HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
Brennkraftmaschinen,
vor allem jene des Typs mit sich hin und her bewegendem Kolben,
treiben gegenwärtig
die meisten Fahrzeuge an. Solche Verbrennungsmotoren sind relativ
effiziente, kompakte, leichtgewichtige und preiswerte Mechanismen,
durch die hoch konzentrierte Energie in Form von Kraftstoff in mechanische
Nutzleistung umgewandelt wird. Ein neuartiges Kraftübertragungssystem,
das zusammen mit Brennkraftmaschinen verwendet werden kann und den
Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen senken kann, kann
allgemein von großem
Nutzen sein.
Die
sehr unterschiedlichen Anforderungen, die Fahrzeuge typisch an Brennkraftmaschinen
stellen, erhöhen
den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen über den Idealfall für solche
Verbrennungsmotoren hinaus. Typisch wird ein Fahrzeug durch einen Verbrennungsmotor
angetrieben, der aus einem kalten Zustand heraus durch einen kleinen
Elektromotor und relativ kleine elektrische Speicherbatterien gestartet
wird und dann schnell unter die Lasten von der Antriebs- und Hilfseinrichtung
gesetzt wird. Ein solcher Verbrennungsmotor wird außerdem über einen weiten
Drehzahlbereich und über
einen weiten Lastbereich und typisch bei einem Mittelwert von etwa
einem Fünftel
seiner Höchstleistung
betrieben.
Ein
Fahrzeuggetriebe liefert typisch mechanische Leistung von einem
Verbrennungsmotor an das restliche Antriebssystem wie etwa ein festes Achsgetriebe,
Achsen und Räder.
Ein typisches mechanisches Getriebe erlaubt beim Verbrennungsmotorbetrieb
einen gewissen Freiheitsgrad, gewöhnlich durch alternative Wahl
von fünf
oder sechs verschiedenen Antriebsverhältnissen, durch eine Neutral-Wahl,
die dem Verbrennungsmotor bei stillstehendem Fahrzeug das Betreiben
von Hilfseinrichtungen gestattet, und durch Kupplungen oder einen Drehmomentwandler
zugunsten von sanften Übergängen zwischen
den Gängen
und zum Starten des Fahrzeugs aus dem Stillstand heraus bei laufendem Verbrennungsmotor.
Die Getriebegangwahl ermöglicht
typisch die Abgabe von Leistung vom Verbrennungsmotor an das übrige Antriebssystem
bei einem Drehmomentvervielfachungs-Drehzahlreduktions-Verhältnis, bei
einem Drehmomentreduktions-Drehzahlvervielfachungs-Verhältnis, das
als Schon- oder Schnellgang bekannt ist, oder bei einem Rückwärtsfahrt-Verhältnis.
Ein
Gleichstrom-Generator kann mechanische Leistung vom Verbrennungsmotor
in elektrische Leistung umwandeln, während ein Elektromotor diese
elektrische Leistung bei verschiedenen Drehmomenten und Drehzahlen
wieder in mechanische Leistung für
das restliche Fahrzeugantriebssystem umwandeln kann. Diese Anordnung
ermöglicht
eine stufenlose Veränderung
des Drehmoment-Drehzahl-Verhältnisses
zwischen dem Verbrennungsmotor und dem übrigen Antriebssystem innerhalb
der Grenzen der elektrischen maschinellen Einrichtung. Dieser Anordnung
kann eine als Quelle von Leistung für den Antrieb verwendete elektrische
Speicherbatterie hinzugefügt
werden, wodurch ein elektrisches Reihenhybrid-Antriebssystem gebildet
ist.
Das
Reihenhybridsystem ermöglicht
einen Betrieb des Verbrennungsmotors mit einer gewissen Unabhängigkeit
von dem Drehmoment, der Drehzahl und der zum Antreiben eines Fahrzeugs
erforderlichen Leistung, so dass der Verbrennungsmotor zugunsten
verbesserter Emissionen und eines höheren Wirkungsgrads gesteuert
werden kann. Dieses System ermöglicht
das Anbringen der elektrischen Maschine am Verbrennungsmotor, um
als Motor zum Starten des Verbrennungsmotors zu dienen. Dieses System
ermöglicht
auch das Anbringen der elektrischen Maschine am übrigen Antriebsstrang, um als Generator
zu dienen, der aus dem Verzögern
des Fahrzeugs durch regeneratives Bremsen Energie in die Batterie
zurückspeist.
Ein Reihenelektroantrieb leidet unter dem Gewicht und den Kosten
einer elektrischen maschinellen Einrichtung, die ausreichend ist,
um die gesamte Verbrennungsmotorleistung im Generator von mechanisch
in elektrisch und im Antriebsmotor von elektrisch in mechanisch
umzuwandeln, sowie an den Nutzenergieverlusten bei diesen Umwandlungen.
Um
ein stufenlos verstellbares Drehmoment-Drehzahl-Verhältnis zwischen
Eingang und Ausgang zu erzielen, kann ein Getriebe mit Leistungsaufteilung
das anwenden, was gewöhnlich
als "differentielle
oder ausgleichende Getriebeabstufung" bezeichnet wird. Ein elektrisch verstellbares Getriebe kann
eine differentielle Getriebeabstufung anwenden, um einen Anteil
seiner übertragenen Leistung
durch ein Elektromotor/Generator-Paar zu schicken. Der Rest seiner
Leistung fließt über einen anderen,
parallelen Pfad, der insgesamt mechanisch und direkt ist und mit
einer festen Übersetzung
oder alternativ wählbar
ist.
Eine
Form des Ausgleichsgetriebes kann ein Planetenradsatz bilden, wie
einem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt ist. Ein Planetengetriebe
ist gewöhnlich
die bevorzugte Ausführungsform,
die bei Erfindungen von Ausgleichsgetrieben verwendet wird, wobei
die Vorteile in der Kompaktheit und den verschiedenen Drehmoment-Drehzahl-Verhältnissen zwischen
allen Elementen des Planetenradsatzes liegen. Jedoch ist es möglich, diese
Erfindung ohne Planetengetriebe zu konstruieren, etwa durch Verwendung
von Kegelrädern
oder anderen Zahnrädern in
einer Anordnung, bei der die Umdrehungsgeschwindigkeit wenigstens
eines Elements eines Zahnradsatzes stets auf einen gewichteten Mittelwert von
Drehzahlen zweier anderer Elemente festgelegt wird.
Ein
Hybrid-Elektrofahrzeug-Kraftübertragungssystem
umfasst außerdem
eine oder mehrere Speichervorrichtungen für elektrische Energie. Die typische
Vorrichtung ist eine chemisch-elektrische Speicherbatterie, jedoch
können
auch kapazitive oder mechanische Vorrichtungen wie etwa ein elektrisch
angetriebenes Schwungrad umfasst sein. Das Speichern von elektrischer
Energie ermöglicht
das Abweichen der mechanischen Ausgangsleistung vom Kraftübertragungssystem
zum Fahrzeug von der mechanischen Eingangsleistung vom Verbrennungsmotor
zum Kraftübertragungssystem.
Die Batterie oder andere Vorrichtung ermöglicht außerdem ein Verbrennungsmotorstarten
mit dem Kraftübertragungssystem
und ein regeneratives Fahrzeugbremsen.
Ein
elektrisch verstellbares Getriebe in einem Fahrzeug kann schlicht
mechanische Leistung von einem Verbrennungsmotoreingang zu einem Achsantriebsausgang übertragen.
Dazu gleicht die durch einen Motor/ Generator erzeugte elektrische Leistung
die elektrischen Verluste und die durch den anderen Motor/Generator
verbrauchte elektrische Leistung aus. Ein hybrides elektrisch verstellbares Kraftübertragungssystem
in einem Fahrzeug umfasst eine elektrische Speicherbatterie, so
dass die durch einen Motor/Generator erzeugte elektrische Leistung größer oder
kleiner als die durch den anderen verbrauchte elektrische Leistung
sein kann. Die elektrische Leistung von der Batterie kann es manchmal
ermöglichen,
dass beide Motoren/Generatoren als Motoren arbeiten, um speziell
den Verbrennungsmotor bei der Fahrzeugbeschleunigung zu unterstützen. Beide
Motoren können
manchmal als Generatoren arbeiten, um speziell beim regenerativen
Fahrzeugbremsen die Batterie wieder aufzuladen.
Ein
erfolgreicher Ersatz für
das Reihenhybridgetriebe ist das nun für Transportbusse geschaffene
elektrisch verstellbare Getriebe mit zwei Bereichen, Eingangsaufteilung
und Verbundaufteilung. Ein solches Getriebe verwendet ein Eingabemittel,
um Leistung vom Fahrzeugverbrennungsmotor zu empfangen, und ein
Leistungsabgabemittel, um Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs abzugeben.
Ein erster und ein zweiter Motor/Generator sind mit einer Energiespeichervorrichtung
wie etwa einer Batterie verbunden, damit die Energiespeichervorrichtung
Leistung von dem ersten und dem zweiten Motor/Generator aufnehmen
kann und diesen Leistung zuführen kann.
Eine Steuereinheit regelt den Leistungsfluss zwischen der Energiespeichervorrichtung
und den Motoren/Generatoren sowie zwischen dem ersten und dem zweiten
Motor/Generator.
Der
Betrieb in der ersten oder der zweiten Betriebsart mit variablem Übersetzungsverhältnis kann
durch Verwendung von Kupplungen in Form ei ner ersten und einer zweiten
Drehmomentübertragungsvorrichtung
selektiv erreicht werden. In der ersten Betriebsart wird durch das
Einrücken
der ersten Kupplung ein Eingangsleistungsaufteilungs-Übersetzungsverhältnisbereich
gebildet, wobei die Ausgangsdrehzahl des Getriebes zur Drehzahl
eines Motors/Generators proportional ist. In der zweiten Betriebsart
wird durch das Einrücken
der zweiten Kupplung ein Verbundleistungsaufteilungs-Übersetzungsverhältnisbereich
gebildet, wobei die Ausgangsdrehzahl des Getriebes zu keiner der
Drehzahlen der beiden Motoren/Generatoren proportional ist, sondern
eine algebraische lineare Kombination aus den Drehzahlen der zwei
Motoren/Generatoren ist. Der Betrieb bei einem festen Getriebeübersetzungsverhältnis kann
selektiv durch das Einrücken
beider Kupplungen erreicht werden. Der Betrieb des Getriebes in
einer Neutral-Betriebsart kann durch Ausrücken beider Kupplungen und
Entkoppeln des Verbrennungsmotors und beider Elektromotoren/Generatoren
vom Getriebeausgang selektiv erreicht werden.
Das
elektrisch verstellbare Getriebe mit zwei Bereichen, Eingangsaufteilung
und Verbundaufteilung kann mit zwei Planetenradsätzen oder mit drei Planetenradsätzen konstruiert
sein. Außerdem
können
manche Ausführungsformen
drei Drehmomentübertragungsvorrichtungen
verwenden -zwei zum Wählen
der gewünschten
Betriebsart für
das Getriebe und die dritte selektiv zum Trennen des Getriebes vom
Verbrennungsmotor. Bei anderen Ausführungsformen können alle
drei Drehmomentübertragungsvorrichtungen
verwendet werden, um die gewünschte
Betriebsart zu wählen.
Das
US-Patent Nr. 6,527,658, erteilt am 4. März 2003 an Holmes u. a. und
gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung übertragen, offenbart ein elektrisch
verstellbares Getriebe, das zwei Planetenradsätze, zwei Motoren/Generatoren
und zwei Kupplungen verwendet, um Eingangsauftei lungs-, Verbundaufteilungs-,
Neutral- und Rückwärtsfahrt-Betriebsarten
bereitzustellen. Beide Planetenradsätze können einfach sein oder individuell
zusammengesetzt sein. Ein elektrisches Steuerelement regelt den
Leistungsfluss zwischen einer Energiespeichervorrichtung und den
zwei Motoren/Generatoren. Dieses Getriebe stellt zwei Betriebsbereiche
oder Betriebsarten eines elektrisch verstellbaren Getriebes (ETV)
bereit, die selektiv einen Eingangsleistungsaufteilungs-Übersetzungsverhältnisbereich
und einen Verbundleistungsaufteilungs-Übersetzungsverhältnisbereich
schaffen. Außerdem
kann ein festes Übersetzungsverhältnis selektiv
erreicht werden.
