DE102008010310A1

DE102008010310A1 - Elektrisch verstellbares Getriebe mit drei Modi

Info

Publication number: DE102008010310A1
Application number: DE102008010310A
Authority: DE
Inventors: Alan G. Clarkston Holmes; Michael R. Carmel Schmidt; Donald Carmel Klemen; Brendan M. Rochester Hills Conlon
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2008-10-02
Also published as: US7645206B2; CN101255908A; US20080207372A1; CN101255908B

Abstract

Es ist ein elektrisch verstellbares Getriebe mit einem ersten und einem zweiten Motor/Generator und drei Planetenradsätzen vorgesehen. Die Planetenradsätze weisen ständige Verbindungen und selektive Verbindungen über mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen auf, die drei elektrisch verstellbare Vorwärtsmodi bereitstellen. Die Planetenradsätze zeichnen sich bevorzugt durch effektive Übersetzungsverhältnisse aus, so dass ein im Wesentlichen gleiches maximales Drehmoment von jedem der Motoren/Generatoren während der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi für ein gegebenes Drehmoment an dem Antriebselement erforderlich ist. Dies lässt zu, dass der erste und zweite Motor/Generator im Wesentlichen die gleiche Größe haben können.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein elektrisch verstellbares Getriebe mit zwei Motoren/Generatoren, das drei elektrisch verstellbare Vorwärtsmodi aufweist, und bevorzugt mit einem im Wesentlichen gleichen maximalen Drehmomenterfordernis an den zwei Motoren/Generatoren für ein gegebenes Antriebsandrehmoment.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrisch verstellbare Getriebe weisen typischerweise ein Antriebselement, das mit einer Maschine verbunden ist, und ein oder zwei Motoren/Generatoren auf, die mit unterschiedlichen Elementen von Planetenradsätzen verbunden sind, um einen oder mehrere elektrisch verstellbare Betriebsmodi, Modi mit festem Drehzahlverhältnis und einen rein elektrischen (batteriebeaufschlagten) Modus zuzulassen. Elektrisch verstellbare Getriebe können die Kraftstoffwirtschaftlichkeit eines Fahrzeugs vielfältig verbessern. Beispielsweise kann die Maschine im Leerlauf, während Zeiträumen eines Verzögerns und Bremens und während Zeiträumen eines Betriebes mit niedriger Drehzahl oder leichter Last ausgeschaltet werden, um Wirkungsgradverluste aufgrund des Maschinenwiderstandes zu beseitigen. Aufgefangene Bremsenergie (über regeneratives Bremsen) oder Energie, die von einem der Motoren, der als Generator wirkt, in Zeiträumen, wenn die Maschine arbeitet, gespeichert wird, wird während dieser Zeiträume mit ausgeschalteter Maschine benutzt. Eine vorübergehende Anforderung nach Maschinendrehmoment oder -leistung wird durch die Motoren/Generatoren während des Betriebes in elektrisch verstellbaren Modi mit eingeschalteter Maschine ergänzt, was eine geringere Dimensionierung der Maschine zulässt, ohne das hervortretende Leistungsvermögen des Fahrzeugs zu verringern. Zusätzlich kann die Maschine für eine gegebene Leistungsanforderung bei oder in der Nähe des Punktes mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden. Die Motoren/Generatoren sind in der Lage, kinetische Energie des Fahrzeugs während des Bremsens aufzufangen, die dazu verwendet wird, die Maschine länger auszuhalten, Drehmoment oder Leistung der Maschine zu ergänzen und/oder bei einer niedrigeren Maschinendrehzahl zu arbeiten, und Nebenaggregatleistungsversorgungen zu ergänzen. Zusätzlich sind die Motoren/Generatoren bei der Nebenaggregatleistungserzeugung sehr effizient, und elektrische Leistung von der Batterie dient als eine verfügbare Drehmomentreserve, was einen Betrieb bei einem zahlenmäßig relativ niedrigen Übersetzungsverhältnis des Getriebes zulässt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein elektrisch verstellbares Getriebe mit zwei Elektromotoren/Generatoren und mehreren Planetenradsätzen vorgesehen. Das Getriebe stellt durch Einrückung von Drehmomentübertragungsmechanismen in unterschiedlichen Kombinationen drei elektrisch verstellbare Vorwärtsmodi bereit. Das maximale Drehmoment, das für jeden Motor/Generator erforderlich ist, ist bevorzugt für ein gegebenes Antriebsdrehmoment über die drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi im Wesentlichen gleich. Dies lässt zu, dass der erste und zweite Motor/Generator im Wesentlichen die gleiche Größe haben können.
Der erste, zweite und dritte Planetenradsatz des Getriebes können jeweils durch einen unterschiedlichen Hebel in einem Hebeldiagramm des Getrie bes dargestellt werden. Jeder Hebel weist einen ersten, einen zweiten und einen dritten Knoten auf, die ein jeweils unterschiedliches Element des durch den Hebel dargestellten Planetenradsatzes darstellen. Ein Antriebselement, ein Abtriebselement und der erste und zweite Motor/Generator sind mit unterschiedlichen Knoten verbunden. Drehmomentübertragungsmechanismen sind selektiv in unterschiedlichen Kombinationen einrückbar, um die Knoten miteinander oder mit einem feststehenden Element zu verbinden, um drei elektrisch verstellbare Vorwärtsmodi herzustellen. Die Knoten sind bevorzugt in diesen Modi derart miteinander verbunden, dass das Verhältnis des Abstandes zwischen dem Knoten, mit dem einer der Motoren/Generatoren verbunden ist, und einem gegebenen Knoten zu dem Abstand zwischen dem Knoten, mit dem das Antriebselement verbunden ist, und dem gegebenen Knoten in jedem elektrisch verstellbaren Modus gleich ist. (Der Motor/Generator, der bei diesem Verhältnis betrachtet wird, ist der, der in diesem elektrisch verstellbaren Modus das größere Drehmoment erfordert.) Deshalb ist für ein gegebenes Drehmoment an dem Antriebselement das maximale Drehmoment, das von einem der Motoren/Generatoren während der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi erforderlich ist, im Wesentlichen gleich dem maximalen Drehmoment, das von dem anderen Motor/Generator während der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi erforderlich ist.
Bevorzugt ist das Drehmomentverhältnis zwischen dem Antriebselement und einem Motor/Generator während eines ersten Modus mit variablem Drehzahlverhältnis in Wesentlichen gleich dem Drehmomentverhältnis zwischen dem Antriebselement und dem gleichen Motor/Generator während eines zweiten Modus mit variablem Drehzahlverhältnis, und im Wesentlichen gleich dem Drehmomentverhältnis zwischen dem einen Motor/Generator und dem Antriebselement während eines dritten Modus mit Variablem Drehzahlverhältnis. Das maximale Drehmomentverhältnis zwi schen dem Antriebselement und dem ersten Motor/Generator während aller Modi mit variablem Drehzahlverhältnis kann somit im Wesentlichen gleich dem maximalen Drehmomentverhältnis zwischen dem Antriebselement und dem zweiten Motor/Generator während aller Modi mit variablem Drehzahlverhältnis sein.
Bevorzugt ist der erste elektrisch verstellbare Modus ein Modus mit Eingangsleistungsverzweigung, und der zweite und dritte elektrisch verstellbare Modus sind Modi mit kombinierter Leistungsverzweigung. Die Modi mit kombinierter Leistungsverzweigung zeichnen sich durch im Wesentlichen identische Verhältnisspreizungen aus.
In einer Ausführungsform ist ein Verbindungselement ständig mit einem Element des ersten Planetenradsatzes verbunden. Eines der Elemente des dritten Planetenradsatzes ist zur gemeinsamen Rotation mit entweder dem feststehenden Element oder einem der Motoren/Generatoren in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi verbunden. Ein anderes der Elemente des dritten Planetenradsatzes ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi verbunden. Das Element, das mit entweder dem feststehenden Element oder einem der Motoren/Generatoren verbunden ist, und das Element, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement verbunden ist, bestimmen das effektive Übersetzungsverhältnis des dritten Planetenradsatzes.
