeigen. Als solches dienen die hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen der Veranschaulichung und wie für den Fachmann ersichtlich sein wird, können diese auf zahlreiche Arten innerhalb des Geistes und Umfangs der Erfindung abgewandelt werden; die Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche und nicht durch die Details der Beschreibung begrenzt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Form eines elektromechanischen Compound-Split-Hybridgetriebes mit zwei Betriebsarten, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung enthält;
2 ist eine grafische Darstellung der in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform;
3 ist eine vergrößerte grafische Darstellung des durch das mit „siehe 3" gekennzeichnete strichpunktierte Rechteck definierten Abschnitts von 2;
4 ist eine vergrößerte grafische Darstellung des durch das mit „siehe 4" gekennzeichnete strichpunktierte Rechteck definierten Abschnitts von 2;
5 ist eine grafische Darstellung der Umdrehungen pro Minute (U/min) jedes Motor/Generators sowie des Motors in Bezug auf die Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde (MPH), die durch das in den 1–4 dargestellte Getriebe erhalten werden; und
6 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Form eines elektromechanischen Compound-Split-Hybridgetriebes mit zwei Betriebsarten, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung enthält.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine repräsentative Form eines elektromechanischen Compound-Split-Hybridgetriebes mit zwei Betriebsarten, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung enthält, ist im Allgemeinen durch die Bezugsziffer 10 auf den beiliegenden Zeichnungen bezeichnet, und die bevorzugte Form des Getriebes ist in den 1 bis inkl. 4 dargestellt. Unter folgender besonderer Bezugnahme auf diese Figs. weist das Hybridgetriebe 10 ein Antriebselement 12 auf, das in der Art einer Welle sein kann, die direkt von einem Motor 14 angetrieben sein kann, oder es kann, wie in 2 gezeigt, eine transiente Drehmomentstütze 16 zwischen der Abtriebswelle 18 des Motors 14 und dem Antriebselement 12 des Hybridgetriebes 10 eingebaut sein. Ein hervorragendes Beispiel für eine transiente Drehmomentstütze des für die vorliegende Verwendung empfohlenen Typs ist im Detail in dem US Patent Nr. 5 009 301 offen gelegt, das am 23. April 1991 an General Motors Corporation erteilt wurde. Die transiente Drehmomentstütze 16 kann eine Drehmomentübertragungseinrichtung 20 (1) eingebaut haben oder in Verbindung mit dieser verwendet werden, um den selektiven Eingriff des Motors 14 in das Hybridgetriebe 10 zu erlauben, es ist jedoch einzusehen, dass die Drehmomentübertragungseinrichtung 20 nicht verwendet wird, um die Betriebsart, in der das Hybridgetriebe 10 arbeitet, zu ändern oder zu steuern.
In der dargestellten Ausführungsform kann der Motor 14 ein Motor für fossile Brennstoffe wie z. B. ein Dieselmotor sein, der einfach derart angepasst ist, dass er seine bei einer konstanten Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) verfügbare abgegebene Leistung bereitstellt. In der beispielhaften Ausführungsform, auf die sich die 1–4 richten, kann der Motor 14 nach dem Start und während des Großteils seines Antriebs bei einer konstanten Drehzahl von ca. 2000 U/min arbeiten, wie durch die Kurve 22 in 5 dargestellt. Obwohl einzusehen ist, dass die Drehzahl und PS-Leistung des Motors 14 für die Erfindung nicht kritisch sind, wird, um ein vollständig klares Verständnis des Hybridgetriebes 10 herbeizuführen, eine verfügbare Leistung von ca. 97 PS von dem Motor 14 für die Beschreibung der beispielhaften Anlage angenommen. Ungeachtet des Mittels, durch das der Motor 14 mit dem Antriebselement 12 des Getriebes 10 verbunden ist, ist das Antriebselement 12 mit einem Planetenrad-Teilsatz 24 in dem Getriebe 10 verbunden.
Das Hybridgetriebe 10 verwendet drei Planetenrad-Teilsätze 24, 26 und 28. Der erste Planetenrad-Teilsatz 24 weist ein äußeres Zahnradelement 30 auf, das im Allgemeinen als das Hohlrad bezeichnet werden kann, welches ein inneres Zahnradelement 32 umgibt, das im Allgemeinen als Sonnenrad bezeichnet wird. Eine Vielzahl von Planetenradelementen 34 ist derart drehbar an einem Träger 36 montiert, dass jedes Planetenradelement 34 kämmend sowohl mit dem äußeren Zahnradelement 30 als auch mit dem inneren Zahnradelement 32 in Eingriff steht.
Der zweite Planetenrad-Teilsatz 26 weist auch ein äußeres Zahnradelement 38 auf, im Allgemeinen als das Hohlrad bezeichnet, welches ein inneres Zahnradelement 40 umgibt, das im Allgemeinen als das Sonnenrad bezeichnet wird. Eine Vielzahl von Planetenradelementen 42 ist derart drehbar an einem Träger 44 befestigt, dass jedes Planetenrad 42 kämmend sowohl mit dem äußeren Zahnradelement 38 als auch mit dem inneren Zahnradelement 40 in Eingriff steht.
Der dritte Planetenrad-Teilsatz 28 weist auch ein äußeres Zahnradelement 46 auf, im Allgemeinen als das Hohlrad bezeichnet, welches ein inneres Zahnradelement 48 umgibt, das allgemein als das Sonnenrad bezeichnet wird. Eine Vielzahl von Planetenradelementen 50 ist derart drehbar an einem Träger 52 montiert, dass jedes Planetenrad 50 kämmend sowohl mit dem äußeren Zahnradelement 46 als auch mit dem inneren Zahnradelement 48 in Eingriff steht.
Während alle drei Planetenrad-Teilsätze 24, 26 und 28 „einfache" eigenständige Planetenrad-Teilsätze sind, sind der erste und der zweite Planetenrad-Teilsatz 24 und 26 derart verbunden, dass das innere Zahnradelement 32 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 24 mit dem äußeren Zahnradelement 38 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 26 durch ein Kupplungsnabenzahnrad 54 verbunden ist. Das verbundene innere Zahnradelement 32 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 24 und das äußere Zahnradelement 38 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 26 sind mit einem ersten Motor/Generator 56 durch eine Hohlwelle 58 kontinuierlich verbunden.