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
Die
vorliegende Erfindung übertrifft
die oben genannten Getriebe des Standes der Technik, indem sie zusätzliche
Kupplungen bereitstellt, um den Betrieb des Getriebes zu erweitern,
zusätzliche
feste Übersetzungsverhältnisse
zu ermöglichen
und einen zusätzlichen
Verbundleistungsaufteilungs-Übersetzungsverhältnisbereich
zu ermöglichen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem gegebenen Verbrennungsmotor
den größtmöglichen
energetischen Wirkungsgrad bei möglichst
geringen Emissionen zu schaffen. Außerdem sind ein optimales Verhalten, eine
optimale Leistung, eine optimale Packungsgröße und ein optimaler Übersetzungsbereich
für das Getriebe
gesucht.
Ein
festes Übersetzungsverhältnis ist
ein Betriebszustand, in dem die mechanische Leistungseingabe in
das Getriebe mechanisch an den Ausgang übertragen wird und kein Leistungsfluss über die
Motoren/Generatoren notwendig ist. Ein elektrisch verstellbares
Getriebe, das selektiv mehrere feste Übersetzungsverhältnisse
für einen
Betrieb in der Nähe der
vollen Verbrennungsmotorleistung erreichen kann, kann bei gegebener
Höchst leistung
kleiner und leichter sein. Ein Betrieb bei fester Übersetzung
kann außerdem
zu einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch führen, wenn unter Bedingungen
gearbeitet wird, in denen die Motordrehzahl ihrem Optimum nahe kommen
kann, ohne die Motoren/Generatoren zu verwenden.
Im
Vergleich zu elektrisch verstellbaren Getrieben im Stand der Technik
mit nur einer Kupplung für
jeden von zwei Drehzahlbereichen (C1 und C2) reduziert diese Erfindung
den Leistungsfluss über den
elektrischen Pfad und somit die Kosten von elektrischen Komponenten
sowie die Leistungsverluste. Da eine dritte Kupplung (C3) vorgesehen
ist, kann einer der Motoren am Getriebegehäuse verriegelt werden, um zusammen
mit dem Einrücken
von C2 ein zusätzliches
festes Übersetzungsverhältnis bereitzustellen
und ein Fahren bei Hochgeschwindigkeit mit erhöhtem Kraftübertragungswirkungsgrad zu
ermöglichen.
Eine
vierte Kupplung (C4) kann als "Überbrückungskupplung" oder "Direktantriebskupplung" vorgesehen sein,
um die Elemente eines der Planetenradsätze miteinander zu verriegeln.
Diese Kupplung ermöglicht
dem Getriebe das Übertragen
des Drehmoments und der Leistung bei zwei zusätzlichen festen Übersetzungsverhältnissen:
einer niedrigen Übersetzung,
wobei C1 und C4 eingerückt
sind und eine Drehzahlreduktion durch den anderen Planetenradsatz
erfolgt, und einer Direktantriebsübersetzung oder einem Direktgang,
wobei C2 und C4 eingerückt sind.
Die Wirkung der Kupplung C4 ermöglicht
bei diesen festen Übersetzungen
das Übertragen
eines höheren
Drehmoments oder einer höheren
Leistung durch das Getriebe als bei ähnlichen Übersetzungen durch die alleinige
Wirkung der Motoren/Generatoren und der Kupplung C1 oder C2. Die
Kupplung C4 ermöglicht
das Erzielen einer Höchstleistung
zum Transportieren oder Schleppen und Ziehen von schweren Lasten
auf einem Lastkraftwagen oder einem ähnlichen Fahrzeug. Die C4 ermöglicht die
Verwendung von kleineren elektrischen Komponenten bei Hochleistungsmotoren,
einer Kombination, die bei Privat-Lastkraftwagen praktisch sein
kann.
Eine
zusätzliche
vierte Kupplung (C4B) kann hinzugefügt sein, um sechs feste Übersetzungen
bereitzustellen.
Außerdem kann
eine fünfte
Kupplung (C5) hinzugefügt
sein, um den mechanischen Pfad vom Verbrennungsmotor zum Ausgang
zu entkoppeln und das alleinige Einschlagen des elektrischen Pfades
zu ermöglichen.
Plötzliche
und unvorhergesehene Änderungen
der Eingangsdrehzahl wie etwa infolge des Startens oder Anhaltens
des Verbrennungsmotors können
erfolgen, ohne den Ausgang zu stören.
Die Kupplung C5 ermöglicht
einem Motor/Generator, das Fahrzeug vorwärts oder rückwärts anzutreiben, während er
von dem anderen Motor/Generator und dem Verbrennungsmotor entkoppelt
ist. Wenn der Verbrennungsmotor zum Rückwärtsfahren des Fahrzeugs im
Eingangsaufteilungsbereich verwendet wird, tritt eine Drehmomentgegenreaktion ein,
so dass das Ausrücken
der Kupplung C5 die Fähigkeit
des Fahrzeugs zu einer kontinuierlichen Rückwärtsfahrt verbessert.
Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft wie oben ein neues und
neuartiges elektrisch verstellbares Getriebe, das wesentlich weniger
komplex als die früheren,
herkömmlichen
elektrisch verstellbaren Getriebe ist.
Es
ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie oben ein
neues und neuartiges elektrisch verstellbares Getriebe zu schaffen,
das in Bezug auf frühere,
herkömmliche
elektrisch verstellbare Getriebe unter wesentlicher Kostensenkung
hergestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung kann dies durch
die Verwendung von zusätzlichen
Kupplungen, die bis zu sechs feste Übersetzungsverhältnisse
bereitstellen und daher kleinere elektrische Komponenten gestatten,
und die Verwendung von lediglich zwei Planetenradsätzen, dem
Minimum für eine
Verbundleistungsaufteilung, erreichen.
Diese
und weitere Aspekte der Erfindung sowie deren Vorteile gegenüber gegenwärtigen und
früheren
Formen des Standes der Technik, die angesichts der folgenden genauen
Patentbeschreibung deutlich werden, werden durch Mittel vollbracht,
die im Folgenden beschrieben und beansprucht werden.
Um
eine allgemeine, einführende
Beschreibung zu geben, enthält
ein elektrisch verstellbares Getriebe, das die Konzepte der vorliegenden
Erfindung verkörpert,
ein Eingangselement, das Leistung von einem Verbrennungsmotor empfängt, und
ein Ausgangselement, das Leistung an die Antriebselemente, die das
Fahrzeug antreiben, abgibt. Es gibt einen ersten und einen zweiten
Motor/Generator sowie einen ersten und einen zweiten Planetenradsatz.
Jeder Planetenradsatz hat ein inneres Getriebeelement und ein äußeres Getriebeelement,
die mit mehreren Planetengetriebeelementen, die an einem Träger drehbar
angebracht sind, in Zahneingriff sind. Das Eingangselement ist kontinuierlich
mit einem Element des ersten Planetenradsatzes verbunden, während das
Ausgangselement kontinuierlich mit einem Element des zweiten Planetenradsatzes
verbunden ist. Ein Motor/Generator ist mit einem weiteren Element
im ersten Planetenradsatz kontinuierlich sowie mit einem Element
des zweiten Planetenradsatzes selektiv verbunden. Der zweite Motor/Generator
ist kontinuierlich mit dem verbleibenden Element des zweiten Planetenradsatzes
und kontinuierlich mit dem verbleibenden Element des ersten Planetenradsatzes
verbunden. Alternativ kann der zweite Motor/Generator selektiv mit
dem verbleibenden Element des ersten Planetenradsatzes verbunden
sein.
Eine
erste Drehmomentübertragungsvorrichtung
(C1) verbindet selektiv ein Element des zweiten Planetenradsatzes
mit Masse, während
eine zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung
(C2) dasselbe Element des zweiten Planetenradsatzes mit dem inneren
Getriebeelement des ersten Planetenradsatzes sowie mit dem Rotor
eines Motors/Generators verbindet.
Eine
optionale dritte Drehmomentübertragungsvorrichtung
(C3) verbindet selektiv die verbleibenden Elemente des ersten und
des zweiten Planetenradsatzes und den zweiten Motor/Generator mit Masse.
Alternativ kann die optionale dritte Drehmomentübertragungsvorrichtung (C3)
das verbleibende Element des ersten Planetenradsatzes mit Masse verbinden.
Eine
optionale vierte Drehmomentübertragungsvorrichtung
(C4) verbindet selektiv wenigstens zwei Elemente des Getriebes miteinander,
derart, dass sich die Elemente des ersten Planetenradsatzes gemeinsam
mit der gleichen Geschwindigkeit drehen. Die optionale vierte Drehmomentübertragungsvorrichtung
(C4) kann selektiv ein Element des ersten Teil-Planetengetriebes
mit einem anderen Element des ersten Teil-Planetengetriebes verbinden. Alternativ
kann die optionale Drehmomentübertragungsvorrichtung
(C4) selektiv die verbleibenden Elemente des ersten und des zweiten
Planetenradsatzes mit dem Element des ersten Planetenradsatzes,
das mit dem Eingangselement verbunden ist, verbinden. In einer Ausführungsform
sind beide oben erwähnten
vierten Drehmomentübertragungsvorrichtungen
(C4A und C4B) ausgeführt.
Eine
optionale fünfte
Drehmomentübertragungsvorrichtung
(C5) trennt selektiv das verbleibende Element des ersten Planetenradsatzes
sowohl von dem verbleibenden Element des zweiten Planetenradsatzes
als auch vom zweiten Elektromotor/Generator. Demgemäß kann das
verbleibende Element des ersten Planetenradsatzes je nachdem, ob
die Kupplung C5 vorhanden ist oder nicht, selektiv oder kontinuierlich
sowohl mit dem verbleibenden Element des zweiten Planetenradsatzes
als auch mit dem zweiten Elektromotor/Generator verbunden sein.
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung schafft ein elektrisch verstellbares
Getriebe, das umfasst: ein Eingangselement, das Leistung von einem
Verbrennungsmotor empfängt,
ein Ausgangselement, einen ersten und einen zweiten Motor/Generator
und einen ersten und einen zweiten differentiell übersetzten Planetenradsatz,
wovon jeder ein erstes, ein zweites und ein drittes Getriebeelement
aufweist. Das Eingangselement ist kontinuierlich mit dem ersten
Element des ersten Planetenradsatzes verbunden, während das
Ausgangselement kontinuierlich mit dem ersten Element des zweiten
Planetenradsatzes verbunden ist. Der erste Motor/Generator ist mit
dem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes kontinuierlich
und mit dem zweiten Element des zweiten Planetenradsatzes selektiv
verbunden. Der zweite Motor/Generator ist kontinuierlich mit dem
dritten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden. Eine erste
Drehmomentübertragungsvorrichtung
verbindet selektiv das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes
mit Masse. Eine zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung verbindet
selektiv das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes mit dem
zweiten Element des ersten Planetenradsatzes. Eine dritte Drehmomentübertragungsvorrichtung
verbindet selektiv das dritte Element des ersten Planetenradsatzes
mit Masse. Eine vierte Drehmomentübertragungsvorrichtung verbindet
selektiv das erste oder das zweite Element des ersten Planetenradsatzes
mit dem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes. Eine fünfte Drehmomentübertragungsvorrichtung
verbindet selektiv das dritte Element des ersten Planetenradsatzes
mit dem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes. Die Drehmomentübertragungsvorrichtungen
lassen sich in Kombinationen von zwei oder drei einrücken, um
fünf oder
sechs verfügbare
feste Übersetzungsverhältnisse
bereitzustellen.
Die
ersten, zweiten und dritten Elemente der Planetenradsätze können in
beliebiger Reihenfolge ein Hohlrad, ein Sonnenrad und einen Träger umfassen.