In einer anderen Ausführungsform ist jeder von dem ersten, zweiten und dritten Planetenradsatz durch einen jeweiligen Hebel mit drei Knoten dargestellt, die einen ersten, einen zweiten und einen dritten Knoten aufweisen, die das erste, zweite und dritte Element darstellen. Der erste und der dritte Planetenradsatz sind zusammengesetzte Planetenradsätze. Ein ers tes Verbindungselement verbindet den zweiten Knoten des ersten Hebels ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels. Ein zweites Verbindungselement verbindet den zweiten Knoten des zweiten Hebels ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem zweiten Knoten des dritten Hebels. Das Antriebselement ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des ersten Planetenradsatzes verbunden. Der erste Knoten des dritten Planetenradsatzes ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Abtriebselement verbunden. Der erste Motor/Generator ist ständig mit dem dritten Knoten des ersten Hebels verbunden. Der zweite Motor/Generator ist ständig mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels verbunden. Bevorzugt ist ein erster Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv einrückbar, um den dritten Knoten des dritten Hebels mit dem feststehenden Element zu verbinden, ein zweiter Drehmomentübertragungsmechanismus ist selektiv einrückbar, um den dritten Knoten des dritten Hebels zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels zu verbinden, ein dritter Drehmomentübertragungsmechanismus ist selektiv einrückbar, um den dritten Knoten des zweiten Hebels mit einem feststehenden Element zu verbinden, und ein vierter Drehmomentübertragungsmechanismus ist selektiv einrückbar, um den dritten Knoten des ersten Hebels zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Knoten des zweiten Hebels zu verbinden. Wenn die Drehmomentübertragungsmechanismen auf diese Weise verbunden sind, können der erste und dritte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt werden, um den ersten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen, der erste und vierte Drehmomentübertragungsmechanismus können eingerückt werden, um den zweiten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen, und der zweite und vierte Drehmomentübertragungsmechanismus können eingerückt werden, um den dritten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen.
Die in dem elektrisch verstellbaren Getriebe verwendeten Planetenradsätze zeichnen sich bevorzugt durch effektive Übersetzungsverhältnisse aus, die ein im Wesentlichen gleiches maximales Drehmoment von jedem der Motoren/Generatoren während der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi für ein gegebenes Drehmoment an dem Antriebselement erfordern. In einer Ausführungsform sind die effektiven Übersetzungsverhältnisse von zweien der drei Planetenradsätze nicht kleiner als 1,7 und nicht größer als 2,3, und das effektive Übersetzungsverhältnis des anderen Planetenradsatzes ist nicht kleiner als 1,0 und nicht größer als 1,4. In einer anderen Ausführungsform sind die effektiven Übersetzungsverhältnisse von zweien der drei Planetenradsätze nicht kleiner als 1,0 und nicht größer als 1,4, und das effektive Übersetzungsverhältnis des anderen Planetenradsatzes ist nicht kleiner als 1,7 und nicht größer als 2,3.
In Ausführungsformen, in denen der dritte Planetenradsatz ein zusammengesetzter Planetenradsatz ist, kann der dritte Planetenradsatz ein erstes Sonnenrad, einen Träger, der einen ersten und einen zweiten Satz Planetenräder drehbar lagert, und ein zweites Sonnenrad umfassen. Der erste und zweite Satz Planetenräder kämmen ständig miteinander, und das erste Sonnenrad kämmt ständig mit dem ersten Satz Planetenräder. Das zweite Sonnenrad kämmt ständig mit dem zweiten Satz Planetenräder. Durch die Benutzung eines solchen zusammengesetzten Planetenradsatzes ist ein effektives Übersetzungsverhältnis für den Satz, zwischen dem kleineren der zwei Sonnenräder und dem größeren der zwei Sonnenräder, von nur 1,0 verfügbar, wenn beide Sonnenräder die gleiche Größe aufweisen, wohingegen ein solches effektives Übersetzungsverhältnis zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad für einen einfachen Planetenradsatz, der ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen einzigen Satz Planetenräder verwendet, die alle in einer einzigen Ebene kämmen, nicht möglich ist.
In einer Ausführungsform, in der der dritte Planetenradsatz ein zusammengesetzter Planetenradsatz ist, kann alternativ der dritte Planetenradsatz ein Sonnenrad, einen Träger, der einen ersten und zweiten Satz Planetenräder drehbar lagert, und ein Hohlrad umfassen. Der erste und zweite Satz Planetenräder kämmt ständig miteinander, und das Sonnenrad kämmt ständig mit dem ersten Satz Planetenräder. Der zweite Satz Planetenräder kämmt ständig mit dem Hohlrad. Durch die Benutzung von zusammengesetzten Planetenradsätzen wie diesen ist ein effektives Übersetzungsverhältnis für den Satz zwischen dem Sonnenrad und dem Träger nahe bei dem von 1,0 für den dritten Planetenradsatz erreichbar, während ein einfacher Planetenradsatz mit einem solchen effektiven Übersetzungsverhältnis zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad nicht praktisch ausführbare kleine Planetenräder erfordern würde.
In einer Ausführungsform des elektrisch verstellbaren Getriebes umfassen die mehreren Planetenradsätze zumindest zwei Paare Elemente, die ständig zur gemeinsamen Rotation verbunden sind. Jedes der Paare umfasst Elemente von zweien der Planetenradsätze. Zumindest einer der Planetenradsätze umfasst ein erstes Zahnradelement, ein zweites Zahnradelement und einen Träger, der einen ersten Satz und einen zweiten Satz Planetenräder drehbar lagert. Der erste Satz Planetenräder kämmt mit dem ersten Zahnradelement, und der zweite Satz Planetenräder kämmt mit dem ersten Satz Planetenräder und mit dem zweiten Zahnradelement. Die Drehmomentübertragungsmechanismen sind selektiv in zumindest zwei Kombinationen von dreien einrückbar, um dadurch zwei unterschiedliche feste Drehzahlverhältnisse zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement zu bewirken. Zusätzlich sind die Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv in zumindest drei Kombinationen von zweien einrückbar, um dadurch in Verbindung mit den Elektromotoren/Generatoren Modi mit variablem Drehzahlverhältnis zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement zu bewirken.
Ein Verfahren zum Entwerfen eines Getriebes, das drei Planetenradsätze und zwei Motoren/Generatoren aufweist, umfasst, dass ständige Verbindungen zwischen den Motoren/Generatoren und ausgewählten der Planetenradsätze sowie selektive Verbindungen über Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen zwischen unterschiedlichen Elementen der Planetenradsätze oder zwischen einem Element von einem der Planetenradsätze und einem feststehenden Element ausgewählt werden, um dadurch drei elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsmodi über Einrückung unterschiedlicher Kombinationen der Drehmomentübertragungsmechanismen zu ermöglichen. Das Verfahren umfasst darüber hinaus, dass effektive Übersetzungsverhältnisse der drei Planetenradsätze ausgewählt werden, die ein im Wesentlichen gleiches maximales Drehmoment für jeden Motor/Generator für ein gegebenes Antriebsdrehmoment während der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi erfordern, wodurch zugelassen wird, dass der erste und zweite Motor/Generator im Wesentlichen die gleiche Größe haben können.
