DE102006054364A1

DE102006054364A1 - Elektromechanisches Getriebe mit sechs Gängen und Verfahren zum Umkonstruieren eines Getriebes

Info

Publication number: DE102006054364A1
Application number: DE102006054364A
Authority: DE
Inventors: Henryk Oxford Sowul; James D. Belleville Hendrickson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2007-07-12
Also published as: CN1971090A; CN100480541C; US7347797B2; US20070117668A1

Abstract

Es ist ein elektromechanisches Getriebe vorgesehen, das ein Antriebselement zum Empfang von Leistung von einer Maschine und ein Abtriebselement aufweist. Mehrere Zahnradelemente sind betreibbar, um ein Drehzahlverhältnis zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement zu verändern. Der Antrieb ist mit einem der Zahnradelemente verbunden und der Abtrieb ist mit einem anderen der Zahnradelemente verbunden. Ein Motor/Generator ist ständig wirksam mit dem Abtriebselement (über einen Planetenradsatz) parallel zu dem Zahnradelement, das ständig mit dem Abtriebselement verbunden ist, verbunden. Der Motor/Generator ist axial zwischen das Antriebselement und die mehreren Zahnradelemente gepackt. Der Motor/Generator ist in einen Packungsraum gepackt, der typischerweise für einen Drehmomentwandler in einem nicht elektromechanischen Getriebe benutzt wird. Somit umfasst ein Umkonstruieren des nicht elektromechanischen Getriebe, um das elektromechanische Getriebe zu erreichen, eine minimale Anzahl von Schritten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft elektromechanische Getriebe und eine Getriebekonstruktion.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennkraftmaschinen, insbesondere jene von der Art mit hin- und hergehendem Kolben, treiben gegenwärtig die meisten Fahrzeuge an. Derartige Maschinen sind relativ effiziente, kompakte, leichte und kostengünstige Mechanismen, durch die hochkonzentrierte Energie in der Form von Kraftstoff in mechanische Nutzleistung umgewandelt wird. Ein neuartiges Getriebesystem, das mit Brennkraftmaschinen verwendet werden kann und das den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen vermindern kann, kann für die Allgemeinheit von großem Nutzen sein.

Die breite Vielfalt in den Anforderungen, die Fahrzeuge typischerweise an Brennkraftmaschinen stellen, erhöht den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen über den Idealfall für derartige Maschinen hinaus. Typischerweise wird ein Fahrzeug von solch einer Maschine angetrieben, die durch einen kleinen Elektromotor und relativ kleine elektrische Speicherbatterien aus einem kalten Zustand gestartet wird und anschließend schnell durch Antriebs- und Zusatzausrüstung unter Lasten gesetzt wird. Eine derartige Maschine wird auch durch einen breiten Bereich von Drehzahlen und einem breiten Bereich von Lasten und typischerweise mit einem Durchschnitt von etwa einem Fünftel seiner maximalen Ausgangsleistung betrieben.

Ein Fahrzeuggetriebe liefert typischerweise mechanische Leistung von einer Maschine an den Rest eines Antriebssystems, wie ein festes Achsantriebsgetriebe, Achsen und Räder. Ein typisches mechanisches Getriebe erlaubt eine gewisse Freiheit im Maschinenbetrieb, und zwar gewöhnlich durch alternative Auswahl von fünf oder sechs unterschiedlichen Antriebsübersetzungsverhältnissen, eine Neutralauswahl, die zulässt, dass die Maschine Nebenaggregate bei stehendem Fahrzeug betreiben kann, und Kupplungen oder einen Drehmomentwandler für glatte Übergänge zwischen Antriebsübersetzungsverhältnissen und um das Fahrzeug aus der Ruhe bei drehender Maschine zu starten. Die Getriebegangauswahl lässt typischerweise zu, dass Leistung von der Maschine an den Rest des Antriebssystems mit einem Verhältnis von Drehmomentvervielfachung und Drehzahlreduktion, mit einem Verhältnis von Drehmomentreduktion und Drehzahlvervielfachung, das als Overdrive bekannt ist, oder mit einem Rückwärtsübersetzungsverhältnis abgegeben werden kann.

Eine Elektromotor/Generator kann mechanische Leistung von der Maschine in elektrische Leistung umwandeln und kann auch diese elektrische Leistung zurück in mechanische Leistung mit unterschiedlichen Drehmomenten und Drehzahlen für den Rest des Fahrzeugantriebssystems umwandeln. Diese Anordnung erlaubt eine kontinuierliche Veränderung im Verhältnis von Drehmoment und Drehzahl zwischen der Maschine und dem Rest des Antriebssystems innerhalb der Grenzen der elektrischen Maschinerie.