Vorzugsweise umfassen das erste, das zweite und das dritte Element
des ersten Planetenradsatzes ein Hohlrad, ein Sonnenrad bzw. einen
Träger,
während
das erste, das zweite und das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes
einen Träger,
ein Hohlrad bzw. ein Sonnenrad umfassen.
Die
Drehmomentübertragungsvorrichtungen lassen
sich selektiv einrücken,
um nacheinander eine Eingangsaufteilungs-Betriebsart, eine Verbundaufteilungs-Betriebsart
und eine Ausgangsaufteilungs-Betriebsart bereitzustellen, wenn die
Ausgangsdrehzahl des Getriebes ansteigt. Diese Abfolge ist am wünschenswertesten,
da sie Leistungsschleifen minimiert.
Jede
Leistungsaufteilungs-Betriebsart besitzt einen Übersetzungsbereich für den Leistungs-Vorwärtskopplungsbetrieb
und einen oder mehrere Übersetzungsbereiche
für den
Leistungsschleifenbetrieb. Im Leistungs-Vorwärtskopplungsbetrieb,
der erwünscht
ist, fließt
die Leistung in den Elektromotoren/Generatoren in der Richtung vom Eingang
zum Ausgang parallel zum Leistungsfluss durch das Getriebe vom Eingang
zum Ausgang. Im Leistungsschleifenbetrieb, der unerwünscht ist,
fließt die
Leistung in den Elektromotoren/Generatoren in der Richtung vom Ausgang
zum Eingang, derart, dass eine Leistungsschleife gebildet wird und
der Leistungsfluss durch das Getriebe größer als die Eingangsleistung
oder die Ausgangsleistung ist.
Ein
Eingangsaufteilungs-Übersetzungsverhältnisbereich
ist am sinnvollsten bei in Bezug auf die Eingangsdrehzahl niedrigen
Ausgangsdrehzahlen, weil der Eingangsaufteilungsbereich einen Leistungs-Vorwärtskopplungsbetrieb
von einer Ausgangsdrehzahl von null bis zu einem bestimmten Verhältnis und
danach, bei höheren
Ausgangsdrehzahlen, den Leistungsschleifenbetrieb beinhaltet. Ein Ausgangsaufteilungs-Betriebsbereich
ist am sinnvollsten bei in Bezug auf die Eingangsdrehzahl hohen
Ausgangsdrehzahlen, weil der Ausgangsaufteilungsbereich einen Leistungsschleifenbetrieb
unterhalb eines bestimmten Verhältnisses
und danach, bei höheren
Ausgangsdrehzahlen, den Leistungs-Vorwärtskopplungsbetrieb beinhaltet.
Die
obigen Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden sogleich deutlich aus der folgenden
genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen aufgenommen wird.
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Prinzipschaubild,
das ein elektrisch verstellbares Getriebes zeigt, das in einem Getriebe
für Vorderradantrieb
ausgeführt
ist, wobei vier Drehmomentübertragungsvorrichtungen
ausgeführt sind,
um vier feste Übersetzungen
bereitzustellen;
2 ist ein Diagramm, das
Kupplungseinrückungen
und den Motor/Generator-Betrieb für verschiedene Betriebsbedingungen
des Getriebes nach 1 zeigt;
3 ist ein Prinzipschaubild,
das eine weitere Form eines elektrisch verstellbaren Getriebes in einem
Getriebe für
Hinterradantrieb zeigt, wobei vier Drehmomentübertragungsvorrichtungen ausgeführt sind,
um vier feste Übersetzungen
bereitzustellen;
4 ist ein Prinzipschaubild,
das eine bevorzugte Form eines elektrisch verstellbaren Getriebes
zeigt, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung bei einem Getriebe
für Hinterradantrieb
verkörpert,
wobei fünf
Drehmomentübertragungsvorrichtungen
ausgeführt
sind, um fünf
oder sechs feste Übersetzungen
bereitzustellen;
5 ist ein Diagramm, das
Kupplungseinrückungen
für verschiedene
Betriebsbedingungen des Getriebes nach 4, das sechs verfügbare feste Übersetzungsverhältnisse
bereitstellt, zeigt;
6 ist ein Prinzipschaubild,
das eine weitere Ausführungsform
der Erfindung zeigt, die ein weiteres elektrisch verstellbares Getriebe
mit drei Bereichen, Eingangs-, Verbundaufteilungs- und Ausgangsaufteilung
und fünf
festen Übersetzungsverhältnissen
bereitstellt;
7 ist ein Diagramm, das
Kupplungseinrückungen
für verschiedene
Betriebsbedingungen des Getriebes nach 6, das fünf feste Übersetzungsverhältnisse
bereitstellt, zeigt;
8 ist ein Prinzipschaubild,
das eine weitere Ausführungsform
der Erfindung zeigt, die ein weiteres elektrisch verstellbares Getriebe
mit drei Bereichen, Eingangsaufteilungs-, Verbundaufteilungs- und
Ausgangsaufteilung und sechs festen Einzelübergangs-Übersetzungsverhältnissen
bereitstellt;
9 ist ein Diagramm, das
Kupplungseinrückungen
für verschiedene
Betriebsbedingungen des Getriebes nach 8, das sechs feste Übersetzungsverhältnisse
bereitstellt, zeigt.
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das
US-Patent Nr. 6,527,658, erteilt am 4. März 2003 an Holmes u. a., dessen
Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit
aufgenommen ist, offenbart ein elektrisch verstellbares Getriebe,
das zwei Planetenradsätze,
zwei Motoren/Generatoren und zwei Kupplungen verwendet, um Eingangsaufteilungs-,
Verbundaufteilungs-, Neutral- und Rückwärtsfahrt-Betriebsarten bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine verhältnismäßig ähnliche Struktur mit drei oder
vier zusätzlichen Kupplungen,
um die Leistung potentiell zu verbessern.
Beschreibung von verwandten
EVT-Konfigurationen mit 4 festen Übersetzungen
Zunächst ist
in 1 ein allgemein mit
dem Bezugszeichen 10 bezeichnetes elektrisch verstellbares
Getriebes gezeigt. Das Getriebe 10 ist so beschaffen, dass
es wenigstens einen Anteil seiner Antriebsleistung von einem Verbrennungsmotor 12 empfängt. Wie
gezeigt ist, hat der Verbrennungsmotor 12 eine Abtriebswelle 14,
die auch als Vorwärtsfahrt-Eingangselement eines Übergangsdrehmomentdämpfers 16 dienen
kann, der eine Eingangskupplung 17 umfasst. Übergangsdrehmomentdämpfer sind
an sich wohlbekannt, jedoch dient unabhängig von dem bestimmten verwendeten Übergangsdrehmomentdämpfer 16 sein
Ausgangselement als Eingangselement 18 des Getriebes 10,
wie weiter unten näher
beschrieben wird.
In
der gezeigten Ausführungsform
kann der Verbrennungsmotor 12 ein Verbrennungsmotor für fossilen
Kraftstoff wie etwa ein Dieselmotor sein, der leicht anzupassen
ist, um seine verfügbare
Ausgangsleistung bereitzustellen, die mit einer konstanten Anzahl
von Umdrehungen pro Minute (min–1)
geliefert wird.
Unabhängig von
den Mitteln, durch die der Verbrennungsmotor 12 mit dem
Getriebeeingangselement 18 verbunden ist, ist das Getriebeeingangselement 18 mit
einem Planetenradsatz 20 im Getriebe 10 wirksam
verbunden.
Das
Getriebe 10 nutzt zwei Differential- oder Ausgleichs-Zahnradsätze, vorzugsweise
in Form von Planetenradsätzen.
Der erste Planetenradsatz 20 verwendet ein äußeres Getriebeelement 22,
das typisch als Hohlrad bezeichnet wird. Das Hohlrad 22 umgibt
ein inneres Getriebeelement 24, das typisch als Sonnenrad
bezeichnet wird. Ein Träger 26 unterstützt mehrere
Planetenräder 28, 29 drehbar,
derart, dass jedes Planetenrad 28 mit dem äußeren Getriebeelement,
dem Hohlrad 22, des ersten Planetenradsatzes 20 in
Zahneingriff ist und jedes Planetenrad 29 mit dem inneren
Getriebeelement, dem Sonnenrad 24, des ersten Planetenradsatzes 20 in
Zahneingriff ist. Das Eingangselement 18 ist am Hohlradelement 22 des
ersten Planetenradsatzes 20 befestigt.
Der
zweite Planetenradsatz 32 enthält ebenfalls ein auch häufig als
Hohlrad bezeichnetes äußeres Getriebeelement 34,
das ein auch häufig
als Sonnenrad bezeichnetes inneres Getriebeelement 36 umgibt.
Ebenso sind mehrere Planetenräder 38 in
einem Träger 40 drehbar
angebracht, derart, dass jedes Planetenradelement 38 gleichzeitig
sowohl mit dem äußeren Getriebeelement,
dem Hohlrad 34, des zweiten Planetenradsatzes 32 als auch
mit dem inneren Getriebeelement, dem Sonnenrad 36, des
zweiten Planetenradsatzes 32 in Zahneingriff ist.
Der
Planetenradsatz 20 ist zusammengesetzt, während der
Planetenradsatz 32 einfach ist. Das innere Sonnenrad 36 des
zweiten Planetenradsatzes 32 ist über eine zentrale Welle 42 mit
dem Träger 26 des
ersten Planetenradsatzes 20 verbunden.
Die
erste bevorzugte Ausführungsform 10 enthält außerdem einen
ersten und einen zweiten Motor/Generator 46 bzw. 48.
Der Stator 50 des ersten Motors/Generators 46 ist
an der im Allgemeinen ringförmigen
Innenfläche 52 des
Getriebegehäuses 54 befestigt.
Der Rotor 56 des ersten Motors/ Generators 46 ist
an einer Hohlwelle 58 befestigt. Das innere Sonnenrad 24 des
ersten Planetenradsatzes 20 ist an dem nach vorn gerichteten
Ende der Hohlwelle 58 befestigt, während das entgegengesetzte
Ende der Hohlwelle 58 in einer sich radial erstreckenden Flanschplatte 60,
die eine Grenzfläche
zu einem Kupplungsmittel bildet, das weiter unten beschrieben wird,
endet.
Der
Stator 66 des zweiten Motors/Generators 48 ist
ebenso an der im Allgemeinen ringförmigen Innenfläche 52 des
Getriebegehäuses 54 befestigt.
Der Rotor 68 des zweiten Motors/Generators 48 ist
an der zentralen Welle 42 befestigt, womit der erste und
der zweite Planetenradsatz 20 und 32 weiter zusammengesetzt
sind.
Die
zwei Planetenradsätze 20 und 32 sowie die
zwei Motoren/Generatoren 46 und 48 können koaxial
um die axial angeordnete zentrale Welle 42 orientiert sein.
Diese Konfiguration stellt sicher, dass die Gesamteinhüllende,
d. h. die Umfangsdimension, des Getriebes 10 minimiert
ist.
Das
Hohlrad 34 des zweiten Planetenradsatzes 32 ist
selektiv durch ein erstes Kupplungsmittel in Form einer Drehmomentübertragungsvorrichtung 62 (C1)
mit dem Gehäuse 54 als
Masse verbunden. Das heißt,
dass das mit Masse verbundene Hohlrad 34 durch eine wirksame
Verbindung mit dem nicht drehbaren Gehäuse 54 selektiv gegen
Drehung gesichert ist. Das Hohlrad 34 des zweiten Planetenradsatzes 32 ist
außerdem
selektiv durch ein zweites Kupplungsmittel in Form einer Drehmomentübertragungsvorrichtung 64 (C2)
mit der sich radial erstreckenden Flanschplatte 60 verbunden.
Die erste und die zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung 62 und 64 werden
verwendet, um die Wahl der Betriebsarten des Hybridgetriebes 10 zu
unterstützen,
wie weiter unten ausführlicher
erläutert
wird.