In einem elektrisch verstellbaren Getriebe absorbiert ein Motor/Generator typischerweise die Leistung, die von dem anderen erzeugt wird, um das Verhältnis des Getriebes zu verändern, so sind deren Leistungserfordernisse identisch, mit Ausnahme von Verlusten und Batterie- und Nebenaggregatleistung. Wenn das Getriebe mehr als einen elektrisch verstellbaren Betriebsmodus aufweist, dann arbeiten die Motoren/Generatoren typischerweise umschichtig unter Verwendung oder Zuführung von Batterieleistung, und deren Leistungserfordernisse sind im Wesentlichen für einen Hybridbetrieb sowie zum Übertragen von Maschinenleistung im Wesentlichen identisch. Daher minimiert das Bereitstellen gleicher Drehmomenter fordernisse, die zu den bereits gleichen Leistungserfordernissen passen, die Größe und Kosten der zwei Motoren/Generatoren für ein derartiges Getriebe. Das heißt mit gleichen Drehmomenterfordernissen für beide Motoren/Generatoren ist es nicht erforderlich, dass die zwei Motoren/Generatoren gleicher Leistung allein aus dem Grund der Entwicklung eines größeren Drehmoments größer sein müssen.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, leicht deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines elektrisch verstellbaren Getriebes, das in Hebeldiagrammform gezeigt ist;
2 ist eine schematische Darstellung der Ausführungsform von 1 in einem ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus;
3 ist eine schematische Darstellung der Ausführungsform von 1 in einem zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus;
4 ist eine schematische Darstellung der Ausführungsform von 1 in einem dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus;
5 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Getriebes von 1 in Stickdiagrammform;
6 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Getriebes von 1 in Stickdiagrammform;
7 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Getriebes von 1 in Stickdiagrammform;
8 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Getriebes von 1 in Stickdiagrammform;
9 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Getriebes von 1 in Stickdiagrammform;
10 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines elektrisch verstellbaren Getriebes, das in Hebeldiagrammform gezeigt ist;
11 ist eine schematische Darstellung der Ausführungsform von 10 in einem ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus;
12 ist eine schematische Darstellung der Ausführungsform von 10 in einem zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus;
13 ist eine schematische Darstellung der Ausführungsform von 10 in einem dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus; und
14 ist eine schematische Darstellung der Ausführungsform des Getriebes von 10 in Stickdiagrammform.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Hebeldiagrammausführungsform
In den Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile beziehen, veranschaulicht 1 einen Antriebsstrang 10, der eine Maschine 12 umfasst, die mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe 14 verbunden ist. Das Getriebe 14 ist entworfen, um zumindest einen Teil seiner Antriebsleistung von der Maschine 12 in einigen seiner Betriebsmodi aufzunehmen, wie es nachstehend besprochen wird. Die Maschine weist eine Abtriebswelle auf, die als ein Antriebselement 16 des Getriebes 14 dient. Eine Achsantriebseinheit 17 ist funktional mit einem Abtriebselement 18 des Getriebes 14 verbunden.
Das Getriebe 14 umfasst einen Hebel 20 mit drei Knoten, der einen ersten Planetenradsatz darstellt, der ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweist, die jeweils durch Knoten A, B bzw. C dargestellt sind. Die Elemente können ein Hohlrad, ein Sonnenrad und ein Träger sein, obwohl nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge. So wie er hierin verwendet wird, ist ein "Knoten" ein Bauteil eines Getriebes, wie etwa ein Hohlrad, ein Träger oder ein Sonnenrad, das sich durch eine Drehzahl auszeichnet, und das als eine Übergangsstelle von Drehmomenten wirken kann, die auf dieses Bauteil von anderen Bauteilen oder durch dieses Bauteil auf andere Bauteile aufgebracht werden. Die anderen Bauteile, die mit einem gegebenen Knoten in Wechselwirkung stehen können, können andere koaxiale Elemente des gleichen Satzes Planetenräder, die als andere Knoten an dem gleichen Hebel erscheinen, umfassen. Die anderen Bauteile, die mit einem gegebenen Knoten in Wechselwirkung stehen können, umfassen auch Verbindungen mit Elementen von anderen Planetenradsätzen, die als Knoten an einem anderen Hebel erscheinen, ein feststehendes Element, wie etwa einen Getriebekasten, oder andere Getriebeelemente.
Das Getriebe 14 umfasst darüber hinaus einen weiteren Hebel 30 mit drei Knoten, der einen zweiten Planetenradsatz darstellt, der ein erstes, ein zweites und eine drittes Element aufweist, die jeweils durch Knoten D, E, F dargestellt sind. Die Knoten D, E und F stellen jeweils ein Hohlrad, ein Sonnenrad und einen Träger dar, obwohl nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge. Das Getriebe 14 umfasst auch einen weiteren Hebel 40 mit drei Knoten, der einen dritten Planetenradsatz darstellt, der einen ersten, zweiten und dritten Knoten G, H bzw. I aufweist. Die Knoten G, H und I stellen jeweils ein Hohlrad, ein Sonnenrad und einen Träger dar, obwohl nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge.
Das Getriebe 14 weist mehrere feste Verbindungen auf. Ein Verbindungselement 70 verbindet die Knoten B, E und I ständig zur gemeinsamen Rotation. Das Verbindungselement 70 kann eine einzelne Welle umfassen, wie etwa eine Hauptwelle, die axial in dem Getriebe 14 verläuft. Alternativ können separate Verbindungselemente verwendet werden, beispielsweise um die Knoten B und E bzw. die Knoten E und I zu verbinden. Ein Motor/Generator 80 (der auch als M/G A bezeichnet wird) ist ständig mit dem Knoten C verbunden. Das Antriebselement 16 ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten A verbunden. Ein weiterer Motor/Generator 82 (der auch M/G B bezeichnet wird) ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten F verbunden. Der Knoten H ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Abtriebselement 18 verbunden. Wie es Fachleute verstehen werden, weisen die Motoren/Generatoren 80, 82 jeweils einen Rotor auf, der drehbar ist, und einen Stator, der an einem feststehenden Element, wie einem Gehäuse des Getriebes 14, ständig auf Masse festgelegt ist. Wie es nachstehend weiter besprochen wird, ist das Getriebe 14 derart konfiguriert, dass die Motoren/Generatoren 80 und 82 einem im Wesentlichen gleichen maximalen Drehmomenterfordernis ausgesetzt sind, das jeweils von jedem Motor/Generator an irgendeinen Punkt während drei elektrisch verstellbarer Vorwärtsmodi erforderlich ist. Dies lässt zu, dass die Motoren/Generatoren eine im Wesentlichen gleiche minimale Größe haben können.
Das Getriebe 10 weist auch mehrere selektiv einrückbare Drehmomentübertragungsmechanismen auf, die verschiedene Betriebsmodi bereitstellen, wie es nachstehend beschrieben ist. Ein Drehmomentübertragungsmechanismus 50, eine feststehende Kupplung, die auch als eine Bremse bezeichnet wird, ist selektiv einrückbar, um den Knoten G an einem feststehenden Element 84, wie etwa einem Gehäuse des Getriebes 14, auf Masse festzulegen. Ein Drehmomentübertragungsmechanismus 52, eine rotierende Kupplung, ist selektiv einrückbar, um den Knoten F und den Motor/Generator 82 zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten G zu verbinden. Ein weiterer Drehmomentübertragungsmechanismus 54, eine feststehende Kupplung, ist selektiv einrückbar, um den Knoten D an dem feststehenden Element 84 auf Masse festzulegen. Schließlich ist ein Drehmomentübertragungsmechanismus 56, eine rotierende Kupplung, selektiv einrückbar, um den Knoten C und den Motor/Generator 80 zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten D zu verbinden.
Ein zusätzlicher, optionaler Drehmomentübertragungsmechanismus 58 (der in 1 gestrichelt gezeichnet ist, um kenntlich zu machen, dass er optional ist) kann enthalten sein, um zusätzliche Betriebsmodi bereitzustellen, wie es nachstehend beschrieben ist. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 58, eine rotierende Kupplung, ist selektiv einrückbar, um Knoten A zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten C zu verbinden. Durch Verbinden der zwei Elemente des Planetenradsatzes, die durch die Knoten A und C von dem Hebel 20 dargestellt sind, bewirkt eine Einrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 58, dass alle Elemente des Planetenradsatzes, die durch den Hebel 20 dargestellt sind, mit der gleichen Drehzahl rotieren, wodurch er als Sperrkupplung fungiert.
Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 50 eingerückt ist, ist Knoten G ein Reaktionselement in dem Planetenradsatz, der durch den Hebel 40 dargestellt ist, und Leistung, die über das Verbindungselement 70 überführt wird, wird durch den Knoten I auf den Knoten H und daher auf das Abtriebselement 18 übertragen. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 52 eingerückt ist, nimmt der Motor/Generator 82 Leistung von dem Knoten G sowie dem Knoten F auf oder liefert diesen Leistung. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 54 eingerückt ist, ist der Knoten D feststehend gehalten und wird ein Reaktionselement in dem Planetenradsatz, der durch den Hebel 30 dargestellt ist. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 56 eingerückt ist, ist der Motor/Generator 80 zur Rotation mit dem Knoten D verbunden und empfängt oder akzeptiert Leistung durch den Knoten D sowie den Knoten C. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 58 eingerückt ist, ist der Planetenradsatz, der durch den Hebel 20 dargestellt ist, verriegelt, so dass die Drehzahl des Antriebselements dem Knoten E zugeführt wird.