Die Planetenrad-Teilsätze 24 und 26 sind ferner derart verbunden, dass der Träger 36 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 24 durch eine Welle 60 mit dem Träger 44 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 26 verbunden ist. Als solches sind die Träger 36 und 44 der ersten und zweiten Planetenrad-Teilsätze 24 bzw. 26 verbunden. Die Welle 60 ist durch eine Drehmomentübertragungseinrichtung 62 die, wie im Folgenden genauer erklärt wird, verwendet wird, um bei der Auswahl der Betriebsarten des Hybridge triebes 10 zu helfen, auch selektiv mit dem Träger 52 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 verbunden.
Der Träger 32 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 ist direkt mit dem Getriebe-Abtriebselement 64 verbunden. Wenn das Hybridgetriebe 10 in einem Landfahrzeug verwendet wird, kann das Abtriebselement 64 mit den Fahrzeugachsen (nicht gezeigt) verbunden sein, die wiederum in den Antriebselementen (ebenfalls nicht gezeigt) enden. Die Antriebselemente können entweder Vorder- oder Hinterräder des Fahrzeuges, auf dem sie verwendet werden, sein, oder können das Antriebszahnrad eines Kettenfahrzeuges sein.
Das innere Zahnradelement 40 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 26 ist mit dem inneren Zahnradelement 48 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 durch eine Hohlwelle 66, die die Welle 60 umgibt, verbunden. Das äußere Zahnradelement 46 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 ist durch eine Drehmomentübertragungseinrichtung 70 selektiv mit Fahrzeugmasse, gebildet durch das Getriebegehäuse 68, verbunden. Wie nachstehend ebenfalls erklärt ist, wird die Drehmomentübertragungseinrichtung 70 auch verwendet, um bei der Auswahl der Betriebsarten des Hybridgetriebes 10 zu helfen. Die Hohlwelle 66 ist auch kontinuierlich mit einem zweiten Motor/Generator 72 verbunden. Alle Planetenrad-Teilsätze 24, 26 und 28 sowie die beiden Motor/Generatoren 56 und 72 sind um die axial angeordnete Welle 60 herum koaxial orientiert. Es ist anzumerken, dass die beiden Motor/Generatoren 56 und 72 einen kreisringförmigen Aufbau aufweisen, was erlaubt, dass sie die drei Planetenrad-Teilsätze 24, 26 und 28 umgeben, so dass die Planetenrad-Teilsätze 24, 26 und 28 radial innen in Bezug auf den Motor/Generator 56 und 72 angeordnet sind. Dieser Aufbau gewährleistet, dass die gesamte Umhüllende, d. h. die Umfangsabmessung des Getriebes 10 minimiert ist.
Wie vorstehend hierin in Verbindung mit der Beschreibung des Motors 14 erklärt wurde, ist in gleicher Weise einzusehen, dass die Drehzahl und PS-Leistung des ersten und des zweiten Motor/Generators 56 und 72 für die Erfindung ebenfalls nicht kritisch sind, um aber ein vollständig klares Verständnis des Hybridgetriebes 10 zu erreichen wird eine maximale Drehzahl von etwa 5000 U/min für den Motor/Generator mit einer kontinuierlichen Leitung von etwa 100 PS zur Beschreibung einer beispielhaften Einrichtung angenommen.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung und unter besonderer Bezugnahme auf die 1 und 2 einzusehen sein sollte, empfängt das Getriebe 10 selektiv Leistung von dem Motor 14. Wie nun erklärt wird, empfängt das Hybridgetriebe auch Leistung von einer elektrischen Speichereinrichtung 74. Die elektrische Speichereinrichtung 74 kann/können ein oder mehrere Akkumulatoren sein. Weitere elektrische Speichereinrichtungen, die in der Lage sind, elektrische Leistung zu speichern und elektrische Leistung abzugeben, können an Stelle der Akkumulatoren verwendet werden, ohne die Konzepte der vorliegenden Erfindung zu verändern. Wie in Verbindung mit der Beschreibung des Motors 14 und des Motor/Generators 56 und 72 erklärt wurde, ist in ähnlicher Weise einzusehen, dass die PS-Leistung der elektrischen Speichereinrichtung 74 ebenfalls nicht kritisch für die Erfindung ist, um aber ein vollständig klares Verständnis des Hybridgetriebes 10 zu erreichen, wird eine Leistung von etwa 75 PS von der elektrischen Speichereinrichtung 74 zur Beschreibung einer beispielhaften Einrichtung angenommen.
Die elektrische Speichereinrichtung 74 steht durch Übertragungsleitungen 78A und 78B mit einer elektrischen Steuereinheit (ECU) 76 in Verbindung. Die ECU 76 steht durch Übertragungsleitungen 78C und 78D mit dem ersten Motor/Generator 56 in Verbindung, und die ECU 76 steht in gleicher Weise durch Übertragungsleitungen 78E und 78F mit dem zweiten Motor/Generator 72 in Verbindung.
Wie aus dem vorstehenden Abschnitt ersichtlich ist, kann ein/e bestimmte/s Strukturelement, Komponente oder Anordnung an mehr als einer Stelle verwendet werden. Wenn im Allgemeinen auf diese Art von Strukturelement, Komponente oder Anordnung Bezug genommen wird, wird eine gemeinsame numerische Bezeichnung verwendet. Wenn jedoch eine/s der so gekennzeichneten Strukturelemente, Komponenten oder Anordnungen einzeln gekennzeichnet sein muss, erfolgt dies durch ein Buchstabensuffix, das in Verbindung mit der für die allgemeine Kennzeichnung des/r Strukturelements, Komponente oder Anordnung verwendeten numerischen Bezeichnung verwendet wird. Somit gibt es zumindest sechs Übertragungsleitungen, die allgemein durch die Bezugsziffer 78 gekennzeichnet sind, aber die speziellen einzelnen Übertragungsleitungen sind daher in der Beschreibung und auf den Zeichnungen als 78A, 78B, 78C, 78D, 78E und 78F gekennzeichnet. Diese gleiche Suffix-Konvention wird in der Beschreibung durchgehend verwendet.