Eine
dritte Drehmomentübertragungsvorrichtung 65 (C3)
verbindet selektiv den Träger 26,
das Sonnenrad 36 und den Rotor 68 mit dem Getriebegehäuse 54.
Demgemäß erlaubt
diese Drehmomentübertragungsvorrichtung
ein Verriegeln des zweiten Motors/Generators 48 an dem
Getriebegehäuse, was
eine zusätzliche
verfügbare
feste Übersetzung schafft,
wenn die Drehmomentübertragungsvorrichtung 64 (C2)
ebenfalls eingerückt
ist.
Eine
vierte Drehmomentübertragungsvorrichtung 67 (C4)
ist als "Überbrückungskupplung" vorgesehen, um das
Hohlradelement 22 mit dem Träger 26 zu verriegeln.
Diese Drehmomentübertragungsvorrichtung
ermöglicht
dem Getriebe außerdem
das Übertragen
des Drehmoments und der Leistung bei zwei zusätzlichen festen Übersetzungsverhältnissen:
einer niedrigen Übersetzung,
wobei die Drehmomentübertragungsvorrichtungen 62 (C1)
und 67 (C4) eingerückt
sind, und einer Direktantriebsübersetzung,
wobei die Drehmomentübertragungsvorrichtungen 64 (C2)
und 67 (C4) eingerückt
sind. Dies ermöglicht
bei diesen festen Übersetzungen
das Übertragen
eines höheren
Drehmoments oder einer höheren
Leistung durch das Getriebe als bei ähnlichen Übersetzungen durch die alleinige
Wirkung der Kupplung C1 oder C2 und der Motoren/Generatoren. Die Überbrückungskupplung
ermöglicht
das schnelle Erzielen einer Höchstleistung
zum Transportieren, Schleppen und Ziehen bei einem persönlichen
Lastkraftwagen oder dergleichen unter Bereitstellung von vier verfügbaren festen Übersetzungen,
wobei in der ersten Betriebsart mit wenigstens einem mechanischen
Punkt und in der zweiten Betriebsart mit wenigstens zwei mechanischen
Punkten, d. h. mit drei mechanischen Punkten, jeweils einem bei
jeder von drei einzelnen Fahrgeschwindigkeiten, gearbeitet wird.
Das
Ausgangsantriebselement 70 des Getriebes 10 ist
am Träger 40 des
zweiten Planetenradsatzes 32 befestigt. Das Ausgangsantriebselement 70 kann
am Umfang Zahnradzähne
(nicht gezeigt) aufweisen, die mit einem Zahnrad (nicht gezeigt)
in Zahneingriff sind, das von einem Verteilergetriebe (nicht gezeigt)
angeboten wird, das als Differential für zwei entsprechende Antriebswellen
dienen kann. Vorzugsweise wird diese Konfiguration bei einem Fahrzeug
mit Vorderradantrieb verwendet. Selbstverständlich könnte das Ausgangsantriebselement 70 Ausgangsleistung über einen
Kettenantrieb oder eine ähnliche
mechanische Verbindung an das Verteilergetriebe übertragen.
Um
zur Beschreibung der Leistungsquellen zurückzukehren, empfängt das
Getriebe 10, wie aus der obigen Beschreibung und insbesondere
aus 1 hervorgeht, selektiv
Leistung vom Verbrennungsmotor 12. Wie nun erläutert wird,
empfängt
das Hybridgetriebe auch Leistung von einer elektrischen Leistungsquelle 82.
Die elektrische Leistungsquelle 82 kann einer oder mehreren
Batterien entsprechen. Anstelle von Batterien können andere elektrische Leistungsquellen
wie etwa Kraftstoffzellen, die die Fähigkeit besitzen, elektrische
Leistung zu liefern oder zu speichern und zu verteilen, verwendet
werden, ohne die Konzepte der vorliegenden Erfindung zu verändern. Wie
in Verbindung mit der Beschreibung des Verbrennungsmotors 12 und
der Motoren/Generatoren 46 und 48 erläutert worden
ist, ist ähnlich
selbstverständlich,
dass die PS-Abgabe der elektrischen Leistungsquelle ebenfalls nicht
kritisch für
die Erfindung ist.
Die
elektrische Leistungsquelle 82 kommuniziert über elektrische Übertragungsleiter 86A und 86B mit
einer elektrischen Steuereinheit (ECU) 84. Die ECU 84 kommuniziert über elektrische Übertragungsleiter 86C und 86D mit
dem ersten Motor/Generator 46 und in ähnlicher Weise über elektrische Übertragungsleiter 86E und 86F mit
dem zweiten Motor/Generator 48.
Wie
aus dem vorhergehenden Abschnitt deutlich geworden ist, kann an
mehr als einem Ort ein besonderes Bauelement, eine besondere Komponente
oder eine besondere Anordnung verwendet werden. Wenn allgemein auf
jenen Typ von Bauelement, Komponente oder Anordnung verwiesen wird, wird
eine gemeinsame numerische Bezeichnung verwendet. Wenn jedoch die
so identifizierten Bauelemente, Komponenten oder Anordnungen einzeln identifiziert
werden müssen,
werden sie durch ein Buchstabensuffix, das in Kombination mit der
zur allgemeinen Identifikation jenes Bauelements, jener Komponente
oder jener Anordnung verwendeten numerischen Bezeichnung verwendet
wird, bezeichnet. Folglich gibt es sechs elektrische Übertragungsleiter, die
allgemein durch das Bezugszeichen 86 identifiziert sind,
jedoch sind in der Patentbeschreibung und in den Zeichnungen die
spezifischen, einzelnen elektrischen Übertragungsleiter daher mit 86A, 86B, 86C, 86D, 86E und 86F identifiziert.
Dieselbe Suffixübereinkunft
soll in der gesamten Patentbeschreibung eingehalten werden.
Allgemeine Betriebsüberlegungen
Eine
der Primärsteuervorrichtungen
ist ein wohlbekannter Antriebsbereichwahlschalter (nicht gezeigt),
der eine herkömmliche
elektronische Steuereinheit (die ECU 84) dazu veranlasst,
das Getriebe entweder für
den Park-, Rückwärtsfahrt-,
Neutral- oder Vorwärtsfahrtbereich
zu konfigurieren. Die zweite und die dritte Primärsteuervorrichtung bilden ein Fahrpedal
(nicht gezeigt) und ein Bremspedal (ebenfalls nicht gezeigt). Die
durch die ECU von diesen drei Primärsteuerquellen erhaltenen Informationen werden
als "Fahreranforderung" bezeichnet. Die ECU
erhält
außerdem
Informationen von mehreren Sensoren (sowohl eingangsseitig als auch
ausgangsseitig) hinsichtlich des Zustands: der Drehmomentübertragungsvorrichtungen
(entweder eingerückt
oder ausgerückt),
des Verbrennungsmotorausgangsdrehmoments, des Kapazitätspegels
der kombinierten Batterie oder Batterien und der Temperaturen ausgewählter Fahrzeugkomponenten.
Die ECU bestimmt, was erforderlich ist, und beeinflusst dann angemessen
die nach Auswahl betriebenen Komponenten des Getriebes oder dem
Getriebe zugeordneten Komponenten, um auf die Fahreranforderung
zu reagieren.
Es
werden sowohl einfache als auch zusammengesetzte Planetenradsätze verwendet.
Bei einem einfachen Planetenradsatz wird normal ein einziger Satz
von Planetenrädern
zur Drehung an einem Träger,
der selbst drehbar ist, unterstützt.
Bei
einem einfachen Planetenradsatz drehen sich dann, wenn das Sonnenrad
feststehend gehalten wird und Leistung auf das Hohlrad eines einfachen
Planetenradsatzes übertragen
wird, die Planetenräder
als Reaktion auf die auf das Hohlrad übertragene Leistung und "laufen" in Umfangs richtung
um das feste Sonnenrad, um eine Drehung des Trägers in derselben Richtung
wie jener, in der das Hohlrad gedreht wird, zu bewirken.
Wenn
sich jeweils zwei Elemente eines einfachen Planetenradsatzes in
der gleichen Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit drehen,
wird das dritte Element dazu gezwungen, sich mit der gleichen Geschwindigkeit
in der gleichen Richtung zu drehen. Wenn sich beispielsweise das
Sonnenrad und das Hohlrad in der gleichen Richtung und mit der gleichen
Geschwindigkeit drehen, drehen sich die Planetenräder nicht
um ihre eigenen Achsen, sondern wirken stattdessen als Keile, die
die gesamte Einheit verriegeln und bewirken, was als Direktantrieb
bekannt ist, Das heißt,
dass sich der Träger
mit den Sonnen- und Hohlrädern
dreht.
Wenn
sich jedoch die zwei Getriebeelemente in der gleichen Richtung,
jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, kann die
Richtung, in der sich das dritte Getriebeelement dreht, häufig einfach
durch Sichtprüfung
bestimmt werden, jedoch ist die Richtung in vielen Fällen nicht
offensichtlich und kann nur bei Kenntnis der Anzahl von an allen Getriebeelementen
des Planetenradsatzes vorhandenen Zähne genau bestimmt werden.
Stets
dann, wenn der Träger
davon abgehalten wird, sich frei zu drehen, und entweder auf das Sonnenrad
oder das Hohlrad Leistung übertragen wird,
wirken die Planetengetriebeelemente als Zwischenräder. In
dieser Weise wird das angetriebene Element in der entgegengesetzten
Richtung zu jener des antreibenden Elements gedreht. Folglich wird
in vielen Getriebeanordnungen dann, wenn der Rückwärtsfahrtbereich gewählt ist,
eine Drehmomentübertragungsvorrichtung,
die als Bremse dient, reibungsschlüssig betätigt, um mit dem Träger in Eingriff
zu gelangen und ihn dadurch gegen Drehung zu blockieren, so dass
Leistung, die auf das Sonnenrad übertragen
wird, das Hohlrad in der entgegengesetzten Richtung dreht. Wenn
das Hohlrad mit den Antriebsrädern
eines Fahrzeugs wirksam verbunden ist, ist eine solche Anordnung
folglich in der Lage, die Drehrichtung der Antriebsräder umzukehren
und dadurch die Richtung des Fahrzeugs selbst umzukehren.
Bei
einem einfachen Satz von Planetenrädern kann die Drehzahl des
dritten Elements, wenn zwei der Umdrehungsgeschwindigkeiten des
Sonnenrads, des Planetenträgers
und des Hohlrads bekannt sind, nach einer einfachen Regel bestimmt werden.
Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Trägers ist stets proportional
zu den Drehzahlen des Sonnenrads und des Hohlrads, gewichtet durch
deren jeweilige Anzahl von Zähnen.
Ein Hohlrad kann beispielsweise zweimal soviel Zähne wie das Sonnenrad in demselben
Satz haben. Die Drehzahl des Trägers
ist dann die Summe aus zwei Dritteln der Drehzahl des Hohlrads und
einem Drittel der Drehzahl des Sonnenrads. Falls sich eines dieser
drei Elemente in einer entgegengesetzten Richtung dreht, ist das
arithmetische Vorzeichen der Drehzahl jenes Elements in mathematischen
Berechnungen negativ.
Das
Drehmoment auf das Sonnenrad, den Träger und das Hohlrad kann ebenso
einfach auf ein anderes bezogen werden, falls dies ohne Betrachtung
der Massen der Zahnräder,
der Beschleunigung der Zahnräder
oder der Reibung innerhalb des Zahnradsatzes, die alle bei einem
gut entworfenen Getriebe einen relativ geringfügigen Einfluss haben, erfolgt. Das
auf das Sonnenrad eines einfachen Planetenradsatzes ausgeübte Drehmoment
muss das auf das Hohlrad ausgeübte
Drehmoment im Verhältnis
zur Anzahl der Zähne
an jedem dieser Zahnräder
ausgleichen. Beispielsweise muss das auf ein Hohlrad mit zweimal
soviel Zähnen
wie das Sonnenrad in jenem Satz ausgeübte Drehmoment das Zweifache von
jenem, das auf das Sonnenrad ausgeübt wird, sein und in der gleichen
Richtung ausge übt
werden. Das auf den Träger
ausgeübte
Drehmoment muss zur Summe aus dem Drehmoment auf das Sonnenrad und
dem Drehmoment auf das Hohlrad in der Größe gleich und in der Richtung
entgegensetzt sein.