Jede hierin besprochene Ausführungsform eines Antriebsstrangs und Getriebes weist eine elektrische Leistungsquelle auf, die funktional mit den Motoren/Generatoren verbunden ist, so dass die Motoren/Generatoren Leistung auf die Leistungsquelle überführen oder von dieser aufnehmen können. Ein Controller ist funktional mit der elektrischen Leistungsquelle verbunden, um die Verteilung von Leistung von oder auf die Leistungsquelle zu steuern. Eine elektrische Leistungsquelle kann eine oder mehrere Batterien aufweisen. Andere elektrische Leistungsquellen, wie Brennstoffzellen, haben die Fähigkeit, elektrische Leistung bereitzustellen oder zu speichern und abzugeben, und können anstelle von Batterien verwendet werden. Eine elektrische Leistungsquelle und ein Controller sind mit Bezug auf jede der Ausführungsformen der 5–9 und 14, die in Stickdiagrammform gezeigt sind, gezeigt und beschrieben. Die Ausführungsformen der 1–4 und 10–13, die in Hebeldiagrammform gezeigt sind, umfassen auch eine elektrische Leistungsquelle und einen Controller, obwohl dies nicht gezeigt ist, welche funktional mit den Motoren/Generatoren auf die gleiche Weise verbunden sind, wie es in den 5–9 und 14 gezeigt ist. Die Arbeitsdaten, die von Sensoren gesammelt werden, wie die Drehzahl des Antriebselements 16 und des Abtriebselements 18, können dem Controller ebenso für verschiedene Verwendungen geliefert werden, wie etwa wenn in dem Modus mit regenerativem Bremsen gearbeitet wird.
Das Getriebe 14 erreicht mehrere Betriebsmodi, die drei elektrisch verstellbare Vorwärtsmodi umfassen, die jeweils in den 2–4 dargestellt und weiter unten detailliert ausgeführt ist. Die Getriebeausführungsformen der 2–9 sind verschiedene alternative Implementierungen des Hebeldiagrammgetriebes 14 und arbeiten auf die gleiche Weise wie das Getriebe 14. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 52, 54 und 56 in Kombinationen von zweien stellt die drei elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsmodi her. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 50 und 54 stellt einen ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 50 und 56 stellt einen zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 52 und 56 stellt einen dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 52, 54 und 56 in Kombinationen von dreien stellt verschiedene Betriebsmodi mit festem Verhältnis her. Die Einrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 58 zusätzlich zu jedem Satz von zwei Drehmomentübertragungsmechanismen, die die jeweiligen elektrisch verstellbaren Modi herstellen, erlaubt einen Modus mit festem Verhältnis für diejenigen elektrisch verstellbaren Modi, bei denen der verbundene Motor/Generator 80 relativ zu der Maschine 12 in der Vorwärtsrichtung dreht. Das Getriebe 14 ist in der Lage, das Abtriebselement 18 ohne Wirkung der Maschine 12 anzutreiben, das heißt während das Antriebselement 16 feststehend ist, und zwar in jedem der elektrisch verstellbaren Modi, würde aber bevorzugt in dem ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus arbeiten. Das Getriebe 14 ist auch in der Lage, das Abtriebselement 18 in jedem der elektrisch verstellbaren Modi rückwärts anzutreiben, würde aber bevorzugt für den Rückwärtsbetrieb genauso in dem ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus arbeiten, indem einfach eine Kombination von Drehzahlen der Motoren/Generatoren 80 und 82 gewählt wird, um eine Rückwärtsrotation des Abtriebselements 18 zu bewirken.
Fachleute auf dem Gebiet der Getriebekonstruktion werden erkennen, dass die Abmessungen der Segmente eines Hebels (d. h. die relative Beabstandung zwischen Knoten) proportional zu und repräsentativ ist für die Anzahl von Zahnradzähnen an oder den Arbeitsradien der Zahnradelemente, die das effektive Übersetzungsverhältnis des durch den Hebel dargestellten Planetenradsatzes bestimmen. So wie es hierin verwendet wird, ist ein "effektives Übersetzungsverhältnis" in dem Fall eines einfachen Planetenradsatzes:
N_R/N_S, das Verhältnis der Anzahl von Zähnen des Hohlrads N_R zu der Anzahl von Zähnen des Sonnenrads N_S.
Für einen einfachen Planetenradsatz ist dieses Verhältnis allgemein als das "Übersetzungsverhältnis" bekannt, es muss aber hierin ein breiterer Ausdruck verwendet werden, um die relativen Größen der Elemente eines Planetenradsatzes zu definieren, der zusammengesetzte Planetenradsätze enthalten soll. In dem Fall eines zusammengesetzten Planetenradsatzes hängt das effektive Übersetzungsverhältnis von dem Verhältnis des Bauteils, das so wirkt, wie es ein Hohlrad in einem einfachen Planetenradsatz tun würde, zu dem Bauteil ab, das so wirkt, wie es ein Sonnenrad in einem einfachen Planetenradsatz tun würde. Beispielsweise ist in einem zusammengesetzten Planetenradsatz, der ein Sonnenrad, einen Träger, der zwei Sätze Planetenräder drehbar lagert, und ein Hohlrad aufweist, wobei ein erster Satz Planetenräder mit dem Sonnenrad und dem einem zweiten Satz Planetenräder kämmt, und wobei der zweite Satz Planetenräder auch mit dem Hohlrad kämmt, das effektive Übersetzungsverhältnis:
N_R/N_S – 1, das Verhältnis der Anzahl von Zähnen des Hohlrads NR zu der Anzahl von Zähnen des Sonnenrads N_S, kleiner als eins.
In einem zusammengesetzten Planetenradsatz, der ein erstes Sonnenrad, einen ersten Satz Planetenräder, der mit dem ersten Sonnenrad und mit einem zweiten Satz Planetenräder kämmt, und ein zweites Sonnenrad aufweist, das mit dem zweiten Satz Planetenräder kämmt, das effektive Übersetzungsverhältnis:
NS_L/Ns_S, das Verhältnis der Anzahl von Zähnen des größeren Sonnenrads (Ns_L) zu der Anzahl von Zähnen des kleineren Sonnenrads (Ns_S).
Unter Bezugnahme auf das Getriebe 14 von 1 beträgt der Abstand zwischen den Knoten A und B L2, wohingegen der Abstand zwischen den Knoten B und C L1 beträgt. Der Abstand L1 ist derart gewählt, dass er im Wesentlichen gleich dem Doppelten des Abstandes L2 ist, wobei ein effektives Übersetzungsverhältnis des Hebels 20 von 2,0 geschaffen wird. Der Abstand zwischen den Knoten E und F ist gleich dem zwischen den Knoten B und C oder L1. Der Abstand zwischen den Knoten D und E ist gleich den zwischen den Knoten A und B oder L2. Somit beträgt das effektive Übersetzungsverhältnis des Hebels 30 2,0. Der Abstand zwischen den Knoten H und I und der Abstand zwischen den Knoten G und H sind beide L. Somit liegt das effektive Übersetzungsverhältnis des Hebels 40 so nahe wie praktisch möglich bei 1,0. Obwohl es unmöglich ist, einen einfachen Planetenradsatz mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis von 1,0 zu bauen (da die Abmessung des Hohlrads gleich sein müsste wie die Abmessungen des Sonnenrads), und es praktisch unmöglich wird, sich dem effektiven Übersetzungsverhältnis von 1,0 für einen einfachen Planetenradsatz anzunähern, da extrem kleine und schnell rotierende Planetenräder erforderlich wären, kann durch die Verwendung eines zusammengesetzten Planetenradsatzes ein effektives Übersetzungsverhältnis von 1,0, das durch die Definition hierin das niedrigstmögliche Verhältnis für jeden Planetenradsatz ist, erzielt werden.
Die Hebelwirkung, die ein Knoten um einen anderen hat, ist proportional zu dem Abstand zu dem anderen Knoten; somit weist der Knoten C die doppelte Hebelwirkung um den Knoten B gegenüber den Knoten A auf; der Knoten F weist die doppelte Hebelwirkung um den Knoten E im Gegensatz zum Knoten D auf, und die Knoten I und G weisen die gleiche Hebelwirkung um den Knoten H auf. Zusätzlich kann die Drehmomentbeziehung zwischen den Elementen eines Planetenradsatzes durch proportionale horizontale Kräfte, die auf die jeweiligen Knoten wirken, dargestellt und ersetzt werden. Da die Drehmomente, die an einem Planetenradsatz wirken, sich ausgleichen müssen, müssen sich ebenso die Kräfte, die an dem Hebel wirken, ausgleichen. Die relative Platzierung von Knoten an einen Hebel sind Punkte einer Aufbringung von Kräften analog zu Hohlrad-, Sonnenrad- und Trägerdrehmomenten.