Ein Antriebszahnrad 80 kann von dem Antriebselement 12 präsentiert werden. Wie dargestellt verbindet das Antriebszahnrad 80 das Antriebselement 12 fest mit dem äußeren Zahnradelement 30 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 24 und das Antriebszahnrad 80 empfängt daher Leistung von dem Motor 14 und/oder dem Motor/Generator 56 und/oder 72. Das Antriebszahnrad 80 steht kämmend mit einem Zwischenrad 82 in Eingriff, welches wiederum kämmend mit einem an einem Ende einer Welle 86 befestigten Verteilerzahnrad 84 in Eingriff steht. Das andere Ende der Welle 86 kann an einer Getriebeölpumpe und/oder einer Nebenantriebs-Einheit, einzeln oder kollektiv bei 88 bezeichnet, befestigt sein.
Betrieb der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform
Einleitung
Der Fahrer des Fahrzeuges verfügt über drei gut bekannte Primäreinrichtungen zum Steuern des Getriebes 10. Eine der Primärsteuereinrichtungen ist ein gut bekannter Wählhebel für den Fahrbereich (nicht gezeigt), der die ECU 76 regelt, um das Getriebe entweder für den Park-, Rückwärts-, Leerlauf- oder Vorwärtsfahrbereich anzuordnen. Die zweite und die dritte Primärsteuereinrichtung bilden ein Gaspedal (nicht gezeigt) und ein Bremspedal (ebenfalls nicht gezeigt). Die von der ECU 76 von diesen drei Primärsteuerquellen erhaltene Information wird nachfolgend als „Fahreranforderung" bezeichnet. Die ECU 76 erhält auch Information von dem ersten und dem zweiten Motor/Generator 56 bzw. 72 wie auch von dem Motor 14 und der elektrischen Speichereinrichtung 84. In Ansprechen auf eine Aktion des Fahrers bestimmt die ECU 76, was erforderlich ist und. manipuliert dann die selektiv betätigten Komponenten des Hybridgetriebes 10 entsprechend, um auf die Fahreranforderung anzusprechen.
Wenn z. B. in der in den 1 und 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform der Fahrer einen Vorwärtsfahrbereich ausgewählt hat und entweder das Gaspedal oder das Bremspedal betätigt, bestimmt die ECU 76, ob das Fahrzeug beschleunigt oder verzögert werden sollte. Die ECU 76 überwacht auch den Zustand der Leistungsquellen und bestimmt den Abtrieb des Getriebes, der erforderlich ist, um die gewünschte Geschwindigkeit der Beschleunigung oder Verzögerung zu bewirken. Unter der Fegelung der ECU 76 ist das Getriebe in der Lage, einen Bereich von Abtriebsdrehzahlen von langsam bis schnell bereitzustellen, um die Fahreranforderung zu erfüllen.
Um eine vollständige Erklärung in Bezug auf den Betrieb eines die Konzepte der vorliegenden Erfindung enthaltenden Getriebes bereitzustellen, wird eine Beschreibung von den Betriebsarten, die zum Erreichen der notwendigen Abtriebsleistung und -drehzahlen verwendet werden, um die Fahreranforderung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu erfüllen, in Bezug auf die erste der bevorzugten Ausführungsformen bereitgestellt. Als solches beschreibt die nachstehende Beschreibung die Betriebszustände bei voller Leistung des bestimmten durch die Bezugsziffer 10 bezeichneten Getriebes. Sobald die Gesamtkonzepte, wie diese bevorzugte Ausführungsform arbeitet, verstanden sind, ist ferner zu erkennen, dass diese gleichen Konzepte in gleicher Weise auf die einzige alternative Ausführungsform, deren Aufbau nachstehend beschrieben wird, anzuwenden sind.
Das Getriebe 10 ist also ein elektromechanisches Compound-Split-Fahrzeuggetriebe mit zwei Betriebsarten. Mit anderen Worten, das Abtriebselement 64 empfängt Leistung durch zwei unterschiedliche Zahnradsätze innerhalb des Getriebes 10. Ein/e erste/r Betriebsart oder Zahnradsatz wird ausgewählt, wenn die Drehmomentübertragungseinrichtung 70 betätigt wird, um das äußere Zahnradelement 46 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 zu „erden". Ein/e zweite/r Betriebsart, oder Zahnradsatz, wird ausgewählt, wenn die Drehmomentübertragungseinrichtung 70 gelöst ist und die Drehmomentübertragungseinrichtung 62 gleichzeitig betätigt wird, um die Welle 60 mit dem Träger 52 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 zu verbinden.
Für den Fachmann wird einzusehen sein, dass die ECU 76 dazu dient, einen Bereich von Abtriebsdrehzahlen von relativ langsam zu relativ schnell innerhalb jeder Betriebsart bereitzustellen. Diese Kombination von zwei Betriebsarten mit einem langsamen bis schnellen Abtriebsdrehzahlbereich in jeder Betriebsart lässt zu, dass das Getriebe 10 ein Fahrzeug von einem stationären Zustand auf Fahrgeschwindigkeiten antreibt und dabei die weiteren Ziele der Erfindung erfüllt. Darüber hinaus koordiniert die ECU 76 den Betrieb des Getriebes 10 derart, dass synchronisierte Umschaltungen zwischen den Betriebsarten möglich sind. Wie angemerkt wird der Betrieb der bevorzugten Ausführungsform in Bezug auf einen Betrieb bei voller Leistung insofern beschrieben, als dieser Ansatz die allgemeinen Betriebskonzepte vollständig beschreibt.
I. Erste Betriebsart
Bei der ersten Betriebsart und wenn die ECU 76 bestimmt hat, dass der Fahrer sich von einem stationären Zustand vorwärts bewegen und beschleunigen möchte, wird die Drehmomentübertragungseinrichtung 20 wirksam in Eingriff gebracht, um den Motor 14 mit dem Hybridgetriebe 10 zu verbinden und die Drehmomentübertragungseinrichtung 20 bleibt angelegt, während das Fahrzeug sich durch einen nachfolgend genauer beschriebenen Drehzahlbereich vorwärts bewegt. Die Drehmomentübertragungseinrichtung 62 ist nicht angelegt und bleibt außer Eingriff. In dieser Situation bringt der Motor 14 Antriebsleistung auf das äußere Zahnradelement 30 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 24 auf, so dass sich das äußere Element 30 in Übereinstimmung mit dem Antriebselement 12 (und somit dem Motor 14) dreht. Der erste Motor/Generator 56 dreht gleichzeitig das innere Zahnradelement 32 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 24 und das äußere Zahnradelement 38 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 26 in der gleichen Richtung und treibt somit den Träger 36 in der gleichen Richtung an, was eine Drehung des inneren Zahnradelements 40 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 24 in der entgegengesetzten Richtung bewirkt.