Bei
einem zusammengesetzten Planetenradsatz bewirkt die Verwendung von
inneren und äußeren Sätzen von
Planetenrädern
im Vergleich zu einem einfachen Planetenradsatz ein Vertauschen
der Rollen des Hohlrads und des Planetenträgers. Beispielsweise dreht
sich der Planetenträger,
wenn das Sonnenrad feststehend gehalten wird, in der gleichen Richtung
wie das Hohlrad, jedoch läuft
der Planetenträger
mit einem inneren und einem äußeren Satz von
Planetenrädern
schneller als das Hohlrad anstatt langsamer.
Bei
einem zusammengesetzten Planetenradsatz mit einem inneren und einem äußeren Satz von
in Zahneingriff befindlichen Planetenrädern ist die Drehzahl des Hohlrads
proportional zu den Drehzahlen des Sonnenrads und des Planetenträgers, gewichtet
durch die Anzahl von Zähnen
am Sonnenrad bzw. die Anzahl von Zähnen, die durch die Planetenräder belegt
sind. Beispielsweise könnte
die Differenz zwischen dem Hohlrad und Sonnenrad in der Belegung
durch die Planetenräder
zweimal soviel Zähne
betragen, wie am Sonnenrad im gleichen Satz vorhanden sind. In diesem
Fall wäre
die Drehzahl des Hohlrads die Summe aus zwei Dritteln der Drehzahl
des Trägers
und einem Drittel der Drehzahl des Sonnenrads. Falls sich das Sonnenrad
oder der Planetenträger
in einer entgegengesetzten Richtung dreht, ist das arithmetische
Vorzeichen für
jene Drehzahl in mathematischen Berechnungen negativ.
Falls
das Sonnenrad feststehend gehalten wird, dreht sich ein Träger mit
einem inneren und einem äußeren Satz
von Planetenrädern
in der gleichen Richtung wie das sich drehende Hohlrad jenes Satzes.
Zum anderen rollen oder "laufen" Planetenräder in dem
inneren Satz, die mit dem Sonnenrad in Eingriff sind, dann, wenn
das Sonnenrad feststehend gehalten wird und der Träger angetrieben
wird, entlang des Sonnenrads und drehen sich in der gleichen Richtung
wie der Träger.
Planetenräder
oder Ritzel im äußeren Satz,
die mit Ritzeln im inneren Satz in Zahneingriff sind, drehen sich
in der entgegengesetzten Richtung und zwingen dadurch ein in Zahneingriff befindliches
Hohlrad in die entgegengesetzte Richtung, jedoch nur bezüglich derjenigen
Planetenräder, die
mit dem Hohlrad in Zahneingriff sind. Die Planetenräder im äußeren Satz
werden längs
der Richtung des Trägers
geführt.
Die Auswirkung der Drehung der Ritzel im äußeren Satz auf ihre eigenen
Achsen und die stärkere
Auswirkung der Orbitalbewegung der Planetenräder im äußeren Satz infolge der Bewegung
des Trägers
kombinieren sich so, dass sich das Hohlrad in der gleichen Richtung
wie der Träger,
jedoch schneller als der Träger
dreht.
Falls
der Träger
in einem solchen zusammengesetzten Planetenradsatz feststehend gehalten wird
und das Sonnenrad gedreht wird, dreht sich das Hohlrad mit einer
geringeren Geschwindigkeit in der gleichen Richtung wie das Sonnenrad.
Falls das Hohlrad eines einfachen Planetenradsatzes feststehend
gehalten wird und das Sonnenrad gedreht wird, dreht sich der Träger, der
einen einzigen Satz von Planetenrädern unterstützt, mit
einer geringeren Geschwindigkeit in der gleichen Richtung wie das
Sonnenrad. Somit lässt
sich im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen Satzes von Planetenrädern in einem
einfachen Planetenradsatz das Vertauschen der Rollen zwischen dem
Träger
und dem Hohlrad, das durch die Verwendung eines inneren und eines äußeren Satzes
von miteinander in Zahneingriff befindlichen Planetenrädern hervorgerufen
wird, beobachten.
Die
normale Tätigkeit
eines elektrisch verstellbaren Getriebes besteht im Übertragen
von mechanischer Leistung vom Eingang zum Ausgang. Als Teil dieser
Getriebetätigkeit
wirkt einer seiner Motoren/Generatoren als Generator von elektrischer
Leistung. Der andere Motor/Generator wirkt als Motor und verwendet
jene elektrische Leistung. Wenn die Drehzahl des Ausgangs von null
auf eine hohe Drehzahl ansteigt, vertauschen die Motoren/Generatoren allmählich ihre
Rolle als Generator und Motor, wobei sie dies mehr als einmal tun
können.
Dieses Vertauschen findet um mechanische Punkte statt, wo im Wesentlichen
die gesamte Leistung vom Eingang zum Ausgang mechanisch übertragen
wird und elektrisch keine wesentliche Leistung übertragen wird.
In
einem hybriden, elektrisch verstellbaren Kraftübertragungssystem kann eine
elektrische Speicherbatterie ebenfalls Leistung an das Getriebe liefern
oder das Getriebe der Batterie Leistung zuführen. Falls die Batterie dem
Getriebe beispielsweise zur Beschleunigung des Fahrzeugs eine wesentliche elektrische
Leistung zuführt,
können
beide Motoren/Generatoren als Motoren wirken. Falls das Getriebe
beispielsweise beim regenerativen Bremsen der Batterie Leistung
zuführt,
können
beide Motoren/Generatoren als Generatoren wirken. In nächster Nähe der mechanischen
Betriebspunkte können
beide Motoren/Generatoren bei geringen Abgaben an elektrischer Leistung
wegen der elektrischen Verluste im System ebenfalls als Generatoren
wirken.
Im
Gegensatz zur normalen Tätigkeit
des Getriebes kann das Getriebe tatsächlich zum Übertragen von mechanischer
Leistung vom Ausgang zum Eingang verwendet werden. Dies kann in
einem Fahrzeug geschehen, um speziell auf langen abwärts führenden
Strecken die Fahrzeugbremsen zu ergänzen und das regenerative Bremsen
des Fahrzeugs zu verstärken
oder zu ergänzen.
Wenn der Leistungsfluss durch das Getriebe in dieser Weise umgekehrt
ist, sind die Rollen der Motoren/Generatoren zu jenen bei normaler
Tätigkeit
vertauscht.
Funktionsweise des ETV
nach 1
2 ist ein Diagramm, das
Kupplungseinrückungen
der Drehmomentübertragungsvorrichtungen 62, 64, 65 und 67 und
den Betrieb der Motoren/Generatoren 46, 48 unter
verschiedenen Betriebsbedingungen des in 1 gezeigten Getriebes 10 zeigt.
In
der Betriebsart 1, Rückwärtsfahrt,
ist die Drehmomentübertragungsvorrichtung 62 eingerückt, wobei
der Verbrennungsmotor 12 das Hohlradelement 22 (bei
alleinigem elektrischen Antrieb) halten kann und der zweite Motor/Generator 48 das
Sonnenradelement 36 antreibt, das den Träger 40 zum Antreiben
des Ausgangs 70 dreht, während der erste Motor/Generator 46 über das
Sonnenradelement 24 und den Träger 26 angetrieben
wird, wobei das Sonnenrad vom Motor 12 feststehend gehalten
wird. Dementsprechend treibt der Motor/Generator 48 in Rückwärtsrichtung
an, während
der Motor/Generator 46 angetrieben wird. Der Verbrennungsmotor 12 kann
in Umkehrrichtung laufen oder nicht.
Falls
der Fahrzeugführer
den Rückwärtsbetrieb
wählt,
wird daher, wie oben beschrieben worden ist, die Drehmomentübertragungsvorrichtung 62 eingerückt, um
das äußere Hohlrad 34 des
zweiten Planetenradsatzes 32 mit dem Gehäuse 54 als
Masse zu verbinden. Als weitere Reaktion auf die Fahreranforderung
kehrt die ECU 84 die Polarität der dem Stator 66 des
zweiten Motors/Generators 48 zugeführten elektrischen Leistung
um. Die daraus resultierende Drehung des Rotors 68 im Motor/Generator 48 kehrt
dann von der Drehrichtung, die dem Vortrieb zugeordnet ist, zur
ersten Betriebsart oder Eingangsaufteilungs-Betriebsart um. Unter
diesen Bedin gungen treibt das innere Sonnenrad 36 des zweiten
Planetenradsatzes 32 den Träger 40 im Planetensatz 32 entgegen
dem mit Masse verbundenen äußeren Hohlrad 34 an,
um eine Drehung des Trägers 40 und
des Ausgangsantriebselements 70 in der in Bezug auf die
Drehung jener Elemente während des
Vortriebs entgegengesetzten Richtung zu bewirken. Der Betrieb in
der Rückwärtsfahrtbetriebsart
ist somit erreicht.
In
der Betriebsart 1, Vorwärtsfahrt,
gelten die gleichen Bedingungen wie in der oben beschriebenen Betriebsart
1, Rückwärtsfahrt,
mit der Ausnahme, dass der Motor/Generator in einer zur Betriebsart 1,
Rückwärtsfahrt,
entgegengesetzten Drehrichtung elektrisch betätigt wird.
Im
Gang 1 wird das erste feste Übersetzungsverhältnis durch
Einrücken
der Drehmomentübertragungsvorrichtungen 62 und 67 erreicht,
wobei keine Leistung durch die Motoren/Generatoren 46, 48 übertragen
wird.
In
der elektrisch verstellbaren Betriebsart 1 wird die Drehmomentübertragungsvorrichtung 62 eingerückt und
eine Eingangsaufteilungs-Betriebsart erreicht, weil die Leistung
am Hohlradelement 22 in den ersten Planetenradsatz eintritt
und über
den Träger 26,
das Sonnenradelement 36 und den Träger 40 auf einen mechanischen
Pfad zum Ausgang 70 und über das Sonnenrad 24,
den Motor/Generator 46, den Motor/Generator 48,
das Sonnenradelement 36 und den Träger 40 auf einen elektrischen
Pfad aufgeteilt wird. Der Motor/Generator 46 wird durch
das Sonnenradelement 24 angetrieben, wobei er den Motor/Generator 48,
der in der Antriebsbetriebsart ist (d. h. als Motor wirkt), unterstützt. Somit
verwendet das Getriebe 10 das Hohlrad 22 des ersten
Planetenradsatzes 20, um durch den Verbrennungsmotor 12 bereitgestellte
Leistung zu empfangen, und den Träger 26 desselben Planetenradsatzes,
um Leistung durch den Motor/Generator 48, der als Motor
arbeitet, an die zentrale Welle 42 zu liefern. Gleichzeitig
verwendet das Getriebe 10 den zweiten Planetenradsatz 32,
um das Drehmoment, das durch das Sonnenrad 36 des zweiten
Planetenradsatzes 32 empfangen und entgegen der Reaktion,
die durch das die mit Masse verbundene Hohlrad 34 erzwungen
wird, auf den Träger 40 ausgeübt wird,
um an das Ausgangsantriebselement 70 abgegeben zu werden,
zu vervielfachen.
In
der elektrisch verstellbaren Betriebsart 2 wird nur die Drehmomentübertragungsvorrichtung 64 eingerückt und
ein Verbundaufteilungsbetrieb erreicht. Der Motor/Generator 46 ist
in der Antriebsbetriebsart, während
der Motor/Generator 48 angetrieben wird. In der Verbundaufteilungs-Betriebsart
verwendet das Getriebe dieselben zwei Planetenradsätze 20 und 32,
um eine Getriebeverbindung zwischen dem Eingangselement 18,
beiden Motoren/Generatoren 46 und 48 und dem Ausgangsantriebselement 70 in
der Weise herzustellen, dass der Leistungsfluss sowohl am Eingang
als auch am Ausgang des Getriebes auf einen mechanischen und einen
elektrischen Pfad aufgeteilt wird.