Eine Form einer Getriebezahnradanordnung ist eine Differenzialzahnradanordnung, die, wie es Fachleuten bekannt ist, einen Planetenradsatz bil den kann. Eine Planetenradanordnung ist gewöhnlich die bevorzugte Ausführungsform, die in mit differenziellen Zahnradanordnungen ausgestatteten Erfindungen angewandt wird, mit den Vorteilen einer Kompaktheit und unterschiedlicher Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen allen Elementen des Planetenradsatzes. Eine Differenzialzahnradanordnung kann alternativ Kegelräder oder andere Zahnräder in einer Anordnung verwenden, in der die Drehgeschwindigkeit von mindestens einem Element eines Zahnradsatzes immer ein gewichtetes Mittel der Drehzahlen der beiden anderen Elemente ist.

Ein Getriebesystem für ein Hybridelektrofahrzeug umfasst auch eine oder mehrere elektrische Energiespeichereinrichtungen. Die typische Einrichtung ist eine chemisch-elektrische Speicherbatterie, es können aber auch kapazitive oder mechanische Einrichtungen, wie etwa ein elektrisch angetriebenes Schwungrad, enthalten sein. Ein Speicher für elektrische Energie lässt zu, dass die mechanische Ausgangsleistung von dem Getriebesystem zu dem Fahrzeug von der mechanischen Eingangsleistung von der Maschine zu dem Getriebesystem abweichen kann. Die Batterie oder andere Einrichtung erlaubt auch das Starten der Maschine mit dem Getriebesystem und ein regeneratives Bremsen des Fahrzeugs.

Hybridsysteme können eingesetzt werden, indem der Antriebsstrang eines Fahrzeugs vollständig umkonstruiert wird. Ein hohes Niveau an Hybridisierung kann mit derartigen "Vollhybrid"-Systemen erreicht werden, die mehrere Hybridfunktionen, wie etwa Stopp-Start der Maschine, regeneratives Bremsen, Elektromotorunterstützung, elektrisches Anfahren, enthalten. Derartige kundenangepasste Hybridsysteme finden typischerweise bei existierenden Antriebssträngen begrenzte Anwendung, da eine beträchtliche Modifikation des Fahrzeugs aufgrund von Packungsbeschränkungen erforderlich wäre.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein elektromechanisches Getriebe vorgesehen, das mit minimalen Konstruktionsänderungen in einem existierenden Antriebsstrang eingesetzt werden kann. Somit können eine Hybridfunktionalität und die dieser eigenen Vorteile mit minimalen Konstruktionsänderungen und deren zugehörigen Kosten erreicht werden. Im Besonderen sind Hybridsystemkomponenten in einer Basisgetriebehülle angeordnet, indem ein Drehmomentwandler beseitigt ist. Der axiale Raum, der zuvor von dem Drehmomentwandler eingenommen wurde, wird dazu verwendet, einen Elektromotor/Generator, einen zusätzlichen Planetenradsatz für eine Vervielfachung des Drehmoments des Elektromotors und wahlweise einen Dämpfer einzubauen. Vorzugsweise bleibt die Abtriebsdrehmomentstrecke unverändert. Der Motor/Generator ist mit der Abtriebsdrehmomentstrecke verbunden und ist durch das Gangschaltmuster unbeeinflusst, wodurch zugelassen wird, dass ein optimales regeneratives Bremsen erfolgen kann.

Das elektromechanische Getriebe weist ein Antriebselement zum Empfang von Leistung von einer Maschine und ein Abtriebselement auf. Es sind mehrere Zahnradelemente vorgesehen, die betreibbar sind, um das Drehzahlverhältnis zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement zu verändern. Das Antriebselement ist mit einem der Zahnradelemente verbunden, und das Abtriebselement ist mit einem anderen der Zahnradelemente verbunden. Ein Motor/Generator (der hierin auch als eine Elektromaschine bezeichnet sein kann) ist wirksam mit dem Abtriebselement parallel mit einem anderen der mehreren Zahnradelemente über einen zusätzlichen Planetenradsatz, der nachstehend beschrieben wird, verbunden (d.h. ständig verbunden). Der Motor/Generator ist axial zwischen das Antriebselement und die mehreren Zahnradelemente gepackt. Der Motor/Ge nerator ist ständig mit dem Abtriebselement verbunden, so dass Drehmoment zu dem Motor/Generator von dem Abtriebselement während des Bremsens und/oder Rollens glatt übertragen wird, wobei selektiv einrückbare Verbindungen fehlen. Somit wird ungeachtet des Drehzahlverhältnisses, das durch eingerückte Drehmomentübertragungsmechanismen hergestellt wird, das regenerative Bremsen durch das Schalten des Getriebes nicht beeinflusst.