Der zweite Motor/Generator 72 arbeitet während der ersten Betriebsart als ein Motor, und als solcher treibt der Motor/Generator 72 eine Hohlwelle 66 in jener Richtung an, die das innere Zahnradelement 48 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 derart dreht, dass die Planetenräder 50 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 gegen das äußere Zahnradelement 46 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 drehen. Das äußere Zahnradelement 46 ist dadurch, dass es geerdet wurde, fixiert, so dass der Träger 52 das Abtriebselement 64 in der Richtung, antreibt die erforderlich ist, um eine Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges zu bewirken.
Die durch Drehung des als ein Motor arbeitenden zweiten Motor/Generators 72 bewirkte Drehung der Hohlwelle 66 dreht auch das innere Zahnradelement 38 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 26. Da die Drehmomentübertragungseinrichtung 62 außer Eingriff bleibt, sind die Träger 36 und 44 der ersten und zweiten Planetenrad-Teilsätze 24 bzw. 26 frei drehbar, aber nur in Übereinstimmung insofern als die beiden Träger 36 und 44 verbunden sind. Als ein Ergebnis zwingen die durch den Motor 14 bewirkte Drehung des äußeren Zahnradelementes 30 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 24 und die durch den zweiten Motor/Generator 72 bewirkte Drehung des inneren Zahnradelements 40 das innere Zahnradelement 32 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 24 und das damit verbundene äußere Zahnradelement 38 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 26 dazu, den ersten Motor/Generator 56 in diese Richtung und mit dieser Geschwindigkeit anzutreiben, was bewirkt, dass der erste Motor/Generator 56 zumindest zu Beginn als ein Generator dient.
Unter Bezugnahme auf 5 ist die Kurve 22 der Plot der Motordrehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min) gegen die Geschwindigkeit in Meilen pro Stunde (MPH) des Fahrzeuges, in dem der Motor 14 und das Hybrid getriebe 10 eingebaut sind. Es wird zu erkennen sein, dass die Kurve 22 zur Einfachheit nicht durch sichtbare Plotpunkte unterbrochen ist. Die Kurve 90 ist der Plot der Drehzahl (U/min) des ersten Motor/Generators 56, ebenfalls relativ zu der Geschwindigkeit (MPH) des Fahrzeuges. Diese Kurve ist einfach durch die Tatsache unterscheidbar, dass die Plotpunkte als kleine Quadrate erscheinen. Die Kurve 92 ist der Plot der Drehzahl (U/min) des zweiten Motor/Generators 72 relativ zu der Geschwindigkeit (MPH) des Fahrzeuges. Diese Kurve ist einfach durch die Tatsache unterscheidbar, dass die Plotpunkte als kleine Kreise erscheinen.
Die erste Betriebsart des Getriebes 10 erstreckt sich von der Abszisse, die die Motordrehzahl (U/min) bezeichnet, zu der Linie 94, die parallel zu der Abszisse gezogen ist und die das Umschalten des Betriebes des Getriebes 10 von der ersten Betriebsart zu der zweiten Betriebsart definiert. In der beschriebenen repräsentativen Ausführungsform erstreckt sich die erste Betriebsart von dem ruhenden Fahrzeug zu einer Vorwärtsgeschwindigkeit in der Größenordnung von ca. 21 MPH. Bei Geschwindigkeiten von mehr als etwa 21 MPH arbeitet das Getriebe in der zweiten Betriebsart.
Wie vorstehend angemerkt arbeitet der zweite Motor/Generator über die gesamte erste Betriebsart – d. h. von Null bis ca. 21 MPH, als ein Motor. Der erste Motor/Generator 56 arbeitet jedoch als ein Generator bis ca. 16 MPH – dargestellt durch den Plotpunkt 96 auf der Kurve 90 – und arbeitet danach als ein Motor innerhalb der ersten Betriebsart. Der vorstehend erwähnte Übergang im Betrieb des ersten Motor/Generators 56 ist das Ergebnis der Anzahl der Zähne an den verschiedenen Zahnrädern innerhalb der Planetenrad-Teilsätze, die bewirken, dass sich die Geschwindigkeiten der beiden Motor/Generatoren bei verschiedenen Betriebsgeschwindigkeiten des Fahrzeugs umkehren.
Wenn jemand die hierin beschriebenen Ergebnisse wiederholen möchte: Die äußeren Zahnradelemente 30 und 38 in jedem der ersten und zweiten Planetenrad-Teilsätze 24 und 26 weisen 115 Zähne auf, und die inneren Zahnradelemente 32 und 40 in jedem der ersten und zweiten Planetenrad-Teilsätze 24 und 26 weisen 65 Zähne auf. Das äußere Zahnradelement 46 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 weist 132 Zähne auf, und das innere Zahnradelement 48 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 28 weist 42 Zähne auf. Mit dem soweit beschriebenen Aufbau des Getriebes 10 und mit der vorstehend erwähnten Anzahl von Zähnen an den inneren und den äußeren Zahnradelementen stellt das Getriebe einen mechanischen Punkt bereit, während es in der ersten Betriebsart arbeitet. Das heißt, der erste Motor/Generator 56 weist bei etwa 18 MPH eine Drehzahl von Null auf, wie durch den Plotpunkt 98 an der Kurve 90 dargestellt ist.
Um die Beschreibung des Betriebes des Motor/Generators in der beschriebenen beispielhaften Umgebung abzuschließen, ist der Betrieb des Getriebes in der zweiten Betriebsart zu beachten.