Im
Gang 2 wird das zweite feste Übersetzungsverhältnis durch
Einrücken
der Drehmomentübertragungsvorrichtungen 62 und 64 erreicht,
wobei durch die Motoren/Generatoren 46, 48 keine
Leistung übertragen
wird.
Im
Gang 3 wird das dritte feste Übersetzungsverhältnis, das
einem 1:1-Direktantriebsverhältnis entspricht,
durch Einrücken
der Drehmomentübertragungsvorrichtungen 64 und 67 erreicht,
wobei durch die Motoren/Generatoren 46, 48 keine
Leistung übertragen
wird.
Im
Gang 4 wird das vierte feste Übersetzungsverhältnis durch
Einrücken
der Drehmomentübertragungsvorrichtungen 64 und 65 erreicht,
wobei durch die Motoren/Generatoren 46, 48 keine
Leistung übertragen
wird.
Es
gibt noch eine Neutral-Betriebsart, bei der das Eingangselement 18 vom
Verbrennungsmotor 12 und die zwei Motoren/Generatoren 46 und 48 vom Ausgangsantriebselement 70 wirksam
getrennt sind, indem ermöglicht
wird, dass sich ein Element des zweiten Planetenradsatzes 32 frei
dreht. Das heißt, dass
beide Drehmomentübertragungsvorrichtungen 62 und 64 ausgerückt sind,
weshalb sich das äußere Getriebeelement 34 des
zweiten Planetenradsatzes 32 frei drehen kann und dadurch
die Neutral-Betriebsart bewirkt.
Beschreibung des EVT nach 3
In 3 ist ein allgemein durch
die Bezeichnung 110 identifiziertes weiteres verwandtes
elektrisch verstellbares Getriebe gezeigt. Die Betriebskomponenten
von 3 gleichen im Wesentlichen jenen
von 1, so dass gleiche
Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Komponenten von 1 und 3 zu bezeichnen. In 3 ist das Getriebe nach 1 zu einer Auslegung für Hinterradantrieb umgestellt
worden. Es enthält
wie in 1 vier Drehmomentübertragungsvorrichtungen
und arbeitet in Entsprechung mit dem Diagramm von 2.
Das
Getriebe 110 nach 4 kann
seine Eingangsleistung zum Teil von einem Verbrennungsmotor 112 empfangen.
In der gezeigten Ausführungsform
kann der Verbrennungsmotor 112 ebenfalls ein Verbrennungsmotor
für fossilen
Kraftstoff wie etwa ein Dieselmotor sein, der leicht anzupassen
ist, um seine verfügbare
Ausgangsleistung bereitzustellen, die mit einer konstanten Anzahl
von Umdrehungen pro Minute (min–1)
geliefert wird. Wie gezeigt ist, besitzt der Verbrennungsmotor 112 eine
Abtriebswelle 114, die auch als Vorwärtsfahrt-Eingangselement eines Übergangsdrehmomentdämpfers 116,
der eine Eingangskupplung 117 umfasst, dienen kann. Das Ausgangselement
des Übergangsdrehmomentdämpfers 116 dient
als Eingangselement 118 des Getriebes 110.
Unabhängig von
den Mitteln, durch die der Verbrennungsmotor 112 mit dem
Getriebeeingangselement 118 verbunden ist, ist das Getriebeeingangselement 118 mit
einem Planetenradsatz 120 im Getriebe 110 wirksam
verbunden.
Das
Getriebe 110 nutzt zwei Planetenradsätze. Der erste ist ein zusammengesetzter
Planetenradsatz 120, der ebenfalls ein äußeres Getriebeelement 122 verwendet,
das typisch als Hohlrad bezeichnet wird. Das Hohlrad 122 umgibt
ebenfalls ein inneres Getriebeelement 124, das typisch
als Sonnenrad bezeichnet wird. Die Trägeranordnung 126 im Planetenradsatz 120 unterstützt jedoch
zwei Sätze von
Planetenrädern 128, 129 drehbar.
Jedes der mehreren Planetenräder 129 ist
gleichzeitig mit dem inneren Sonnenrad 124 in Zahneingriff.
Jedes Planetenrad 129 ist mit einem und nur mit einem benachbarten
Planetenrad 128 in Zahneingriff. Jedes Planetenrad 128 ist
gleichzeitig mit dem äußeren Hohlradelement 122 in
Zahneingriff. Jedes Planetenrad 128 ist seinerseits mit
einem und nur mit einem benachbarten Planetenrad 129 in
Zahneingriff.
Das
Eingangselement 118 ist am Hohlradelement 122 des
zusammengesetzten Planetenradsatzes 120 befestigt.
Der
zweite Planetenradsatz 132 ist ein einfacher Planetenradsatz
und enthält
ein auch häufig
als Hohlrad bezeichnetes äußeres Getriebeelement 134, das
ein auch häufig
als Sonnenrad bezeichnetes inneres Getriebeelement 136 umgibt.
Wie es für
einen einfachen Planetenradsatz typisch ist, sind außerdem mehrere
Planetenräder 138 in
einem Träger 140 drehbar
angebracht, derart, dass jedes Planetenradelement 138 gleichzeitig sowohl
mit dem äußeren Getriebeelement,
dem Hohlrad 134, als auch dem inneren Getriebeelement,
dem Sonnenrad 136, des zweiten Planetenradsatzes 132 in
Zahneingriff ist, jedoch sind die Planetenrad- oder Ritzelelemente 138 nicht
miteinander in Eingriff.
Außerdem sind
der erste und der zweite Planetenradsatz 120 und 132 dadurch
gegenseitig in Verbund geschaltet, dass das innere Sonnenrad 136 des
zweiten Planetenradsatzes 132 über eine zentrale Welle 142 mit
der Trägeranordnung 126 des
zusammengesetzten Planetenradsatzes 120 verbunden ist.
Das heißt,
dass das vorwärts
gerichtete Ende der zentralen Welle 142 in einem sich radial
erstreckenden Flanschabschnitt 144, der an der Trägeranordnung 126 des
zusammengesetzten Planetenradsatzes 120 befestigt ist,
endet.
Die
zweite bevorzugte Ausführungsform 110 enthält ebenfalls
einen ersten und einen zweiten Motor/Generator 146 bzw. 148.
Der Stator 150 des ersten Motors/ Generators 146 ist
an der im Allgemeinen ringförmigen
Innenfläche 152 des
Getriebegehäuses 154 befestigt.
Der Rotor 156 des ersten Motors/Generators 146 ist
an einer Hohlwelle 158 befestigt. Das innere Sonnenrad 124 des
ersten Planetenradsatzes 120 ist ebenfalls an der Hohlwelle 158 befestigt.
Das
Hohlrad 134 des zweiten Planetenradsatzes 132 kann
selektiv durch eine erste Drehmomentübertragungsvorrichtung 162 (C1)
mit dem Gehäuse 154 als
Masse verbunden sein. Das heißt, dass
das mit Masse verbundene Hohlrad 134 durch eine wirksame
Verbindung mit dem nicht drehbaren Gehäuse 154 selektiv gegen
Drehung gesichert ist. Das Hohlrad 134 des zweiten Planetenradsatzes 132 ist
außerdem
selektiv durch eine zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung 164 (C2)
mit der sich radial erstreckenden Flanschplatte 160 verbunden. Die
erste und die zwei te Drehmomentübertragungsvorrichtung 162 und 164 werden
verwendet, um die Wahl der Betriebsarten des Hybridgetriebes 110 zu unterstützen.
Der
Träger 126 ist
selektiv durch die Drehmomentübertragungsvorrichtung 165 (C3)
mit dem Getriebegehäuse
als Masse verbunden. Außerdem ist
der Träger 126 selektiv
durch die Drehmomentübertragungsvorrichtung 167 (C4)
mit dem Hohlradelement 122 verbunden.
Der
Stator 166 des zweiten Motors/Generators 148 ist
ebenfalls an der im Allgemeinen ringförmigen Innenfläche 152 des
Getriebegehäuses 154 befestigt.
Der Rotor 168 des zweiten Motors/Generators 148 ist
am Träger 126 des
zusammengesetzten Planetenradsatzes 120 befestigt.
Die
zwei Planetenradsätze 120 und 132 sowie
die zwei Motoren/Generatoren 146 und 148 können koaxial
um die axial angeordnete zentrale Welle 142 und das Eingangselement 118 orientiert
sein. Diese Konfiguration stellt sicher, dass die Gesamteinhüllende,
d. h. die Umfangsdimension, des Getriebes 110 minimiert
ist.
Das
Ausgangsantriebselement 170 des Getriebes 110 ist
am Träger 140 des
zweiten Planetenradsatzes 132 befestigt.
Die
elektrische Leistungsquelle 182 kommuniziert über elektrische Übertragungsleiter 186A und 186B mit
einer elektrischen Steuereinheit (ECU) 184. Die ECU 184 kommuniziert über elektrische Übertragungsleiter 186C und 186D mit
dem ersten Motor/Generator 146 und in ähnlicher Weise über elektrische Übertragungsleiter 186E und 186F mit
dem zweiten Motor/Generator 148.
Die
Funktionsweise des Getriebes 110 ist zu jener, die oben
mit Bezug auf 2 für das Getriebe 10 beschrieben
worden ist, gleich.
Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung
In 4 ist ein Getriebe 210 gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Dieses Getriebe gleicht in der Funktion und
im Aufbau den Getrieben 10 und 110 nach den 1 und 3, mit Ausnahme, dass eine fünfte Kupplung
hinzugefügt
ist. Die fünfte
Kupplung (C5) ermöglicht
zur verbesserten Rückwärtsfahrtfähigkeit
und zum sanften Starten und Anhalten des Verbrennungsmotors ein Trennen
von Eingang und Ausgang. Die fünfte
Kupplung ermöglicht
außerdem
eine Leistungsaufteilungs-Betriebsart (EVT-Betriebsart) und stellt
fünf oder
sechs feste Übersetzungen
(wovon eine unzweckmäßig sein
kann) bereit.
Wie
gezeigt ist, umfasst das Getriebe 210 ein Eingangselement 218,
das Leistung vom Verbrennungsmotor 212 empfängt und
die Leistung über
das Hohlradelement 222 an den ersten Planetenradsatz 220 abgibt.
Das
Getriebe 210 nutzt zwei Planetenradsätze. Der erste ist ein zusammengesetzter
Planetenradsatz 220, der das äußere Getriebeelement 222 verwendet,
das typisch als Hohlrad bezeichnet wird. Das Hohlrad 222 umgibt
ebenfalls ein inneres Getriebeelement 224, das typisch
als Sonnenrad bezeichnet wird. Die Trägeranordnung 226 im
Planetenradsatz 220 unterstützt jedoch zwei Sätze von
Planetenrädern 228, 229 drehbar.
Jedes der mehreren Planetenräder 229 ist
gleichzeitig mit dem inneren Sonnenrad 224 in Zahneingriff.
Jedes Planetenrad 229 ist mit einem und nur mit einem benachbarten
Planetenrad 228 in Zahneingriff. Jedes Planetenrad 228 ist
gleichzeitig mit dem äußeren Hohlradelement 222 in Zahneingriff.
Jedes Planetenrad 228 ist seinerseits mit einem und nur
mit einem benachbarten Planetenrad 229 in Zahneingriff.
Der
zweite Planetenradsatz 232 ist ein einfacher Planetenradsatz
und enthält
ein auch häufig
als Hohlrad bezeichnetes äußeres Getriebeelement 234, das
ein auch häufig
als Sonnenrad bezeichnetes inneres Getriebeelement 236 umgibt.
Wie es für
einen einfachen Planetenradsatz typisch ist, sind außerdem mehrere
Planetenräder 238 in
einem Träger 240 drehbar
angebracht, derart, dass jedes Planetenradelement 238 gleichzeitig
sowohl mit dem äußeren Getriebeelement,
dem Hohlrad 234, als auch dem inneren Getriebeelement,
dem Sonnenrad 236, des zweiten Planetenradsatzes 232 in
Zahneingriff ist, jedoch sind die Planetenrad- oder Ritzelelemente 238 nicht
miteinander in Eingriff.