Die mehreren Zahnradelemente können einen ersten, zweiten und dritten Planetenradsatz umfassen. Es sind mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen vorgesehen. Jeder Drehmomentübertragungsmechanismus ist selektiv einrückbar, um eines der Zahnradelemente mit einem anderen der Zahnradelemente, mit dem Antriebselement oder mit dem feststehenden Element zu verbinden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das elektromechanische Getriebe einen Planetenradsatz mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Element, die ein Hohlrad, ein Sonnenrad und ein Träger sein können, obwohl nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge. Der Planetenradsatz ist vorzugsweise von dem Motor/Generator umgeben und wird hierin als ein zusätzlicher Planetenradsatz bezeichnet.

Das Getriebe umfasst eine Hauptwelle und das Zahnradelement, das mit dem Antriebselement über die Hauptwelle verbunden ist. Das Abtriebselement kann eine Zwischenwelle sein, die koaxial mit der Hauptwelle ist. Der Motor/Generator ist vorzugsweise mit dem Sonnenrad verbunden, der Träger ist mit der Zwischenwelle verbunden, und das Hohlrad ist mit einem feststehenden Element, wie dem Getriebegehäuse verbunden. Diese Anordnung stellt die höchste Drehmomentvervielfachung bereit, die durch den Planetenradsatz erreichbar ist. Die mehreren Zahnradelemente (der erste, zweite und dritte Planetenradsatz), der Motor/Generator und der zusätzliche Planetenradsatz (der von dem Motor/Generator umgeben ist) rotieren vorzugsweise um eine gemeinsame Drehachse, die durch das Antriebselement und das Abtriebselement definiert ist.

Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung kann ein Dämpfer zwischen dem Antriebselement und den mehreren Zahnradelementen angeordnet und mit diesen verbunden sein, um Schwingungen der Maschine zu absorbieren.

Die oben beschriebene koaxiale Auslegung mit dem zwischen die Maschine und den ersten, zweiten und dritten Planetenradsatz gepackten Motor/Generator trägt zu einem Betrieb mit einem ergänzenden Motor/Generator, wie etwa einem Startermotor/Generator, bei, um die Maschine nach einem Hybridstopp oder während eines elektrischen Anfahrens zu starten. Der Startermotor/Generator kann als BAS (englisch von Belt Alternator Starter) bezeichnet sein. Es ist eine Kupplung vorgesehen, die selektiv einrückbar ist, um den Startermotor/Generator mit dem Antriebselement über eine Rotationsübertragungseinrichtung, wie etwa eine Ketten- und Scheibenanordnung, zu verbinden. Dies lässt zu, dass der Startermotor/Generator Drehmoment an das Antriebselement liefert, um die Maschine zu starten, oder Drehmoment von dem Antriebselement empfängt, um andere Fahrzeugkomponenten, wie etwa ein Servolenksystem oder ein Klimaanlagensystem, mit Energie zu beaufschlagen.

Aufgrund der Packungsanordnung des Motors/Generators zwischen der Maschine und den mehreren Zahnradelementen in einer koaxialen Anordnung zur gemeinsamen Rotation um die Drehachse der Zahnradelemente ist es möglich, ein existierendes Getriebe mit einer minimalen Anzahl von Modifikationsschritten umzukonstruieren, um das oben beschriebene elektromechanische Getriebe zu erhalten. Genauer umfasst ein Verfahren zum Umkonstruieren eines Getriebes, dass ein Getriebe mit einem Drehmomentwandler, einem Antriebselement und einem Abtriebselement sowie mehreren Zahnradelementen zum Übertragen von Drehmoment von dem Antriebselement auf das Abtriebselement bereitgestellt wird. Der Drehmomentwandler des Getriebes, das ein nicht hybrides Mehrganggetriebe ist, ist zwischen das Antriebselement und die mehreren Zahnradelemente gepackt. Das Abtriebselement ist axial zwischen den mehreren Zahnradelementen und dem Drehmomentwandler angeordnet. Der Drehmomentwandler definiert eine axiale Breite. Das Verfahren umfasst, dass der Drehmomentwandler durch einen Motor/Generator ersetzt wird, der ständig mit dem Abtriebselement verbunden und in der axialen Breite angeordnet wird. Der zusätzliche Planetenradsatz und der Dämpfer, die oben beschrieben wurden, werden vorzugsweise dem Getriebe ebenfalls innerhalb der axialen Breite hinzugefügt, die zuvor von dem Drehmomentwandler eingenommen wurde. Wenn der zusätzliche Planetenradsatz hinzugefügt wird, wird eines seiner Elemente ständig mit dem Motor/Generator verbunden, und ein anderes seiner Elemente wird ständig mit dem Abtriebselement verbunden und ist koaxial mit dem Motor/Generator. Somit wird ein nicht hybrides Getriebe in ein Hybridgetriebe umgewandelt, wobei nur die Packung innerhalb der axialen Breite, die von dem Drehmomentwandler eingenommen wird, beeinflusst wird.

Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsart der Erfindung in Verbindung genommen mit der begleitenden Zeichnung leicht deutlich werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Getriebes innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Zeichnung zeigt ein elektromechanisches Getriebe 10. Eine Maschine 12 ist mit dem Getriebe 10 wirksam verbunden, um diesem Leistung zu. liefern. Genauer beaufschlagt die Maschine 12 ein Antriebselement 17 mit Leistung. Leistung fließt von dem Antriebselement 17 durch mehrere Zahnradelemente 18 zu einem Abtriebselement 19. Die mehreren Zahnradelemente 18 umfassen einen ersten Planetenradsatz 20, einen zweiten Planetenradsatz 30 und einen dritten Planetenradsatz 40. Der erste Planetenradsatz 20 umfasst einen Sonnenrad 22, das von einem Hohlrad 24 umgeben ist (jeweils mit S1, R1 beschriftet) und einen Träger 29, an dem mehrere drehbare Planetenräder 27 gelagert sind. Die Planetenräder 27 kämmen mit sowohl dem Sonnenrad 22 als auch dem Hohlrad 24.
Der Planetenradsatz 30 umfasst auch ein Sonnenrad 32, ein Hohlrad 34 und einen Träger 39 (die jeweils mit S2, R2 beschriftet sind), an dem mehrere Planetenräder 37 drehbar gelagert sind. Die Planetenräder 37 kämmen mit sowohl dem Sonnenrad 32 als auch dem Hohlrad 34.
Der Planetenradsatz 40 umfasst ein Sonnenrad 42, ein Hohlrad 44 (jeweils mit S3, R3 beschriftet) und einen Träger 49, an dem mehrere Planetenräder 47 drehbar gelagert sind. Die Planetenräder 47 kämmen mit sowohl dem Sonnenrad 42 als auch dem Hohlrad 44. Obwohl jeder der Planetenradsätze 20, 30, 40 als einfacher Planetenradsatz dargestellt ist, kann ein oder können mehrere zusammengesetzte Planetenradsätze, wie ein Ra vigneaux-Zahnradsatz, innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung verwendet werden.
Die Antriebswelle 17 ist ständig mit dem Sonnenrad 32 über eine Hauptwelle 16 verbunden. Die Abtriebswelle 19 ist ständig mit dem Träger 29 verbunden. Ein Verbindungselement 70 verbindet das Hohlrad 44 ständig mit dem Träger 29. Ein Verbindungselement 72 verbindet den Träger 49 ständig mit dem Hohlrad 34. Ein Verbindungselement 74 verbindet den Träger 39 ständig mit dem Hohlrad 24.
Das elektromechanische Getriebe 10 umfasst mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 52, 54, 56, 58 und 59. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 ist eine Freilaufkupplung (Einwegkupplung). Die Kupplung 50 verbindet den Träger 49 selektiv mit einem feststehenden Element 76, d.h. dem Getriebegehäuse. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 52 ist ein feststehender Drehmomentübertragungsmechanismus, d.h. eine Bremse, die das Sonnenrad 42 selektiv mit dem Getriebegehäuse 76 verbindet. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 54 ist ein rotierender Drehmomentübertragungsmechanismus, d.h. eine Kupplung, und verbindet das Sonnenrad 42 selektiv mit der Hauptwelle 16 und somit mit dem Antriebselement 17. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 56 ist eine Kupplung, die den Träger 49 (und das Hohlrad 34 über das Verbindungselement 72) selektiv mit der Hauptwelle 16 und somit mit dem Antriebselement 17 verbindet. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 58 ist eine Bremse und verbindet das Sonnenrad 22 selektiv mit dem Getriebegehäuse 60. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 59 ist eine Bremse und verbindet den Träger 49 selektiv mit dem Getriebegehäuse 76.
Zusätzlich zum Empfang von Leistung von der Maschine 12 wird das elektromechanische Getriebe 10 auch selektiv von einem Motor/Generator 80 mit Energie beaufschlagt, der ständig mit dem Abtriebselement 19 durch einen zusätzlichen Planetenradsatz 60 verbunden ist. Der Motor/Generator 80 umfasst einen Stator 82, der ständig mit dem Getriebegehäuse 76 verbunden ist, sowie einen Rotor 84, der ständig mit einem Sonnenrad 62 (mit S0 beschriftet) des Planetenradsatze 60 verbunden ist. Der Planetenradsatz 60 umfasst ferner ein Hohlrad 64 (mit R0 beschriftet) und einen Träger 69, an dem mehrere Planetenräder 67 drehbar montiert sind. Die Planetenräder 67 kämmen mit sowohl dem Sonnenrad 62 als auch dem Hohlrad 64. Das Hohlrad 64 ist ständig an dem Getriebegehäuse 76 festgelegt. Somit ist der Motor/Generator 80 parallel zu den mehreren Zahnradelementen 18 geschaltet, um Leistung an das Abtriebselement 19 zu liefern, oder wenn er gesteuert ist, um als Generator zu wirken, Leistung von dem Abtriebselement 19 durch den Planetenradsatz 60 zu empfangen.