II Zweite Betriebsart
Der Übergang von der ersten zu der zweiten Betriebsart wird dadurch erreicht, dass die Drehmomentübertragungseinrichtung 70 außer Eingriff gebracht und gleichzeitig die Drehmomentübertragungseinrichtung 62 angelegt wird. Zu Beginn der zweiten Betriebsart geht der erste Motor/Generator 56 von dem Betrieb als ein Motor zu dem Betrieb als ein Generator über. Insofern, als der Übergang des Betriebes des Getriebes 10 in der ersten Betriebsart zu dem Betrieb in der zweiten Betriebsart an der Linie 94 stattfindet, erfolgt der Übergang des ersten Motor/Generators 58 von einem Motor zu einem Generator an Punkt 100 auf der Kurve 90 – der auch den Schnittpunkt der Kurve 92 mit der Linie 94 beschreibt. Der ers te Motor/Generator 56 fährt während des Betriebes des Getriebes 10 in der zweiten Betriebsart fort, als ein Generator zu arbeiten, während die Fahrzeuggeschwindigkeit von etwa 21 MPH auf etwa 25 MPH zunimmt. Bei etwa 25 MPH geht der erste Motor/Generator 56 vom Betrieb als ein Generator zurück zu einem Betrieb als ein Motor über. Dieser Übergang ist als Punkt 102 auf der Kurve 90 dargestellt. Der erste Motor/Generator 56 setzt danach fort, als ein Motor zu arbeiten.
Zu Beginn der zweiten Betriebsart setzt der zweite Motor/Generator 72 fort, als ein Motor zu arbeiten. In der Tat arbeitet der zweite Motor/Generator 72 als ein Motor, bis das Fahrzeug eine Geschwindigkeit von etwa 33,6 MPH erreicht, wie an dem Plotpunkt 102 auf der Kurve 92 dargestellt, an welchem Punkt er zu einem Betrieb als ein Generator übergeht, und setzt danach fort, als ein Generator zu arbeiten.
Mit dem Aufbau des vorstehend beschriebenen Getriebes 10 und mit der vorstehend erwähnten Anzahl von Zähnen an den inneren und äußeren Zahnradelementen stellt das Getriebe 10 zwei mechanische Punkte bereit, während es in der zweiten Betriebsart arbeitet. Das heißt, der erste Motor/Generator 56 weist bei etwa 27 MPH eine Drehzahl von Null auf, wie durch den Punkt 106 auf der Kurve 90 bezeichnet. Zusätzlich weist der zweite Motor/Generator 72 bei etwa 62 MPH eine Drehzahl von Null auf, wie durch den Punkt 108 auf der Kurve 92 dargestellt. Somit stellt das Getriebe 10 in der zweiten Betriebsart zwei mechanische Punkte bereit.
Es sollte einzusehen sein, dass die genaue Position der vorstehend erwähnten mechanischen Punkte nicht nur von der Anzahl der Zähne an den inneren und äußeren Zahnradelementen der Planetenrad-Teilsätze bestimmt ist, sondern auch durch die Drehzahl der Antriebswelle 12. Somit wird mit der für die inneren und äußeren Zahnradelemente offen ge legten Anzahl von Zähnen in der ersten der beispielhaften Ausführungsformen eine Erhöhung in der Geschwindigkeit der Antriebswelle 12 die Positionen der mechanischen Punkte zu höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten hin verschieben und umgekehrt wird eine Verringerung in der Geschwindigkeit des Antriebselements 12 die mechanischen Punkte zu niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten hin verschieben.
II. Rückwärtsbetriebsart
Die Rückwärtsbetriebsart wird bewirkt, indem die ECU 76 den zweiten Motor/Generator 72 als einen Motor betreibt, aber seine Drehrichtung von der Richtung, in der der zweite Motor/Generator 72 dreht, wenn das Fahrzeug beginnt, sich von einer stationären Position in der ersten Betriebsart nach vorne zu bewegen, umgekehrt wird.
IV. Zusammenfassung
Ein elektromechanisches Compound-Split-Getriebe mit zwei Betriebsarten wie durch die Bezugsziffer 10 gekennzeichnet, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung enthält, stellt den gewünschten Wirkungsgrad während eines kontinuierlichen Betriebes des Motors bei konstanter Geschwindigkeit bereit, während es einen einzigen mechanischen Punkt während des Betriebes in der ersten Betriebsart und zwei mechanische Punkte während des Betriebes in der zweiten Betriebsart bereitstellt. Wie durch Kurve 109 in 5 dargestellt, sorgt das Getriebe 10 über seinen gesamten Betriebsbereich für eine kontinuierlich ansteigende Abtriebsdrehzahl. Das vorstehende Getriebe verwendet drei Planetenrad-Teilsätze, um den Betrieb mit zwei Betriebsarten bereitzustellen, wenn es wirksam durch zwei Drehmomentübertragungseinrichtungen gesteuert ist. Darüber hinaus sind die drei Planetenrad-Teilsätze 24, 26 und 28 sowie die beiden Mo tor/Generatoren 56 und 72 koaxial angeordnet, wobei der kreisringförmige Motor/Generator 56 und 72 die drei Planetenrad-Teilsätze 24, 26 und 28 umgibt, um die notwendige Umhüllende, d. h., die Umfangsabmessung des Getriebes zu minimieren.
Alternative Ausführungsform
Eine alternative Ausführungsform eines elektromechanischen Compound-Split-Getriebes mit zwei Betriebsarten, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung enthält, ist in 6 der beiliegenden Zeichnungen allgemein mit der Bezugsziffer 210 bezeichnet. Unter nachfolgender besonderer Bezugnahme auf 6 weist das Hybridgetriebe 210 ein Antriebselement 212 auf, das von einem Motor 214 direkt angetrieben wird. In der alternativen Ausführungsform kann der Motor 214 ebenso ein Motor für fossile Brennstoffe wie z. B. ein Dieselmotor sein, der einfach derart angepasst ist, dass er seine bei einer konstanten Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) abgegebene verfügbare Leistungsabgabe bereitstellt. Bei der alternativen Ausführungsform, auf die 6 gerichtet ist, kann der Motor 214 nach dem Starten und während des Großteils seines Antriebes bei einer konstanten Drehzahl von z. B. ca. 2000 U/min arbeiten. Die Antriebswelle 212 kann ebenfalls selektiv mit dem Hybridgetriebe 210 verbunden sein, aber, wie gezeigt, kann das Antriebselement 212 auch das Antriebselement des Motors 214 sein.