Der erste elektrisch verstellbare Vorwärtsmodus ist ein Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung, während der zweite und dritte Modus Betriebsmodi mit kombinierter Leistungsverzweigung sind. Im Allgemeinen verwendet ein Modus mit Eingangsleistungsverzweigung eine Zahnradanordnung, um den Leistungsfluss durch das Getriebe von dem Antriebselement zu dem Abtriebselement bezüglich der Drehzahl in engster Zuordnung zu dem Antriebselement zu verzweigen, wohingegen ein Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung eine Zahnradanordnung verwendet, um den Leistungsfluss durch das Getriebe bezüglich der Drehzahl in im Wesentlichen gleicher Zuordnung zu sowohl dem Antriebselement als auch dem Abtriebselement zu verzweigen. Das heißt in einem Modus mit Eingangsleistungsverzweigung ist die Drehzahl des Antriebselements nicht direkt proportional zu den Drehzahlen von einem der Motoren/Generatoren, sondern die Drehzahl des Abtriebselements ist direkt proportional zu der Drehzahl eines Motors/Generators, während in einem Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung weder die Drehzahl des Antriebsele ments noch die Drehzahl des Abtriebselements direkt proportional zu den Drehzahlen von einem der Motoren/Generatoren ist. Es gibt natürlich andere Kombinationen von Einrückungen der Drehmomentübertragungsmechanismen, die andere Betriebsbedingungen zulassen werden. Beispielsweise kann bei gleichzeitiger Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 54 und 56 der Motor/Generator 82 als Motor benutzt werden, um dem Verbindungselement 70 Leistung zuzuführen und dadurch Startdrehmoment für die Maschine 12 bereitzustellen. Wenn alle vier Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 52, 54 und 56 gleichzeitig eingerückt sind, sind die Antriebswelle 16 und die Abtriebswelle 18 effektiv auf Masse festgelegt, und daher kann keine Leistung übertragen werden, wodurch eine "Parkzahnrad"-Anordnung erzeugt wird. Die gleichzeitige Ausrückung aller Drehmomentübertragungsmechanismen liefert eine positive neutrale Bedingung.
Zu Zwecken der folgenden Diskussion wird die Drehrichtung der Maschine 12 als vorwärts oder positiv angesehen, und die Drehrichtung entgegengesetzt zu der der Maschine 12 wird als rückwärts oder negativ angesehen. Während des ersten Betriebsmodus sind die Drehmomentübertragungsmechanismen 50 und 54 eingerückt. Bei einer neutralen Bedingung ist die Maschine 12 bei einer Leerlaufdrehzahl und die Drehzahl des Motors/Generators 80 ist negativ oder rückwärts, so dass die Drehzahl des Knotens B Null beträgt. Wenn der Antriebsstrang 10 in der neutralen Bedingung betrieben wird, kann er ein Fahrzeug entweder in einer Vorwärtsrichtung oder in einer Rückwärtsrichtung bewegen. Für eine Bewegung in der Rückwärtsrichtung wird zugelassen, dass die negative oder Rückwärtsdrehzahl des Motors/Generators 80 zunimmt, wodurch die Drehzahl des Knotens B in der negativen Richtung erhöht wird. Der Motor/Generator 82 wird als Motor betrieben, um beim Antreiben des Fahrzeugs zu unterstützen und daher dem Getriebe 14 an dem Knoten F Leistung hin zuzufügen, die auf das Verbindungselement durch den Knoten E verteilt wird. Diese Leistung wird auf den Knoten I und dann durch den Knoten H auf das Abtriebselement 18 übertragen. Wie es anzumerken ist, kann das Fahrzeug aus der neutralen Bedingung heraus in der Rückwärtsrichtung bewegt werden. Auch während des Rückwärtsbetriebes wird die Drehzahl der Maschine 12 von der Leerlaufdrehzahl auf eine erhöhte Drehzahl erhöht.
Erster elektrisch verstellbarer Vorwärtsbetriebsmodus
Um den ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus herzustellen, werden die Drehmomentübertragungsmechanismen 50 und 54 eingerückt, die Maschine 12 wird aus Leerlaufdrehzahl auf eine Solldrehzahl beschleunigt, und anschließend wird die Drehzahl des Motors/Generators 80 (der als Generator arbeitet) verringert, und die Drehzahl des Motors/Generators 82 (der als Motor arbeitet) wird erhöht. Dieser Betrieb wird fortfahren, bis die Drehzahl des Motors/Generators 80 Null beträgt, wobei ein mechanischer Punkt hergestellt wird. Dies ist das Ende des ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus. Der erste elektrisch verstellbare Betriebsmodus ist ein Typ eines Lastschaltgetriebes mit Eingangsleistungsverzweigung. In 2 sind die Verbindungen, die durch das Getriebe 14 während des ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus über Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 50 und 54 hergestellt werden, veranschaulicht. Genauer sind die Knoten D und G beide an dem feststehenden Element 84 auf Masse festgelegt. Das an dem Knoten C erforderliche Drehmoment, das vom Motor/Generator 80 bereitgestellt wird, ist umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen den Knoten C und B (L1) relativ zu dem Abstand zwischen den Knoten A und B (L2), was die Hebelwirkung des Motors/Generators 80 bzw. des Antriebselements 16 um den Knoten B (der das Abtriebselement des Hebels 20 ist) kennzeichnet. Die Länge von L1 beträgt das Doppelte der Länge von L2, so dass das Drehmoment, das von dem Motor/Generator 80, der mit dem Knoten C verbunden ist, erforderlich ist, die Hälfte des Drehmoments beträgt, das an dem Antriebselement 16, das mit dem Knoten A verbunden ist, bereitgestellt wird.
Bei dem Betrieb an dem ersten mechanischen Punkt, wobei die Drehzahl des Motors/Generators 80 Null beträgt, ist der Knoten D feststehend, da dieser durch den Drehmomentübertragungsmechanismus 54 gehalten wird, und die Drehzahl des Motors/Generators 82 beträgt ebenfalls Null. An diesem Punkt können die Drehmomentübertragungsmechanismen 54 und 56 unter einer synchronen Bedingung ausgetauscht werden, so dass es keinen Schlupf gibt, der entweder bei der Einrückung oder Ausrückung dieser Vorrichtungen vorhanden ist. Es ist auch anzumerken, dass bei diesem Betriebspunkt das Getriebe 14 in einer im Wesentlichen mechanischen Leistungsflussanordnung arbeitet (daher der Ausdruck "mechanischer Punkt"), die Wellenleistung, die von den Elektromotoren/Generatoren 80, 82 übertragen wird, vernachlässigbar ist, und die elektrischen Verluste von beiden Motoren/Generatoren 80 oder 82 gering sind. Der erste mechanische Punkt ist das Ende des ersten elektrisch verstellbaren Modus und der Anfang des zweiten elektrisch verstellbaren Modus.
Zweiter elektrisch verstellbarer Vorwärtsbetriebsmodus
An dem ersten mechanischen Punkt kann das Getriebe gesteuert werden, um von dem ersten elektrisch verstellbaren Modus in einen zweiten elektrisch verstellbaren Modus zu schalten, indem der Drehmomentübertragungsmechanismus 54 ausgerückt wird und der Drehmomentübertragungsmechanismus 56 eingerückt wird, wobei der Betrieb des Motors/Generators 82 dadurch von einem Betrieb als Motor zu einem Betrieb als Generator verändert wird. Auch an diesem Austauschpunkt wechselt der Betrieb des Motors/Generators 80 von einem Generatormodus zu einem Motormodus. Die Drehzahl des Motors 12 kann auch während des gesamten zweiten elektrisch verstellbaren Modus auf einer gewünschten Drehzahl gehalten werden, oder sie kann wie gewünscht verändert werden. Um den Vorteil eines synchronen Schaltens von einem Modus zum anderen zu haben, ist es bevorzugt, dass das Verhältnis der Drehzahl des Antriebselements 16 zu der Drehzahl des Abtriebselements 18 zwischen dem des ersten mechanischen Punktes und dem des zweiten mechanischen Punktes verbleibt, während das Getriebe 14 in dem zweiten elektrisch verstellbaren Modus arbeitet.