Das
Getriebe 210 enthält
außerdem
einen ersten und einen zweiten Motor/Generator 246 bzw. 248.
Der Stator 250 des ersten Motors/Generators 246 ist
an der im Allgemeinen ringförmigen
Innenfläche 252 des
Getriebegehäuses 254 befestigt.
Der Rotor 256 des ersten Motors/Generators 246 ist an dem
inneren Sonnenrad 224 des ersten Planetenradsatzes 220 befestigt.
Das
Hohlrad 234 des zweiten Planetenradsatzes 232 kann
selektiv durch eine erste Drehmomentübertragungsvorrichtung 262 (C1)
mit dem Gehäuse 254 als
Masse verbunden sein. Das heißt, dass
das mit Masse verbundene Hohlrad 234 durch eine wirksame
Verbindung mit dem nicht drehbaren Gehäuse 254 selektiv gegen
Drehung gesichert ist. Das Hohlrad 234 des zweiten Planetenradsatzes 232 ist
außerdem
selektiv durch eine zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung 264 (C2)
mit dem Sonnenradelement 224 verbunden. Die erste und die zweite
Drehmoment übertragungsvorrichtung 262 und 264 werden
verwendet, um die Wahl der Betriebsarten des Hybridgetriebes 210 zu
unterstützen.
Der
Träger 226 ist
selektiv durch die Drehmomentübertragungsvorrichtung 265 (C3)
mit dem Getriebegehäuse
als Masse verbunden. Außerdem ist
das Sonnenradelement 224 selektiv durch die Drehmomentübertragungsvorrichtung 267 (C4)
mit dem Sonnenradelement 236 verbunden.
Eine
fünfte
Drehmomentübertragungsvorrichtung 269 (C5)
verbindet selektiv den Träger 226 mit
dem Sonnenradelement 236.
Der
Stator 266 des zweiten Motors/Generators 248 ist
ebenfalls an der im Allgemeinen ringförmigen Innenfläche 252 des
Getriebegehäuses 254 befestigt.
Der Rotor 268 des zweiten Motors/Generators 248 ist
am Sonnenradelement 236 des zusammengesetzten Planetenradsatzes 232 befestigt.
Die
zwei Planetenradsätze 220 und 232 sowie
die zwei Motoren/Generatoren 246 und 248 können koaxial
um die axial angeordnete zentrale Welle 242 orientiert
sein. Diese Konfiguration stellt sicher, dass die Gesamteinhüllende,
d. h. die Umfangsdimension, des Getriebes 210 minimiert
ist.
Das
Ausgangsantriebselement 270 des Getriebes 210 ist
am Träger 240 des
zweiten Planetenradsatzes 232 befestigt.
Das
Diagramm von 5 zeigt
Kupplungseinrückungen
für verschiedene
Betriebsbedingungen des Getriebes nach 4. Beispielsweise sind die Kupplungen 262 und 267 in
der Betriebsart "nur
elektrisch" (E1)
eingerückt.
Beide Motoren können
so arbeiten, dass sie das Fahrzeug ohne Eingangs- oder Überbrückungskupplung
bis an die Grenze ihres kombi nierten Drehmoments und ihrer kombinierten Leistung
und an die Batteriegrenzen vorwärts
oder rückwärts antreiben.
In
der Reihenhybridbetriebsart (S1) sind die Kupplungen 262 und 265 eingerückt (nach
einem Wechsel von Kupplung zu Kupplung zwischen den Kupplungen 267 und 265)
und wird Leistung vom Verbrennungsmotor durch den ersten Planetenradsatz 220,
in den ersten Elektromotor/Generator 246, in den zweiten
Motor/Generator 248 und durch den zweiten Planetenradsatz 232 zum
Ausgang 270 geleitet. Die Reihenhybridbetriebsart (S1)
kann zum Starten und Anhalten des Verbrennungsmotors verwendet werden.
In
der Betriebsart mit variabler Übersetzung (V1)
sind die Kupplungen 262 und 269 eingerückt, um
elektrisch verstellbare Übersetzungsverhältnisse in
einer Eingangsaufteilungs-Betriebsart (nach einem Wechsel zwischen
den Kupplungen 265 und 269) bereitzustellen.
Ein
erstes festes Übersetzungsverhältnis wird
bei eingelegtem Gang (F1) erreicht, wobei die Kupplungen 262, 267 und 269 eingerückt sind.
Ein zweites festes Übersetzungsverhältnis wird
bei eingelegtem Gang (F2) erreicht, wobei die Kupplungen 262, 264 und 269 eingerückt sind.
Ein drittes festes Übersetzungsverhältnis (F3)
wird erreicht, wenn die Kupplungen 262, 265 und 267 eingerückt sind.
Das vierte feste Übersetzungsverhältnis (F4)
wird erreicht, wenn die Kupplungen 264, 267 und 269 eingerückt sind.
Das fünfte
feste Übersetzungsverhältnis (F5)
wird mit den Kupplungen 264, 265 und 269 erreicht.
Das sechste feste Übersetzungsverhältnis (F6)
wird durch Einrückung
der Kupplungen 264, 265 und 267 erreicht.
In
der Betriebsart mit variabler Übersetzung (V2)
sind die Kupplungen 264 und 269 eingerückt, um
elektrisch verstellbare Übersetzungsverhältnisse in
einer Verbundaufteilungs-Betriebsart bereitzustellen.
Ein
Ausgangsaufteilungsbereich (V3) ist mit elektrisch verstellbaren Übersetzungsverhältnissen versehen,
wenn die Kupplungen 264 und 265 eingerückt sind,
wobei der erste Motor/Generator 246 bei einem festen Übersetzungsverhältnis mit
dem Eingang über
das Getriebe verbunden ist und der zweite Motor/Generator 248 Übersetzungsverhältniseinstellungen
an den zweiten Planetenradsatz 232 liefert. Dieser Ausgangsaufteilungsbereich
wird erreicht, indem die Kupplung 269 ausgerückt wird,
wodurch die Verbrennungsmotordrehzahl ohne Leistungsschleife abfallen
kann, was einen hohen Schnell- oder Schongang effizienter macht.
Es kann bei einem Schubbetrieb praktisch sein, von diesem Ausgangsaufteilungsbereich
unter synchronem Wechsel von Kupplung zu Kupplung zur Reihenhybridbetriebsart überzugehen.
Die
bisher dargelegte Erfindung stellt ein stufenlos verstellbares Verhältnis zwischen
Eingangsdrehzahl und Ausgangsdrehzahl bereit, so dass sie als Getriebe
sowohl für
ein Kraftfahrzeug als auch für ein öffentliches
Transportfahrzeug, das sehr verschiedenartigen Betriebsanforderungen
unterworfen ist, wirksam verwendet werden kann. Die Motordrehzahl
kann konstant bleiben oder unabhängig
von der Fahrgeschwindigkeit variieren. Das Schalten in die ausgewählte Betriebsart
kann synchron ohne verschwendete Energie geschehen, so dass das
Schalten unverzüglich,
unbemerkbar und ohne Verschleiß der
Getriebekomponenten vor sich gehen kann.
Beschreibung
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
In
einer nochmals weiteren Ausführungsform könnte das
Getriebe 210 nach 4 modifiziert
sein durch Entfallenlassen der Kupplung 265 (C3) und Verlegen
der Kupplung 267 (C4), so dass sie selektiv den Rotor 256 mit
dem Träger 226 verbindet,
während
es dennoch Eingangsaufteilungs-, Verbundaufteilungs- und Ausgangsaufteilungs-Betriebsarten
bereitstellt. Bei dieser Konfiguration wird mit dem Einrücken der
Kupplungen 262 (C1) und 267 (C4) ein Reihenhybridbetrieb
(S1) erreicht. Die Betriebsart mit variabler Übersetzung (V1) wird mit dem
Einrücken der
Kupplungen 262 (C1) und 269 (C5) erreicht. Eine erste
feste Übersetzung
wird bei eingelegtem Gang (F1) mit eingerückten Kupplungen 262, 267 und 269 erreicht.
Eine zweite feste Übersetzung
wird bei eingelegtem Gang (F2) mit eingerückten Kupplungen 262, 264 und 269 erreicht.
Eine dritte feste Übersetzung
wird bei eingelegtem Gang (F3) mit eingerückten Kupplungen 264, 267 und 269 erreicht.
In der Betriebsart mit variabler Übersetzung (V2) sind die Kupplungen 264 und 269 eingerückt, um
elektrisch verstellbare Übersetzungen
in einer Verbundaufteilungs-Betriebsart bereitzustellen. Ein Ausgangsaufteilungsbereich
(V3) ist mit elektrisch verstellbaren Übersetzungen versehen, wenn
die Kupplungen 264 und 267 eingerückt sind.
Beschreibung
einer dritten bevorzugten Ausführungsform
In 6 ist eine mit dem Bezugszeichen 310 bezeichnete
weitere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung gezeigt. Dieses Getriebe gleicht dem Getriebe 210 nach 2 in der Funktion und im
Aufbau, mit Ausnahme, dass die Kupplung 267 von 4 versetzt worden ist.
Wie
gezeigt ist, umfasst das Getriebe 310 ein Eingangselement 318,
das Leistung vom Verbrennungsmotor 312 empfängt und
die Leistung über
das Hohlradelement 322 an den ersten Planetenradsatz 320 abgibt.
Das
Getriebe 310 nutzt zwei Planetenradsätze. Der erste ist ein zusammengesetzter
Planetenradsatz 320, der das äußere Getriebeelement 322, das
typisch als Hohlrad bezeichnet wird, verwendet. Das Hohlrad 322 umgibt
ebenfalls ein inneres Getriebeelement 324, das typisch
als Sonnenrad bezeichnet wird. Die Trägeranordnung 326 im
Planetenradsatz 320 unterstützt jedoch zwei Sätze von
Planetenrädern 328 und 329 drehbar.
Jedes der mehreren Planetenräder 329 ist
gleichzeitig mit dem inneren Sonnenrad 324 in Zahneingriff.
Jedes Planetenrad 329 ist mit einem und nur mit einem benachbarten Planetenrad 328 in
Zahneingriff. Jedes Planetenrad 328 ist gleichzeitig mit
dem äußeren Hohlradelement 322 in
Zahneingriff. Jedes Planetenrad 328 ist seinerseits mit
einem und nur mit einem benachbarten Planetenrad 329 in
Zahneingriff.
Der
zweite Planetenradsatz 332 ist ein einfacher Planetenradsatz
und enthält
ein auch häufig
als Hohlrad bezeichnetes äußeres Getriebeelement 334, das
ein auch häufig
als Sonnenrad bezeichnetes inneres Getriebeelement 336 umgibt.
Wie es für
einen einfachen Planetenradsatz typisch ist, sind außerdem mehrere
Planetenräder 338 in
einem Träger 340 drehbar
angebracht, derart, dass jedes Planetenradelement 338 gleichzeitig
sowohl mit dem äußeren Getriebeelement,
dem Hohlrad 334, als auch dem inneren Getriebeelement,
dem Sonnenrad 336, des zweiten Planetenradsatzes 332 in
Zahneingriff ist, jedoch sind die Planetenrad- oder Ritzelelemente 338 nicht
miteinander in Eingriff.
Das
Getriebe 310 enthält
außerdem
einen ersten und einen zweiten Motor/Generator 346 bzw. 348.
Der Stator 350 des ersten Motors/Gene rators 346 ist
an der im Allgemeinen ringförmigen
Innenfläche 352 des
Getriebegehäuses 354 befestigt.
Der Rotor 356 des ersten Motors/Generators 346 ist
an dem inneren Sonnenrad 324 des ersten Planetenradsatzes 320 befestigt.