Das Hybridgetriebe 210 verwendet drei Planetenrad-Teilsätze 224, 226 und 228. Die ersten und zweiten Planetenrad-Teilsätze 224 und 226 sind als ein Ravigneaux-Paar verbunden. Das heißt, die Planetenrad-Teilsätze 224 und 226 teilen sich ein äußeres Zahnradelement 230, allgemein als das gemeinsame Hohlrad bezeichnet, welches ein inneres Zahnradelement 232 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 224 wie auch ein inneres Zahnrad element 240 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 226 umgibt, die jeweils allgemein als Sonnenräder bezeichnet werden.
Eine Vielzahl von „langen" Planetenradelementen 234 ist derart drehbar an einem Träger 236 montiert, dass jedes lange Planetenradelement 234 kämmend mit dem gemeinsamen äußeren Zahnradelement 230 wie auch mit einer Vielzahl von „kurzen" Planetenradelementen 242 in dem ersten Planetenrad-Teilsatz 224, die ebenfalls drehbar an dem gemeinsamen Träger 236 montiert sind, in Eingriff steht. Die langen Planetenräder 234 stehen auch kämmend mit dem inneren Zahnradelement 240 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 226 in Eingriff, während die kurzen Planetenräder kämmend nicht nur mit den langen Planetenrädern 234 sondern auch mit dem inneren Zahnradelement 232 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 224 in Eingriff stehen.
Der dritte Planetenrad-Teilsatz 228 weist ebenfalls ein äußeres Zahnradelement 246 auf, allgemein als das Hohlrad bezeichnet, das ein inneres Zahnradelement 248, allgemein als das Sonnenrad bezeichnet, umgibt. Eine Vielzahl von Planetenradelementen 250 ist derart drehbar an einem Träger 252 montiert, dass jedes Planetenrad 250 kämmend sowohl mit dem äußeren Zahnradelement 246 als auch mit dem inneren Zahnradelement 248 in Eingriff steht.
Die Planetenrad-Teilsätze 224, 226 und 228 sind ferner insofern verbunden, als der gemeinsame Träger 236 der ersten und zweiten Planetenrad-Teilsätze 224 und 226 durch eine Welle 260 mit dem Träger 252 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 228 verbunden ist. Als solche sind die Träger aller drei Planetenrad-Teilsätze 224, 226 bzw. 228, d. h., der gemeinsame Träger 236 der ersten und zweiten Planetenrad-Teilsätze 224 und 226 sowie der Träger 252 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 228 miteinander verbunden. Das innere Zahnradelement 240 des zweiten Planetenrad-Teilsatzes 226 ist durch eine Hohlwelle 258, die an der Abtriebsnabe 259 des ersten Motor/Generators 256 befestigt ist, kontinuierlich mit einem ersten Motor/Generator 256 verbunden. Wie gezeigt umgibt die Hohlwelle 258 die Welle 260 koaxial.
Es ist ersichtlich, dass der gemeinsame Träger 236 durch eine Drehmomentübertragungseinrichtung 262 selektiv mit der Welle 260 verbunden ist, die, wie nachfolgend genauer erklärt wird, verwendet wird, um bei der Auswahl der Betriebsarten des Hybridgetriebes 210 zu helfen. Es sollte auch erwähnt werden, dass eine axiale Erweiterung 264 der Welle 260 das Abtriebselement des Getriebes 210 bilden kann. Wenn das Hybridgetriebe 210 in einem Landfahrzeug verwendet wird, kann das Abtriebselement – in der Art der axialen Erweiterung 264 – mit den Fahrzeugachsen (nicht gezeigt) verbunden sein, die wiederum in den Antriebsrädern (auch nicht gezeigt) enden können. Die Antriebsräder können entweder Vorder- oder Hinterräder des Fahrzeuges, an dem sie verwendet werden, sein, oder können das Antriebszahnrad eines Kettenfahrzeuges sein.
Das innere Zahnradelement 232 des ersten Planetenrad-Teilsatzes 224 ist mit dem inneren Zahnradelement 248 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 228 durch eine Hohlwelle 266 verbunden, die die Welle 260 umgibt und radial innen in Bezug auf die Hohlwelle 258 angeordnet ist. Die Hohlwelle 266 ist auch kontinuierlich mit der Abtriebsnabe 271 eines zweiten Motor/Generators 272 verbunden. Das äußere Zahnradelement 246 des dritten Planetenrad-Teilsatzes 228 ist durch eine Drehmomentübertragungseinrichtung 270 selektiv mit Fahrzeugmasse, gebildet durch das Getriebegehäuse 268, verbunden. Die Drehmomentübertragungseinrichtung 270 wie nachfolgend ebenfalls erklärt ist, wird auch verwendet, um bei der Auswahl der Betriebsarten des Hybridgetriebes 210 zu helfen.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung und unter besonderer Bezugnahme auf 6 ersichtlich sein sollte, empfängt das Getriebe 210 selektiv Leistung von dem Motor 214. Wie nun erklärt wird, empfängt das Hybridgetriebe auch Leistung von einer elektrischen Speichereinrichtung 274. Die elektrische Speichereinrichtung 274 kann/können ein oder mehrere Akkumulatoren sein. Weitere elektrische Speichereinrichtungen, die die Fähigkeit besitzen, elektrische Leistung zu speichern und elektrische Leistung abzugeben, können an Stelle der Akkumulatoren verwendet werden, ohne die Konzepte der vorliegenden Erfindung abzuwandeln. Wie in Verbindung mit der Beschreibung des Motors 214 und des Motor/Generators 256 und 272 erklärt wurde, ist in gleicher Weise einzusehen, dass auch die PS-Leistung der elektrischen Speichereinrichtung 274 für die Erfindung nicht kritisch ist.
Die elektrische Speichereinrichtung 274 steht mit einer elektrischen Steuereinheit (ECU) 276 durch Übertragungsleitungen 278A und 278B in Verbindung. Die ECU 276 steht mit dem ersten Motor/Generator 256 durch Übertragungsleitungen 278C und 278D in Verbindung und die ECU 276 steht in gleicher Weise mit dem zweiten Motor/Generator 272 durch Übertragungsleitungen 278E und 278F in Verbindung.