Wie es Fachleute verstehen werden, steht ein Controller 88, wie eine elektronische Steuereinheit, wirksam mit dem Motor/Generator 80 in Signalverbindung, um den elektrischen Leistungsfluss zwischen einer Energiespeichereinrichtung, wie einer Batterie 86, und dem Motor/Generator 80 zu steuern. Wenn somit der Motor/Generator 80 von dem Controller gesteuert wird, um als Motor zu wirken, fließt elektrische Leistung von der Batterie 86 zu dem Motor/Generator 80, um diesem Leistung zu liefern. Wenn der Motor/Generator 80 alternativ von dem Controller 88 gesteuert wird, um als Generator zu wirken, wandelt der Motor/Generator 80 Rotationsenergie in elektrische Leistung um, die in der Batterie 86 gespeichert wird.
Ein optionaler Dämpfer 90, wie eine Torsionsfeder, ist wirksam zwischen dem Antriebselement 17 und der Hauptwelle 16 angeordnet und mit die sen verbunden. Der Dämpfer 90 wirkt, um Schwingungen der Maschine zu absorbieren, so dass diese nicht zu der Hauptwelle 16 weitergeleitet werden und ein glatter Betrieb des Getriebes 10 nicht beeinträchtigt wird.
Wie es aus der Zeichnung deutlich wird, teilen sich die Antriebswelle 17 sowie die koaxiale Hauptwelle und das Abtriebselement 19 eine gemeinsame Drehachse 92, um die die Planetenradsätze 20, 30, 40, 60 sowie der Rotor 84 des Motors/Generators 80 rotieren. Rotierende Teile der Drehmomentübertragungsmechanismen rotieren auch um die gemeinsame Drehachse 92. Drehmoment wird von dem Abtriebselement 19 über ein erstes Zwischenrad 94, das um die gemeinsame Drehachse 92 rotiert, und ein Lager 96, das an dem Getriebegehäuse 76 festgelegt ist, übertragen. Ein erstes Zwischenrad 94 kämmt mit einem zweiten Zwischenrad 98, das um eine zweite Drehachse 100 rotiert. Ein drittes Zwischenrad 102 kämmt mit einem vierten Zwischenrad 104, um Achsantriebselementen 106, 108 Drehmoment zu liefern, die die Fahrzeugräder über einen Differenzialmechanismus 110 an einer dritten Drehachse 111 in Rotation versetzen.
Die Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 52, 54, 56, 58 und 59 sind selektiv einrückbar, um sechs Vorwärtsbetriebsarten und eine Rückwärtsbetriebsart bereitzustellen. So wie sie hierin verwendet wird, ist eine "Betriebsart" ein besonderer Betriebszustand, ob nun ein kontinuierlicher Bereich von Drehzahlverhältnissen oder nur ein festes Drehzahlverhältnis miteingeschlossen sind, welche durch Einrückung eines besonderen Drehmomentübertragungsmechanismus oder von besonderen Drehmomentübertragungsmechanismen erreicht werden. Ein Rückwärtsdrehzahlverhältnis wird mit der Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 54 und 59 hergestellt. Wenn das Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 20 2,24 beträgt, das Hohlrad/Sonnenrad- Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 30 2,17 beträgt und das Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 40 2,94 beträgt, wird das Rückwärtsübersetzungsverhältnis –2,94 sein. Eine erste Vorwärtsbetriebsart wird mit der Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 58 und 59 hergestellt. Wenn der Motor/Generator 80 gesteuert wird, um die Drehzahl des Abtriebselements 19 nicht zu beeinflussen, wird ein erstes festes Drehzahlverhältnis von 4,584 erreicht. Eine zweite Vorwärtsbetriebsart wird mit der Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 52 und 58 hergestellt. Wenn der Motor/Generator 80 gesteuert wird, um die Drehzahl des Abtriebselements 19 nicht zu beeinflussen, wird ein festes Drehzahlverhältnis von 2,964 erreicht. Eine dritte Vorwärtsbetriebsart wird mit der Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 54 und 58 hergestellt. Wenn der Motor/Generator 80 gesteuert wird, um die Drehzahl des Abtriebselements 19 nicht zu beeinflussen, wird ein festes Drehzahlverhältnis von 1,912 erreicht. Eine vierte Vorwärtsbetriebsart wird mit der Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 56 und 58 hergestellt. Wenn der Motor/Generator 80 gesteuert wird, um die Drehzahl des Abtriebselements 19 nicht zu beeinflussen, wird ein festes Drehzahlverhältnis von 1,446 erreicht. Eine fünfte Vorwärtsbetriebsart wird mit der Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 54 und 56 hergestellt und stellt ein direktes Antriebsübersetzungsverhältnis von 1,0 bereit. Eine sechste Vorwärtsbetriebsart wird mit der Einrückung der Kupplungen 52 und 56 hergestellt. Wenn der Motor/Generator 80 gesteuert wird, um die Drehzahl des Abtriebselements 19 nicht zu beeinflussen, wird die sechste Vorwärtsbetriebsart ein festes Übersetzungsverhältnis mit einem Drehzahlverhältnis von 0,746 sein. Das Gesamtgetriebeübersetzungsverhältnis unter Verwendung des oben genannten Beispiels von Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnissen beträgt 6,14.