In 3 ist das Hebeldiagramm veranschaulicht, das aus den Verbindungen resultiert, die in dem Getriebe 14 während des zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus über Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 50 und 56 hergestellt werden. Genauer ist der Knoten G an dem feststehenden Element 84 auf Masse gelegt, und der Motor/Generator 80 und der Knoten C sind zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten D verbunden. Wenn zwei Knoten eines Hebels mit drei Knoten mit zwei anderen Knoten eines anderen Hebels mit drei Knoten verbunden sind, fallen die Hebel zusammen, wobei die verbundenen Knoten ausgerichtet werden und die Hebel wie notwendig neu skaliert werden, um die verbundenen Knoten auszurichten, wie es Fachleuten bekannt ist. In dem zweiten elektrisch verstellbaren Modus fallen die Hebel 20 und 30 zusammen, wobei die Knoten B und E ausgerichtet werden und die Knoten C und D ausgerichtet werden, da die Knoten C und D sowie die Knoten B und E verbunden sind, und der Abstand zwischen den Knoten B und E verlängert sich von L2 zu L1, was bewirkt, dass der Abstand zwischen den Knoten F und E sich gleichermaßen von L1 nach L3 verdoppelt, was das Doppelte der Länge von L1 beträgt. Somit beträgt das Drehmoment, das an den Knoten C und D erforderlich ist, welches von dem Motor/Generator 80 bereitgestellt wird, die Hälfte des Drehmoments, das an dem Antriebselement 16 von der Maschine 12 bereitgestellt wird, wenn der Motor/Generator 82 kein Drehmoment liefert, wie es durch den Abstand zwischen den Knoten C und E (L1) relativ zu dem Abstand zwischen den Knoten A und B (L2) dargestellt ist. Das an dem Knoten F durch den Motor/Generator 82 erforderliche Drehmoment beträgt ein Viertel von dem, das an dem Antriebselement 16 bereitgestellt wird, wenn der Motor/Generator 80 kein Drehmoment liefert, wie es durch den Abstand zwischen den Knoten F und E (L3) und dem Abstand zwischen den Knoten A und E (L2) dargestellt ist.
An dem ersten mechanischen Punkt, der in dieser Ausführungsform der Anfang des zweiten elektrisch verstellbaren Modus ist, kann der Motor/Generator 80 das gesamte Drehmoment liefern, das zur Reaktion des Drehmoments, das von dem Antriebselement 16 bereitgestellt wird, notwendig ist, ohne mechanische Leistung zu verwenden oder zuzuführen, da der Motor/Generator 80 feststehend ist. An einem zweiten mechanischen Punkt, der sich am Ende des zweiten elektrisch verstellbaren Modus befindet, kann der Motor/Generator 82 das gesamte Drehmoment zuführen, das zur Reaktion des Drehmoments notwendig ist, das von dem Antriebselement 16 bereitgestellt wird, ohne mechanische Leistung zu verwenden oder zuzuführen, da der Motor/Generator 82 feststehend ist. Zwischen diesen zwei Punkten teilen sich die Motoren/Generatoren 80 und 82 die Aufgabe, Reaktionsdrehmoment bereitzustellen, so dass diese Last allmählich von dem Motor/Generator 80 auf den Motor/Generator 82 durch den zweiten elektrisch verstellbaren Modus überführt werden kann. Bei Fehlen von Batterieleistung und elektrischen Nebenaggregatlasten kann diese Last derart überführt werden, dass elektrische Leistung, die von dem Motor/Generator 82 erzeugt wird, von dem Motor/Generator 80 ver braucht wird, so dass der Nettoeffekt ist, dass einfach Leistung von dem Antriebselement 16 auf das Abtriebselement 18 übertragen wird.
Um mit der Beschleunigung des Abtriebselements 18 (und eines Fahrzeugs, in das das Getriebe 14 eingebaut ist) während des zweiten elektrisch verstellbaren Betriebsmodus fortzufahren, welcher ein Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung ist, wird die Drehzahl des Motors/Generators 80 (der als Motor arbeitet) von Null in der Vorwärtsrichtung erhöht, und die Drehzahl des Motors/Generators 82 (der als Generator arbeitet) wird verringert. Sowohl der Motor/Generator 80 als auch die Maschine 12 verleihen dem Knoten B eine positive oder Vorwärtsdrehung, und der Motor/Generator 82 liefert ein rotierendes Reaktionselement an dem Knoten F des Hebels 30. Die elektrische Energie, die von dem Motor/Generator 82 erzeugt wird, kann dazu verwendet werden, die mit den Motoren/Generatoren 80, 82 verbundene Batterie wieder aufzuladen, elektrische Leistung zum Antreiben des Motors/Generators 80 zu liefern oder um beides zu tun, abhängig von dem Betrag an Leistung, der an dem Motor/Generator 80 benötigt wird, und dem Ladeniveau der Batterie.
Der Antriebsstrang 10 fährt fort, in dem zweiten elektrisch verstellbaren Modus zu arbeiten, bis die Drehzahl des Motors/Generators 82 auf Null abgenommen hat und die Drehzahl des Motors/Generators 80 auf einen Maximalwert zugenommen hat. An diesem Punkt weist der Motor/Generator 82 eine Drehzahl von Null auf, die gleich der Drehzahl des Knotens G ist, da dieser durch den Drehmomentübertragungsmechanismus 50 feststehend gehalten ist. Dies ist der zweite mechanische Punkt, an dem die Drehmomentübertragungsmechanismen 50 und 52 auf eine synchrone Weise ausgetauscht werden können, wobei während des Verhältnisaustauschs kein Schlupf auftritt. Dies ist das Ende des zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus und der Anfang des dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus.
Dritter elektrisch verstellbarer Vorwärtsbetriebsmodus
Der erste elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsmodus ist ebenfalls ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung. Während des dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus wird der Motor/Generator 80 als Generator betrieben und der Motor/Generator 82 wird als Motor betrieben. Die Drehzahl des Motors/Generators 80 nimmt ab, während die Drehzahl des Motors/Generators 82 zunimmt. Die Knoten G und H werden beide in der Vorwärts- oder positiven Richtung angetrieben. Der Knoten G wird von dem Motor/Generator 82 angetrieben, und der Knoten I wird von sowohl der Maschine 12 durch den Planetenradsatz, der durch den Hebel 20 dargestellt ist, als auch von dem Motor/Generator 82 durch den Planetenradsatz, der durch den Hebel 30 dargestellt ist, angetrieben.
In 4 ist das Hebeldiagramm veranschaulicht, das aus den Verbindungen resultiert, die in dem Getriebe 14 während des dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus über Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 52 und 56 hergestellt werden. Genauer sind der Motor/Generator 82 und der Knoten F zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten G verbunden, und der Motor/Generator 80 und der Knoten C sind zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten D verbunden. Da zwei Knoten des Hebels 20 mit zwei Knoten des Hebels 30 verbunden sind und zwei Knoten des Hebels 30 mit zwei Knoten des Hebels 40 verbunden sind, fallen die Hebel 20, 30 und 40 zusammen, wobei die verbundenen Knoten ausgerichtet werden und die Hebel 20, 30 und 40 neu skaliert werden, wie es notwendig ist, um die verbundenen Knoten auszurichten. Da in dem dritten elektrisch verstellbaren Modus die Knoten C und D verbunden sind, die Knoten B, E und I verbunden, sowie die Knoten F und G verbunden sind, fallen somit die Hebel 20, 30 und 40 mit diesen jeweiligen ausgerichteten Knoten zusammen, und der Abstand zwischen den Knoten G und H und zwischen den Knoten H und I nimmt in jedem Fall von L nach L1 zu. Das an den Knoten C und D erforderliche Drehmoment, das von dem Motor/Generator 80 geliefert wird, beträgt ein Viertel des Drehmoments, das an dem Antriebselement 16 durch die Maschine 12 bereitgestellt wird, wenn der Motor/Generator 82 kein Drehmoment liefert, wie es durch die relativen Abstände L3 und L2 dargestellt ist. Das an dem Knoten F durch den Motor/Generator 82 erforderliche Drehmoment beträgt die Hälfte von dem, das an dem Antriebselement 16 bereitgestellt wird, wenn der Motor/Generator 80 kein Drehmoment liefert, wie es durch die relativen Abstände L1 bzw. L2 dargestellt ist.