Ein Antriebszahnrad 280 kann von dem Antriebselement 212 präsentiert werden. Wie dargestellt verbindet das Antriebszahnrad 280 das Antriebselement 212 fest mit dem gemeinsamen äußeren Zahnradelement 230 der miteinander verbundenen ersten und zweiten Planetenrad-Teilsätze 224 und 226, und das Antriebszahnrad 280 empfängt daher Leistung von dem Motor 214 und/oder dem Motor/Generator 256 und/oder 272. Das Antriebszahnrad steht kämmend mit einem Zwischenrad 282 in Eingriff, welches wiederum mit einem an einem Ende einer Welle 286 befestigten Verteilerzahnrad 284 in Eingriff steht. Das andere Ende der Welle 286 kann mit einer Getriebeölpumpe und/oder Nebenantriebs-Einheit, entweder einzeln oder kollektiv bei 288 bezeichnet, befestigt sein.
Betrieb der alternativen Ausführungsform
Wie in der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform 10 bestimmt die ECU 276 den Betrieb des Getriebes 210 durch „Fahreranforderung" und die ersten und zweite Betriebsarten können ein Duplikat jener sein, die von dem Getriebe 10 erzielt werden. Das heißt, das in Eingriff setzen der Drehmomentübertragungseinrichtung 270 mit der nicht in Eingriff stehenden Drehmomentübertragungseinrichtung 262 bewirkt den Betrieb in der ersten Betriebsart. Das gleichzeitige in Eingriff setzen der Drehmomentübertragungseinrichtung 262 und außer Eingriff setzen der Drehmomentübertragungseinrichtung 270 bewirkt einen Übergang von dem Betrieb in der ersten Betriebsart zu dem Betrieb in der zweiten Betriebsart. Die alternative Ausführungsform des Getriebes 210 stellt auch einen mechanischen Punkt während des Betriebes in der ersten Betriebsart und zwei mechanische Punkte während des Betriebes in der zweiten Betriebsart bereit.
Diese Ziele werden auch durch ein Getriebe erreicht, das drei Planetenrad-Teilsätze 224, 226 und 228 verwendet, die koaxial in Bezug zueinander wie auch in Bezug auf die beiden Motor/Generatoren 256 und 272 angeordnet sind. Auch hier können der Motor/Generator einen kreisringförmigen Aufbau aufweisen, so dass sie die drei Planetenrad-Teilsätze 224, 226 und 228 umgeben, um die Umhüllende, d. h., die Außenabmessung des Getriebes 210 zu minimieren.
Schlussfolgerung
Während nur eine bevorzugte und eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offen gelegt sind, ist einzusehen, dass die Konzepte der vorliegenden Erfindung zahlreiche für den Fachmann offenkundige Änderungen zulassen. Daher soll der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht durch die gezeigten und beschriebenen Details begrenzt sein, sondern soll alle Variationen und Abwandlungen, die innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche liegen, umfassen.
Es sollte nun ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht nur lehrt, dass ein Getriebe, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung enthält, in der Lage ist, einen hohen Gesamtwirkungsgrad, insbesondere bei hohen Abtriebsdrehzahlen bereitzustellen, sondern auch, dass in gleicher Weise die weiteren Ziele der Erfindung erreicht werden können.

Claims

Elektromechanisches Compound-Split-Hybridgetriebe mit zwei Betriebsarten, umfassend: ein Antriebselement (12, 212) zur Aufnahme von Leistung von einer Antriebsmaschinen-Leistungsquelle (14, 214); ein Abtriebselement (64, 264) zum Abgeben von Leistung von dem Getriebe (10, 210); einen ersten (56, 256) und einen zweiten (72, 272) Motor/Generator; ein Energiespeichermittel (74, 274) zum Austauschen elektrischer Leistung zwischen dem Speichermittel (74, 274) und dem ersten (56, 256) und dem zweiten (72, 272) Motor/Generator; ein Steuermittel (76, 276) zum Regeln des elektrischen Leistungsaustauschs zwischen dem Energiespeichermittel (74, 274) und dem ersten (56, 256) und dem zweiten (72, 272) Motor/Generator und auch zum Regeln des elektrischen Leistungsaustauschs zwischen dem ersten (56, 256) und dem zweiten (72, 272) Motor/Generator; drei koaxial ausgerichtete Planetenradanordnungen (24, 26, 28, 224, 226, 228); wobei jede Planetenradanordnung (24, 26, 28, 224, 226, 228) erste und zweite Zahnradelemente (30, 32, 38, 40, 46, 48, 230, 232, 240, 246, 248) verwendet; wobei die ersten und zweiten Zahnradelemente (30, 32, 38, 40, 46, 48, 230, 232, 240, 246, 248) jeder Planetenradanordnung (24, 26, 28, 224, 226, 228) kämmend mit einer Vielzahl von Planetenrädern (34, 42, 50, 234, 242, 250) in Eingriff stehen, die an ei nem Träger (36, 44, 52, 236, 252) montiert sind, der in jeder entsprechenden Planetenradanordnung (24, 26, 28, 224, 226, 228) eingebaut ist; wobei der erste (56, 256) und der zweite (72, 272) Motor/Generator koaxial miteinander und mit den drei Planetenradanordnungen (24, 26, 28, 224, 226, 228) ausgerichtet sind; wobei zumindest eines der Zahnradelemente (30, 32, 38, 40, 230, 232, 240) in der ersten oder der zweiten Planetenradanordnung (24, 26, 224, 226) mit dem ersten Motor/Generator (56, 256) verbunden ist; zumindest eines der Zahnradelemente (30, 32, 38, 40, 230, 232, 240) in der ersten oder der zweiten Planetenradanordnung (24, 26, 224, 226) mit dem zweiten Motor/Generator (72, 272) verbunden ist; ein Mittel (60, 260), das dazu dient, die Träger (36, 44, 52, 236, 252), die zu der ersten, der zweiten und der dritten Planetenradanordnung (24, 26, 28, 224, 226, 228) gehören, miteinander und mit dem Abtriebselement (64, 264) zu verbinden; wobei eines der Zahnradelemente (40, 232) der ersten oder der zweiten Planetenradanordnung (24, 26, 224, 226), das nicht mit dem ersten Motor/Generator (56, 256) verbunden ist, kontinuierlich mit einem der Zahnradelemente (48, 248) in der dritten Planetenradanordnung (28, 228) verbunden ist; das andere Zahnradelement (30, 230) der ersten oder der zweiten Planetenradanordnung (24, 26, 224, 226), das nicht mit dem ersten Motor/Generator verbunden ist, wirksam mit dem Antriebselement (12, 212) verbunden ist; und das Zahnradelement (46, 246) der dritten Planetenradanordnung (28, 228), das nicht mit der ersten oder der zweiten Planeten radanordnung (24, 26, 224, 226) verbunden ist, selektiv mit Fahrzeugmasse verbunden ist.