Die koaxiale Anordnung des elektromechanischen Getriebes 10 lässt zu, dass der Motor/Generator 80, der Planetenradsatz 60 und der Dämpfer 90 in einen Packungsraum 112 mit einer axialen Breite 114 gepackt werden können. Der Packungsraum 112 stellt auch einen Drehmomentwandler dar, der typischerweise in die axiale Breite 114 in einem nicht hybriden Mehrganggetriebe gepackt ist. Tatsächlich kann ein nicht hybrides Mehrganggetriebe umgewandelt oder umkonstruiert werden, um das elektromechanische Getriebe 10 zu erreichen, indem ein Drehmomentwandler aus dem Packungsraum 112 entfernt und der Motor/Generator 80, der Planetenradsatz 60 und der Dämpfer 90 eingebaut werden. Somit kann durch Packen der Hybridelemente (des Motors/Generators 80 und des zusätzlichen Planetenradsatzes 60) innerhalb des Packungsraums 112 ein effizienter Gebrauch einer existierenden Getriebekonstruktion gemacht werden, und ein elektromechanisches Getriebe 10 kann mit minimalen Umkonstruktionsschritten erreicht werden. Auch da das Abtriebselement 19 konzentrisch mit dem Antriebselement 17 und der Hauptwelle 16 ist, kann der Motor/Generator an dem Abtriebsende des Getriebes 10 ständig verbunden sein (d.h. mit dem Abtriebselement 19 unterstromig in dem Leistungsfluss von den selektiv einrückbaren Drehmomentübertragungsmechanismen verbunden sein). Dies lässt zu, dass der Motor/Generator 80 zum regenerativen Bremsen ohne Beeinflussung durch ein Schalten des Getriebes benutzt werden kann. Genauer kann der Motor/Generator Energie von dem Abtriebselement 19 während des Bremsens absorbieren und die Energie in der Batterie 86 speichern. Der Motor/Generator kann auf diese Weise in jeder Getriebebetriebsart arbeiten (d.h. in jeder Kombination von eingerückten Drehmomentübertragungsmechanismen, die eine Getriebeübersetzung oder einen Getriebeübersetzungsbereich herstellen), da an der Verbindung zwischen dem Abtriebselement 19 und dem Motor/Generator keine selektiven Einrückungen erfolgen (d.h. keiner der Drehmomentübertragungsmechanismen ist zwischen dem Abtriebsele ment 19 und der Verbindung zu dem Motor/Generator 80 angeordnet und mit diesen verbunden).
Das elektromechanische Getriebe 10 benutzt einen Maschinenstartermotor/Generator 116, um die Maschine nach einem Hybridstopp zu starten. Zum Starten der Maschine wird der Startermotor/Generator 116 (der auch als BAS-Motor (englisch von Belt Alternator Stator Motor) bezeichnet wird, dessen Arbeitsweise dem Fachmann geläufig ist) selektiv mit dem Antriebselement 17 über Einrückung einer Kupplung 118 verbunden, die Drehmoment von dem Startermotor/Generator 116 auf das Antriebselement 17 über ein Rotationsübertragungselement 120, wie etwa eine Kette oder ein Riemen, überträgt, welche die Starterwelle 122 mit der Antriebswelle 17 über erste und zweite rotierende Elemente 124 und 126 verbindet. Die rotierenden Elemente 124 und 126 sind Riemenscheiben oder Kettenräder und sind ständig verbunden und rotieren jeweils um die Starterwelle 122 bzw. das Antriebselement 17. Die Kupplung 118 ist vorzugsweise eine elektromagnetische Kupplung. Die Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 58 und 59 sind eingerückt, um das erste feste Drehzahlverhältnis herzustellen, wobei der Drehmomentübertragungsmechanismus 59 rutschen gelassen wird, während die Maschinendrehzahl beim Anfahren zunimmt.
Wenn die Kupplung 118 eingerückt ist, kann Drehmoment von dem Antriebselement 17 auch zu der Starterwelle 122 und von dort über zusätzliche Rotationsübertragungselemente, wie Ketten 128 und 130, von einer Riemenscheibe oder einem rotierenden Element 132 an Riemenscheiben 134 und 136 geliefert werden. Von dort werden andere Fahrzeugkomponenten, die ein Servolenksystem 140 und ein Klimaanlagensystem 142 umfassen, mit Energie beaufschlagt. Wenn die Kupplung 118 von dem Antriebselement 17 getrennt wird, ist keine Maschinenleistung verfügbar, um andere Fahrzeugkomponenten mit Energie zu beaufschlagen. In diesem Zustand kann der Startermotor/Generator 116 als Generator benutzt werden, um die Komponenten 140, 142 über die Rotationsübertragungselemente 128, 130 und Riemenscheiben 132, 134 und 136 mit Energie zu beaufschlagen. Der Startermotor/Generator 116, die Kupplung 118 und die verschiedenen Rotationsübertragungselemente 120, 128 und 130, sowie die Riemenscheiben 126, 132, 134 und 136 umfassen das BAS-System.