Das maximale Drehmoment, das von dem Motor/Generator 80 erforderlich ist, um einem gegebenen Drehmoment, das von der Maschine 12 an das Antriebselement 16 während des ersten, zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus geliefert wird, entgegenzuwirken, tritt somit während des ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus auf, beträgt die Hälfte von dem Drehmoment, das an das Antriebselement 16 geliefert wird, und ist identisch mit dem maximalen Drehmoment, das von dem Motor/Generator 82 erforderlich ist, welches während des dritten elektrisch verstellbaren Betriebsmodus auftritt. Diese Gleichheit bei dem maximalen Drehmoment liegt aufgrund der ausgewählten Übersetzungsverhältnisse der Planetenradsätze vor, die durch die Hebel 20, 30 und 40 dargestellt sind, wobei die Verhältnisse 2,0, 2,0 bzw. 1,0 betragen. Da die Motoren/Generatoren 80, 82 das gleiche maximale Drehmomenterfordernis besitzen, können sie die gleiche Größe haben.
Während des dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus führt der Motor/Generator 80 dem Getriebe 14 elektrische Leistung zu, die dazu benutzt werden kann, den Motor/Generator 82 als einen Motor zu beaufschlagen und/oder Energie für eine daran angeschlossene Batterie bereitzustellen, um die Batteriespeicherladung zu erhöhen. Der dritte elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsmodus kann fortfahren, bis der Antriebsstrang 10 ein Fahrzeug bis zu dem Punkt seiner maximalen Drehzahl antreibt, an dem die Drehzahl des Motors/Generators 80 Null beträgt, d. h. einem dritten mechanischen Punkt.
Die Arbeitspunkte, bei denen die Drehzahl von einem der Motoren/Generatoren 80, 82 Null beträgt, sind wichtige Arbeitspunkte, indem ein jedes von diesen ein mechanischer Arbeitspunkt ist, an dem der Betrag an elektrischer Energie, der durch den Antriebsstrang 10 verteilt wird, minimal ist, und der mechanische Leistungsfluss maximal oder ein großer Prozentsatz des Gesamtleistungsflusses ist. Wie es bekannt ist, führt dies zu einer beträchtlichen Zunahme des Betriebswirkungsgrades für den Antriebsstrang 10.
Modi mit festem Verhältnis
Das Getriebe 14 stellt auch drei Betriebsmodi mit festem Verhältnis bereit. Ein erster Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 54 und 56 bevorzugt an dem ersten mechanischen Punkt, der zwischen dem ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus hergestellt ist, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 80 Null beträgt, bereitgestellt. Ein zweiter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 50, 52 und 56 bevorzugt an dem zweiten mechanischen Punkt, der zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus her gestellt ist, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 82 Null beträgt, hergestellt. Ein dritter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 52, 54 und 56 bevorzugt an dem dritten mechanischen Punkt, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 80 Null beträgt, hergestellt.
Die Verhältnisspreizung des zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus ist identisch mit der Verhältnisspreizung des dritten elektrisch verstellbaren Betriebsmodus. Das Drehzahlverhältnis in dem zweiten elektrisch verstellbaren Modus liegt im Bereich von 3,0 bis 1,5, wobei eine Verhältnisspreizung von 2,0 hergestellt ist. So wie es hierin verwendet wird, bedeutet "Drehzahlverhältnis", die Drehzahl des Antriebselements dividiert durch die Drehzahl des Abtriebselements eines Getriebes. So wie sie hierin verwendet wird, bedeutet "Verhältnisspreizung" das Drehzahlverhältnis am Anfang eines Bereichs oder Modus relativ zu dem Drehzahlverhältnis am Ende des Bereichs oder Modus. Das Drehzahlverhältnis des dritten elektrisch verstellbaren Modus liegt in einem Bereich von 1,5 bis 0,75, was auch eine Verhältnisspreizung von 2,0 ist.
In den 1 bis 4 können die relativen Drehzahlen der Elemente jedes Planetenradsatzes unter Verwendung der Abstände zwischen den Knoten berechnet werden, die diese Elemente an dem Hebel darstellen. Für den ersten Modus mit festem Verhältnis, unter Bezugnahme auf 2, ist der Motor/Generator 80, der mit dem Knoten C am Hebel 20 verbunden ist, feststehend, so dass das Verhältnis zwischen der Drehzahl des Antriebselements 16, das mit dem Knoten A verbunden ist, und der des Verbindungselements 70, das mit dem Knoten B verbunden ist, das Verhältnis des Abstandes von Knoten A zu Knoten C, die Summe von L1 und L2, zu dem Abstand von Knoten B und Knoten C, L1, ist, was das Verhältnis drei zu zwei für einen Hebel ist, der einen Planetenradsatz mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis von 2,0 darstellt. Das Verhältnis zwischen dem Verbindungselement 70 und dem Abtriebselement 18 kann auf die gleiche Weise unter Verwendung des Hebels 40 und des Verhältnisses der Abstände von dem Knoten I zu dem Knoten G (feststehend) zu dem Abstand von dem Knoten H zu dem Knoten G gefunden werden, mit dem Ergebnis von zwei zu eins für einen Planetenradsatz mit einem Verhältnis von 1,0. Das Gesamtdrehzahlverhältnis für den ersten Modus mit festem Verhältnis ist dann das Produkt aus diesen zwei Verhältnissen, nämlich ein Drehzahlverhältnis von 3,0.
Für den zweiten Modus mit festem Verhältnis, unter Bezugnahme auf 3, ist der Motor/Generator 82 feststehend, so dass das Drehzahlverhältnis zwischen dem Antriebselement 16, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten A verbunden ist, und dem Verbindungselement 70, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten E verbunden ist, das Verhältnis des Abstandes von dem Knoten A zu dem Knoten F, L1 plus L2, zu dem Abstand von dem Knoten E und Knoten F ist, das das Verhältnis von drei zu vier für die zusammenfallenden Hebel 20, 30, die die verbundenen Planetenradsätze darstellen, und zwar jeweils mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis von 2,0 ist. Das Verhältnis des Abstandes zwischen dem Verbindungselement 70 und dem feststehenden Knoten G zu dem Abstand zwischen dem Abtriebselement 18 und dem feststehenden Knoten G kann auf die gleiche Weise unter Verwendung des Hebels 40 gefunden werden, mit dem Ergebnis von zwei zu eins für einen Planetenradsatz mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis von 1,0. Das Gesamtdrehzahlverhältnis für den zweiten Vorwärtsmodus mit festem Verhältnis ist das Produkt aus diesen zwei Verhältnissen, nämlich ein Drehzahlverhältnis von 1,5.
Für den dritten Modus mit festem Verhältnis, unter Bezugnahme auf 4, ist der Motor/Generator 80 feststehend, so dass das Drehzahlverhältnis durch das Getriebe das Verhältnis des Abstandes von Knoten A zu den Knoten C und D ist, die mit dem Antriebselement 16 bzw. dem Motor/Generator 80 verbunden sind, was die Summe aus L1 und L2 ist (siehe 3), zu dem Abstand von dem Knoten H zu den Knoten C und D, die mit dem Abtriebselement 18 bzw. dem Motor/Generator 80 verbunden sind, was L3 beträgt. Somit weist der dritte Modus mit festem Verhältnis ein Drehzahlverhältnis von vier zu drei auf, das 0,75 beträgt.
Spezifische Getriebeausführungsformen der 1–4
Erste spezifische Ausführungsform
Ein Antriebsstrang 110, der in 5 gezeigt ist, stellt eine spezifische Ausführungsform eines Getriebes 114 bereit und ist auf die gleiche Weise wie der in Hebeldiagrammform in den 1–4 gezeigte Antriebsstrang 110 darstellbar und betreibbar. Der Antriebsstrang 110 umfasst die Maschine 12, den Achsantriebsmechanismus 17 und ein elektrisch verstellbares Getriebe 114 mit einem Antriebselement 116, das zur Rotation mit der Maschine 12 verbunden ist, und einem Abtriebselement 118, das zur Rotation mit dem Achsantriebsmechanismus 17 verbunden ist. Das Getriebe 114 umfasst drei Planetenradsätze 120, 130 und 140, die jeweils in den 1–4 als Hebel 20, 30 bzw. 40 dargestellt sind.