Das
Hohlrad 334 des zweiten Planetenradsatzes 332 kann
durch eine erste Drehmomentübertragungsvorrichtung 362 (C1)
selektiv mit dem Gehäuse 354 als
Masse verbunden sein. Das heißt, dass
das mit Masse verbundene Hohlrad 334 durch eine wirksame
Verbindung mit dem nicht drehbaren Gehäuse 354 selektiv gegen
Drehung gesichert ist. Das Hohlrad 334 des zweiten Planetenradsatzes 332 ist
außerdem
durch eine zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung 364 (C2)
selektiv mit dem Sonnenradelement 324 verbunden.
Der
Träger 326 ist über die
Drehmomentübertragungsvorrichtung 365 (C3)
selektiv mit dem Getriebegehäuse
als Masse verbunden. Außerdem ist
das Sonnenradelement 336 über die Drehmomentübertragungsvorrichtung 367 (C4)
selektiv mit dem Hohlradelement 322 verbunden.
Eine
fünfte
Drehmomentübertragungsvorrichtung 369 (C5)
verbindet selektiv den Träger 326 mit
dem Sonnenradelement 336.
Die
Drehmomentübertragungsvorrichtungen 362, 364, 365, 367 und 369 sind
vorzugsweise alle Klauenkupplungen.
Der
Stator 366 des zweiten Motors/Generators 348 ist
ebenso an der im Allgemeinen ringförmigen Innenfläche 352 des
Getriebegehäuses 354 befestigt.
Der Rotor 368 des zweiten Motors/Generators 348 ist
am Sonnenradelement 336 des Planetenradsatzes 332 befestigt.
Die
zwei Planetenradsätze 320 und 332 sowie
die zwei Motoren/Generatoren 346 und 348 können koaxial
um die axial angeordnete zentrale Welle 342 orientiert
sein. Diese Konfiguration stellt sicher, dass die Gesamteinhüllende,
d. h. die Umfangsdimension, des Getriebes 310 minimiert
ist.
Das
Ausgangsantriebselement 370 des Getriebes 310 ist
am Träger 340 des
zweiten Planetenradsatzes 332 befestigt.
Das
Diagramm von 7 zeigt
Kupplungseinrückungen
für verschiedene
Betriebsbedingungen des Getriebes nach 6. Diese Einrückungen von Drehmomentübertragungsvorrichtungen
sind zu jenen, die oben mit Bezug auf 5 beschrieben
worden sind, ähnlich,
mit Ausnahme, dass sich die Einrückungen
für feste Übersetzungen
verändert
haben und die Übersetzungen
E1, E2 und F6 beseitigt worden sind.
Wie
in 7 gezeigt ist, wird
ein erstes festes Übersetzungsverhältnis bei
eingelegtem Gang (F1) erreicht, wobei die Kupplungen 362, 367 und 369 eingerückt sind.
Ein zweites festes Übersetzungsverhältnis wird
bei eingelegtem Gang (F2) erreicht, wobei die Kupplungen 362, 364 und 369 eingerückt sind.
Ein drittes festes Übersetzungsverhältnis (F3)
wird erreicht, wenn die Kupplungen 364, 367 und 369 eingerückt sind.
Das vierte feste Übersetzungsverhältnis (F4)
wird erreicht, wenn die Kupplungen 364, 365 und 369 eingerückt sind.
Das fünfte
feste Übersetzungsverhältnis (F5)
wird mit den Kupplungen 364, 365 und 367 erreicht.
Die übrigen Betriebsarten
sind dieselben wie jene, die oben mit Bezug auf 5 beschrieben worden sind. Der dritte
EVT-Bereich (V3), ein Ausgangsaufteilungs-Oberbereich ermöglicht ein
Zusammendrücken
der Eingangsaufteilungs- und Verbundaufteilungsbereiche, das die
Menge an Leistung, die von den Elektromotoren/Generatoren 346, 348 verwendet
wird, ohne Verwendung eines Betriebs mit festen Übersetzungsverhältnissen
begrenzt. Der Betrieb mit festen Übersetzungsverhältnissen
führt insbesondere
bei F4 und F5 (Schongang) zu einer verbesserten Kraftstoffeinsparung. Der
Reihenbetrieb ist für
Rückwärtsfahrt
und für
das Starten und Anhalten des Verbrennungsmotors vorgesehen. Um einen
Kaltstart zu ermöglichen,
würden normal
entweder C3 (365) oder C5 (369) eingerückt.
Beschreibung
einer vierten bevorzugten Ausführungsform
In 8 ist ein Getriebe 410 gemäß einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Dieses Getriebe gleicht dem Getriebe 310 nach 6 in der Funktion und im
Aufbau, mit Ausnahme, dass die Kupplung 469 hinzugefügt worden
ist.
Wie
gezeigt ist, umfasst das Getriebe 410 ein Eingangselement 418,
das Leistung vom Verbrennungsmotor 412 empfängt und
die Leistung über
das Hohlradelement 422 an den ersten Planetenradsatz 420 abgibt.
Das
Getriebe 410 nutzt zwei Planetenradsätze. Der erste ist ein zusammengesetzter
Planetenradsatz 420, der das äußere Getriebeelement 422, das
typisch als Hohlrad bezeichnet wird, verwendet. Das Hohlrad 422 umgibt
ebenfalls ein inneres Getriebeelement 424, das typisch
als Sonnenrad bezeichnet wird. Die Trägeranordnung 426 im
Planetenradsatz 420 unterstützt jedoch zwei Sätze von
Planetenrädern 328 und 329 drehbar.
Jedes der mehreren Planetenräder 429 ist
gleichzeitig mit dem inneren Sonnenrad 324 in Zahneingriff.
Jedes Planetenrad 329 ist mit einem und nur mit einem benachbarten Planetenrad 428 in
Zahneingriff. Jedes Planetenrad 428 ist gleichzeitig mit
dem äußeren Hohlradelement 422 in
Zahneingriff. Jedes Planetenrad 428 ist seinerseits mit
einem und nur mit einem benachbarten Planetenrad 429 in
Zahneingriff.
Der
zweite Planetenradsatz 432 ist ein einfacher Planetenradsatz
und enthält
ein auch häufig
als Hohlrad bezeichnetes äußeres Getriebeelement 434, das
ein auch häufig
als Sonnenrad bezeichnetes inneres Getriebeelement 436 umgibt.
Wie es für
einen einfachen Planetenradsatz typisch ist, sind außerdem mehrere
Planetenräder 438 auch
in einem Träger 440 drehbar
angebracht, derart, dass jedes Planetenradelement 438 gleichzeitig
sowohl mit dem äußeren Getriebeelement,
dem Hohlrad 434, als auch dem inneren Getriebeelement,
dem Sonnenrad 436, des zweiten Planetenradsatzes 432 in
Zahneingriff ist, jedoch sind die Planetenrad- oder Ritzelelemente 438 nicht
miteinander in Eingriff.
Das
Getriebe 410 enthält
außerdem
einen ersten und einen zweiten Motor/Generator 446 bzw. 448.
Der Stator 450 des ersten Motors/Generators 446 ist
an der im Allgemeinen ringförmigen
Innenfläche 452 des
Getriebegehäuses 454 befestigt.
Der Rotor 456 des ersten Motors/Generators 446 ist
an dem inneren Sonnenrad 424 des ersten Planetenradsatzes 420 befestigt.
Das
Hohlrad 434 des zweiten Planetenradsatzes 432 kann
durch eine erste Drehmomentübertragungsvorrichtung 462 (C1)
selektiv mit dem Gehäuse 454 als
Masse verbunden sein. Das heißt, dass
das mit Masse verbundene Hohlrad 434 durch eine wirksame
Verbindung mit dem nicht drehbaren Gehäuse 454 selektiv gegen
Drehung gesichert ist. Das Hohlrad 434 des zweiten Planetenradsatzes 432 ist
außerdem
durch eine zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung 464 (C2)
selektiv mit dem Sonnenradelement 424 verbunden.
Der
Träger 426 ist über die
Drehmomentübertragungsvorrichtung 465 (C3)
selektiv mit dem Getriebegehäuse
als Masse verbunden. Außerdem ist
das Sonnenradelement 436 über die Drehmomentübertragungsvorrichtung 467 (C4)
selektiv mit dem Hohlradelement 422 verbunden.
Eine
fünfte
Drehmomentübertragungsvorrichtung 469 (C5)
verbindet selektiv den Träger 426 mit
dem Sonnenradelement 436. Eine sechste Drehmomentübertragungsvorrichtung 471 (C4B)
verbindet selektiv das Sonnenradelement 424 mit dem Sonnenradelement 436.
Die
Drehmomentübertragungsvorrichtungen 462, 464, 465, 467, 469 und 471 sind
vorzugsweise alle Klauenkupplungen.
Der
Stator 466 des zweiten Motors/Generators 448 ist
ebenso an der im Allgemeinen ringförmigen Innenfläche 452 des
Getriebegehäuses 454 befestigt.
Der Rotor 468 des zweiten Motors/Generators 448 ist
am Sonnenradelement 436 des Planetenradsatzes 432 befestigt.
Die
zwei Planetenradsätze 420 und 432 sowie
die zwei Motoren/Generatoren 446 und 448 können koaxial
um die axial angeordnete zentrale Welle 442 orientiert
sein. Diese Konfiguration stellt sicher, dass die Gesamteinhüllende,
d. h. die Umfangsdimension, des Getriebes 310 minimiert
ist.
Das
Ausgangsantriebselement 470 des Getriebes 410 ist
am Träger 440 des
zweiten Planetenradsatzes 432 befestigt.
Das
Diagramm von 9 zeigt
Kupplungseinrückungen
für verschiedene
Betriebsbedingungen des Getriebes nach 8. Diese Einrückungen von Drehmomentübertragungsvorrichtungen
sind zu jenen, die oben mit Bezug auf 7 beschrieben
worden sind, ähnlich,
mit Ausnahme, dass die sechste feste Übersetzung (F6) hinzugefügt worden
ist. Bei der sechsten festen Übersetzung
(F6) sind die Kupplungen 464, 465 und 469 einge rückt. Jedes
Schalten aus festen Übersetzungen
ist ein Einzelübergangsschalten.
Bei
diesem Entwurf ist eine siebte feste Übersetzung verfügbar, jedoch
erfordert sie ein Doppelübergangsschalten
und ist daher unzweckmäßig.
Schlussfolgerung
Jede
Ausführungsform
der Erfindung schafft ein elektrisch verstellbares Getriebe, das
ein Eingangselement, das Leistung von einem Verbrennungsmotor empfängt, ein
Ausgangselement, einen ersten und einen zweiten Planetenradsatz,
wovon jeder ein erstes, ein zweites und ein drittes Getriebeelement
aufweist, einen ersten und einen zweiten Elektromotor/Generator,
die mit Elementen der Planetenradsätze verbunden sind, und wenigstens
fünf selektiv
Drehmomentübertragungsvorrichtungen,
die ebenfalls mit Elementen der Planetenradsätze verbunden sind, umfasst.
Die Drehmomentübertragungsvorrichtungen
lassen sich selektiv und in Kombinationen von wenigstens zwei oder
drei einrücken, um
fünf oder
sechs verfügbare
feste Übersetzungsverhältnisse
und nacheinander eine Eingangsaufteilungs-Betriebsart, eine Verbundaufteilungs-Betriebsart
und eine Ausgangsaufteilungs-Betriebsart bereitzustellen, wenn die
Ausgangsdrehzahl des Getriebes ansteigt.
Obwohl
lediglich vier bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung offenbart sind, sind die Konzepte der
vorliegenden Erfindung selbstverständlich für verschiedene Änderungen,
die einem Fachmann auf dem Gebiet offenbar werden, zugänglich.
Daher ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die gezeigten
und beschriebenen Einzelheiten begrenzt, sondern so auszulegen,
dass er alle Abwandlungen und Abänderungen
umfasst, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
In
den Ansprüchen
bezieht sich der Ausdruck "kontinuierlich
verbunden" auf eine
direkte Verbindung oder eine proportional übersetzte Verbindung wie etwa
eine Getriebeabstufung an einer versetzten Achse.