Dementsprechend umfasst ein Verfahren zum Umkonstruieren eines Getriebes, das anhand des Getriebes 10 der Zeichnung beschrieben wird, dass ein Getriebe 10 bereitgestellt wird, das einen Drehmomentwandler aufweist (der durch den Packungsraum 112 dargestellt ist), welcher zwischen das Antriebselement 17 und die mehreren Zahnradelemente 18 gepackt ist. Das Getriebe 10 weist auch ein Abtriebselement 19 auf, das axial zwischen den mehreren Zahnradelementen 18 und dem Drehmomentwandler (d.h. dem Packungsraum 112) angeordnet ist. Der Drehmomentwandler definiert eine axiale Breite 114. Das Verfahren umfasst, dass der Drehmomentwandler durch einen Motor/Generator 80 ersetzt wird, der ständig mit dem Abtriebselement 19 verbunden und in der axialen Breite 114 angeordnet wird. Das Verfahren kann ferner umfassen, dass ein Differenzialzahnradsatz, wie etwa ein Planetenradsatz 60 mit einem ersten, zweiten und dritten Element, wie dem Sonnenrad 62, dem Hohlrad 64 und dem Träger 69, hinzugefügt wird. Eines der Elemente (das Sonnenrad 52) wird ständig mit dem Motor/Generator 80 verbunden, und das andere der Elemente (der Träger 69) wird ständig mit dem Abtriebselement 19 verbunden. Der Planetenradsatz 60 ist koaxial mit dem Motor/Generator 80 und wird in die axiale Breite 114 gepackt. Das Verfahren kann umfassen, dass ein Dämpfungselement 90 hinzugefügt wird, das mit dem Antriebselement 17 und den mehreren Zahnradelementen 18 verbunden wird und auch in die axiale Breite 114 gepackt wird. Durch dieses Verfahren kann ein existierendes nicht hybrides Getriebe umkonstruiert und in ein elektromechanisches Getriebe umgewandelt werden, indem einfach der Drehmomentwandler beseitigt wird und stattdessen ein Motor/Generator 80 in den Packungsraum 112, der zuvor von dem Drehmomentwandler eingenommen wurde, gepackt wird.
Obgleich die besten Arten zur Ausführung der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Elektromechanisches Getriebe, umfassend: ein Antriebselement zum Empfang von Leistung von einer Maschine; ein Abtriebselement; mehrere Zahnradelemente, die betreibbar sind, um ein Drehzahlverhältnis zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement zu verändern; wobei das Antriebselement mit einem der Zahnradelemente verbunden ist und das Abtriebselement mit einem anderen der Zahnradelemente verbunden ist; und einen Motor/Generator, der wirksam mit dem Abtriebselement parallel zu dem anderen der Zahnradelemente verbunden ist; wobei der Motor/Generator axial zwischen das Antriebselement und die mehreren Zahnradelemente gepackt ist.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei die mehreren Zahnradelemente und der Motor/Generator um eine gemeinsame Drehachse rotieren, die durch das Antriebselement und das Abtriebselement definiert ist.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine Hauptwelle, wobei das Zahnradelement, das mit dem Antriebselement verbunden ist, über die Hauptwelle verbunden ist; und wobei das Abtriebselement eine Zwischenwelle ist, die koaxial mit der Hauptwelle ist.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 3, ferner umfassend: einen Planetenradsatz mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Element; wobei der Motor/Generator mit einem der Elemente des Planetenradsatzes verbunden ist und die Zwischenwelle mit einem anderen der Elemente des Planetenradsatzes verbunden ist.
Motor/Generator nach Anspruch 4, wobei die Elemente des Planetenradsatzes ein Hohlrad, ein Sonnenrad und einen Träger umfassen; und wobei der Motor/Generator mit dem Sonnenrad verbunden ist, der Träger mit der Zwischenwelle verbunden ist und das Hohlrad mit einem feststehenden Element verbunden ist.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Dämpfer, der zwischen dem Antriebselement und den mehreren Zahnradelementen angeordnet und mit diesen verbunden ist.