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Drehmomentübertragungseinrichtung (62, 262), die selektiv die Planetenräder (50, 250) in der dritten Planetenradanordnung (28, 228) mit den Planetenrädern (34, 42, 234, 242) in der ersten und der zweiten Planetenradanordnung (24, 26, 224, 226) verbindet.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 2, wobei: der erste (56, 256) und der zweite (72, 272) Motor/Generator kreisringförmig die koaxial angeordneten Planetenradanordnungen (24, 26, 28, 224, 226, 228) umgeben.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 3, wobei: die Planetenradanordnungen (24, 26, 28, 224, 226, 228) radial innen in Bezug auf den ersten (56, 256) und den zweiten (72, 272) Motor/Generator angeordnet sind.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei: die Planetenräder (34, 42, 234, 242) in der ersten und der zweiten Planetenradanordnung (24, 26, 224, 226) selektiv mit den Planetenrädern (50, 250) in der dritten Planetenradanordnung (28, 228) verbunden sind; die Planetenräder (50, 250) in der dritten Planetenradanordnung (28, 228) kontinuierlich mit dem Abtriebselement (64, 264) verbunden sind.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Drehmomentübertragungseinrichtung (20), die selektiv das Antriebselement (12) mit dem Motor (14) verbindet.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen einzigen Träger (236), der die Planetenräder (234, 242) der ersten und der zweiten Planetenradanordnung (224, 226) drehbar lagert; und eine Drehmomentübertragungseinrichtung (262), die den einzigen Träger (236) selektiv mit dem Abtriebselement (264) verbindet.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 7, wobei: das Zahnradelement (230) in der ersten und der zweiten Planetenradanordnung (224, 226), das kämmend mit den Planetenrädern (234, 242) der ersten und der zweiten Planetenradanordnung (224, 226) in Eingriff steht, ein einziges Hohlrad ist.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 8, wobei: das einzige Hohlrad (230) wirksam mit dem Antriebselement (212) verbunden ist; und die Zahnradelemente (232, 240) der ersten und der zweiten Planetenradanordnung (224, 226), die nicht mit dem Antriebselement (212) verbunden sind, Sonnenräder sind.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 9, wobei: das Zahnradelement (248) der dritten Planetenradanordnung (228), das nicht selektiv mit Fahrzeugmasse verbunden ist, ein Sonnenrad ist; und das Sonnenrad (232) in der ersten Planetenradanordnung (224) kontinuierlich mit dem Sonnenrad (240) in der zweiten Planetenradanordnung (226) verbunden ist.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei jede der drei Planetenradanordnungen (24, 26, 28) ein einfacher Planetenradsatz mit einem Hohlrad (30, 38, 46), einem Sonnenrad (32, 40, 48) und einer eine Vielzahl von Planetenrädern (34, 42, 50) drehbar lagernden Planetenträgeranordnung (36, 44, 52) ist.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 11, ferner umfassend: dass das Hohlrad (30) des ersten Planetenradsatzes (24) wirksam mit dem Antriebselement (12) verbunden ist; das Hohlrad (38) des zweiten Planetenradsatzes (26) wirksam mit dem ersten Motor/Generator (56) und dem Sonnenrad (32) des ersten Planetenradsatzes (24) verbunden ist; das Sonnenrad (40) des zweiten Planetenradsatzes (26) kontinuierlich mit dem zweiten Motor/Generator (72) sowie mit dem Sonnenrad (48) des dritten Planetenradsatzes (28) verbunden ist; das Hohlrad (46) des dritten Planetenradsatzes (28) selektiv mit Fahrzeugmasse verbunden ist; die Planetenträgeranordnung (36) des ersten Planetenradsatzes (24) kontinuierlich mit der Planetenträgeranordnung (44) des zweiten Planetenradsatzes (26) verbunden ist; die Planetenträgeranordnung (44) des zweiten Planetenradsatzes (26) selektiv mit der Planetenträgeranordnung (52) des dritten Planetenradsatzes (28) verbindbar ist; und die Planetenträgeranordnung (52) des dritten Planetenradsatzes (28) kontinuierlich mit dem Abtriebselement (64) verbunden ist.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 7, ferner umfassend: dass das Hohlrad (230) des ersten Planetenradsatzes (242) wirksam mit dem Antriebselement (212) verbunden ist; das Sonnenrad (248) des dritten Planetenradsatzes (228) wirksam mit dem zweiten Motor/Generator (272) und dem Sonnenrad (232) des ersten Planetenradsatzes (224) verbunden ist; das Sonnenrad (240) des zweiten Planetenradsatzes (226) kontinuierlich mit dem ersten Motor/Generator (256) verbunden ist; das Zahnradelement (246) des dritten Planetenradsatzes (228) ein Hohlrad ist und selektiv mit Fahrzeugmasse verbindbar ist; die Planetenträgeranordnung (236) des ersten Planetenradsatzes (224) kontinuierlich mit der Planetenträgeranordnung (236) des zweiten Planetenradsatzes (226) verbunden ist; die Planetenträgeranordnung (236) des zweiten Planetenradsatzes (226) selektiv mit der Planetenträgeranordnung (252) des dritten Planetenradsatzes (228) verbindbar ist; und die Planetenträgeranordnung (252) des dritten Planetenradsatzes (228) kontinuierlich mit dem Abtriebselement (264) verbunden ist.