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Startermotor/Generator; ein Rotationsübertragungselement; eine Kupplung, die selektiv einrückbar ist, um den Startermotor/Generator mit dem Antriebselement über das Rotationsübertragungselement zu verbinden, um zuzulassen, dass der Startermotor/Generator Drehmoment an das Antriebselement liefert, um die Maschine zu starten, oder Drehmoment von dem Antriebselement empfängt, um andere Fahrzeugkomponenten mit Energie zu beaufschlagen.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei die mehreren Zahnradelemente einen ersten, einen zweiten und einen dritten Planetenradsatz umfassen, und darüber hinaus umfassen: mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen, wobei jeder Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv einrückbar ist, um je eines der Zahnradelemente selektiv mit je einem anderen der Zahnradelemente, mit dem Antriebselement oder mit einem feststehenden Element zu verbinden.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 8, wobei die Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar sind, um mehrere Vorwärtsbetriebsarten herzustellen; und wobei der Motor/Generator ständig mit dem Abtriebselement verbunden ist, so dass eine Drehmomentübertragung von dem Abtriebselement auf den Motor/Generator in jeder der Vorwärtsbetriebsarten auftreten kann.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei sich das Getriebe durch das Fehlen eines Drehmomentwandlers auszeichnet.
Elektromechanisches Getriebe, umfassend: ein Antriebselement zum Empfang von Leistung von einer Maschine; ein Abtriebselement; eine Hauptwelle; wobei das Abtriebselement konzentrisch mit der Hauptwelle ist; mehrere Zahnradelemente, die zwischen der Hauptwelle und dem Abtriebselement angeordnet und mit diesen verbunden sind, um das Drehzahlverhältnis dazwischen zu verändern; einen Motor/Generator; und einen Differenzialzahnradsatz mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Element, wobei der Motor/Generator mit einem der Elemente des Differenzialzahnradsatzes verbunden ist und das Abtriebselement mit einem anderen der Elemente des Differenzialzahnradsatzes verbunden ist, wobei der Motor/Generator und der Differenzialzahnradsatz konzentrisch und koaxial zur Rotation um die Hauptwelle und das Abtriebselement ausgerichtet sind.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 11, ferner umfassend: einen Dämpfer, der zwischen dem Antriebselement und der Hauptwelle angeordnet und mit diesen verbunden ist, um Schwingungen der Maschine zu absorbieren.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 11, wobei der Motor/Generator und das Abtriebselement ständig mit den jeweiligen Elementen des Differenzialzahnradsatzes verbunden sind.
Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 11, ferner umfassend: einen Startermotor/Generator; ein Rotationsübertragungselement; und eine Kupplung, die selektiv einrückbar ist, um den Startermotor/Generator mit dem Antriebselement über die Rotationsübertragungseinrichtung zu verbinden, um zuzulassen, dass der Startermo tor/Generator Drehmoment an das Antriebselement liefert, um die Maschine zu starten, oder Drehmoment von dem Antriebselement empfängt, um andere Fahrzeugkomponenten mit Energie zu beaufschlagen.
Verfahren zum Umkonstruieren eines Getriebes, das umfasst, dass: ein Getriebe bereitgestellt wird, dass: einen Drehmomentwandler; ein Antriebselement und ein Abtriebselement; und mehrere Zahnradelement zum Übertragen von Drehmoment von dem Antriebselement auf das Abtriebselement aufweist; wobei der Drehmomentwandler zwischen das Antriebselement und die mehreren Zahnradelemente gepackt ist, und das Abtriebselement axial zwischen den mehreren Zahnradelementen und dem Drehmomentwandler angeordnet ist; und wobei der Drehmomentwandler eine axiale Breite definiert; und der Drehmomentwandler durch einen Motor/Generator ersetzt wird, der ständig mit dem Abtriebselement verbunden und in der axialen Breite angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner umfasst, dass: ein Differenzialzahnradsatz hinzugefügt wird, der ein erstes, zweites und drittes Element aufweist, wobei eines der Elemente ständig mit dem Motor/Generator verbunden ist und ein anderes der Elemente ständig mit dem Abtriebselement verbunden ist, wobei der Differenzialzahnradsatz koaxial mit dem Motor/Generator ist und in die axiale Breite gepackt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner umfasst, dass: ein Dämpfungselement hinzugefügt wird, das zwischen dem Antriebselement und den mehreren Zahnradelementen angeordnet und mit diesen verbunden und in die axiale Breite gepackt wird.