Der Planetenradsatz 120 umfasst ein Sonnenrad 122, ein Hohlrad 124 und einen Träger 126. Der Träger 126 lagert drehbar mehrere Planetenräder 127, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 122 als auch dem Hohlrad 124 angeordnet sind. Das Hohlrad 124 weist 86 Zähne auf und das Sonnenrad 122 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 120 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 130 umfasst ein Sonnenrad 132, ein Hohlrad 134 und einen Träger 136, der mehrere Planetenräder 137 drehbar lagert, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 132 als auch dem Hohlrad 134 angeordnet sind. Das Hohlrad 134 weist 86 Zähne auf und das Sonnenrad 132 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 130 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 140 umfasst ein Sonnenrad 142, ein Hohlrad 144 und einen Träger 146. Der Träger 146 lagert drehbar einen ersten Satz Planetenräder 147 sowie einen zweiten Satz Planetenräder 148. Der erste Satz Planetenräder 147 ist in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 142 als auch dem zweiten Satz Planetenräder 148 angeordnet. Der zweite Satz Planetenräder 148 ist in kämmender Beziehung mit dem ersten Satz Planetenräder 147 und mit dem Hohlrad 144 angeordnet. Somit ist der Planetenradsatz 140 ein zusammengesetzter Sonnenrad-Planetenrad-Planetenrad-Hohlrad-Zahnradsatz, der hierin als S-P-P-R-Zahnradsatz bezeichnet wird. Das Hohlrad 144 weist 104 Zähne auf, und das Sonnenrad 142 weist 44 Zähne auf. Das effektive Übersetzungsverhältnis eines S-P-P-R-Zahnradsatzes, wie des Planetenradsatzes 140, ist:
(N_R/N_S) – 1; das Verhältnis der Anzahl von Zähnen des Hohlrads 144 zu der Anzahl von Zähnen des Sonnenrad 142, kleiner als eins.
In dem S-P-P-R-Zahnradsatz 140 ist die Drehzahl des Hohlrads 144 das gewichtete Mittel der Drehzahlen des Sonnenrads 142 und des Trägers 146. Das Drehmoment in das Sonnenrad 142 hinein und das Drehmoment in den Träger 146 hinein summieren sich zu dem Drehmoment aus dem Hohlrad 144 heraus. Das Hohlrad 144 weist 104 Zähne auf, und das Sonnenrad 142 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 1,36 für den Zahnradsatz 140 hergestellt wird.
Ein Verbindungselement 170 verbindet den Träger 126, den Träger 136 und das Sonnenrad 142 ständig. Das Verbindungselement 170 kann alternativ zwei separate Bauteile sein, eines, das die Träger 126 und 136 verbindet, und ein weiteres, das den Träger 136 mit dem Sonnenrad 142 verbindet.
Das Hohlrad 124, der Träger 126 und das Sonnenrad 122 entsprechen jeweils den Knoten A, B bzw. C der 1–4. Das Hohlrad 134, der Träger 136 und das Sonnenrad 132 entsprechen jeweils den Knoten D, E bzw. F. Der Träger 146, das Hohlrad 144 und das Sonnenrad 142 entsprechen jeweils den Knoten G, H bzw. I.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 114 umfasst auch zwei Motoren/Generatoren 180 und 182, die elektrische Leistung von einer Energiespeichereinrichtung 186, wie einer Batterie, aufnehmen können oder elektrische Leistung an diese abgeben können. Ein elektronischer Controller 188 steht mit der Batterie 186 und mit einem Stromumrichter 190 in Signalverbindung, der auch in elektrischer Verbindung mit den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 180, 182 steht. Der Controller 188 spricht auf eine Vielfalt von Eingangssignalen an, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Bedieneranforderung, das Niveau, bis zu dem die Batterie 186 aufgeladen ist, und die Leistung, die von der Maschine 12 bereitgestellt wird, umfassen, um den Leistungsfluss zwischen den Motoren/Generatoren 180, 182 und der Batterie 186 über den Umrichter 190 zu regeln, der eine Umwandlung zwischen Gleichstrom, der von der Batterie 186 bereitgestellt oder benutzt wird, und Wechselstrom, der von den Statorab schnitten der Motoren/Generatoren 180, 182 bereitgestellt oder benutzt wird, durchzuführen.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 114 umfasst auch mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen 150, 152, 154 und 156. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 150 ist selektiv einrückbar, um den Träger 146 an einem feststehenden Element 184 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 152 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 132 und den Motor/Generator 182 zur gemeinsamen Rotation mit dem Träger 146 zu verbinden. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 154 ist selektiv einrückbar, um das Hohlrad 134 an dem feststehenden Element 184 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 156 ist selektiv einrückbar, um den Motor/Generator 180 und das Hohlrad 134 zur gemeinsamen Rotation zu verbinden.
Die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 110 ist gleich wie die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 10, der in 1 dargestellt ist. Das heißt die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 150 und 154 stellt einen ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 150 und 156 stellt einen zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, und die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 152 und 156 stellt einen dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Das Getriebe 14 stellt auch drei Betriebsmodi mit festem Verhältnis her. Ein erster Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 150, 154 und 156 (die ein festes Drehzahlverhältnis von 3,02 bereitstellen) bevorzugt an dem ersten mechanischen Punkt, der zwischen dem ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus hergestellt ist, bereitgestellt. Ein zweiter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 150, 152 und 156 (die ein festes Verhältnis von 1,48 bereitstellen) bevorzugt an dem zweiten mechanischen Punkt, der zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt ist, hergestellt. Ein dritter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 152, 154 und 156 (die ein festes Verhältnis von 0,76 bereitstellen) bevorzugt an dem dritten mechanischen Punkt, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 80 Null beträgt, hergestellt.
Außerdem ist das maximale Drehmoment, das von dem Motor/Generator 180 erforderlich ist, gleich wie das, das von dem Motor/Generator 182 erforderlich ist, was zulässt, dass diese eine identische Größe aufweisen können, wie es in Bezug auf die repräsentativen Hebeldiagramme der 1–4 dargestellt ist. Darüber hinaus wird eine im Wesentlichen identische Verhältnisspreizung zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt.
Zweite spezifische Ausführungsform
Ein Antriebsstrang 210, der in 6 gezeigt ist, stellt eine spezifische Ausführungsform eines Getriebes 214 bereit und ist auf die gleiche Weise wie der in Hebeldiagrammform in den 1–4 gezeigte Antriebsstrang 210 darstellbar und betreibbar. Der Antriebsstrang 210 umfasst die Maschine 12, den Achsantriebsmechanismus 17 und ein elektrisch verstellbares Getriebe 214 mit einem Antriebselement 216, das zur Rotation mit der Maschine 12 verbunden ist, und einem Abtriebselement 218, das zur Rotation mit dem Achsantriebsmechanismus 17 verbunden ist. Das Getriebe 214 umfasst drei Planetenradsätze 220, 230 und 240, die jeweils in den 1–4 als Hebel 20, 30 bzw. 40 dargestellt sind.
Der Planetenradsatz 220 umfasst ein Sonnenrad 222, ein Hohlrad 224 und einen Träger 226. Der Träger 226 lagert drehbar mehrere Planetenräder 227, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 222 als auch dem Hohlrad 224 angeordnet sind. Das Hohlrad 224 weist 86 Zähne auf und das Sonnenrad 222 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 220 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 230 umfasst ein Sonnenrad 232, ein Hohlrad 234 und einen Träger 236, der mehrere Planetenräder 237 drehbar lagert, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 232 als auch dem Hohlrad 234 angeordnet sind. Das Hohlrad 234 weist 86 Zähne auf und das Sonnenrad 232 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 230 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 240 umfasst ein erstes Sonnenrad 242, einen Träger 246, erste und zweite Sätze Planetenräder 247, 248 und ein zweites Sonnenrad 243. Der Träger 246 lagert den ersten Satz Planetenräder 247 sowie den zweiten Satz Planetenräder 248 drehbar. Der erste Satz Planetenräder 247 ist in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 242 als auch dem zweiten Satz Planetenräder 248 angeordnet. Der zweite Satz Planetenräder 248 ist in kämmender Beziehung mit dem ersten Satz Planetenräder 247 und mit dem zweiten Sonnenrad 243 angeordnet. Somit ist der Planetenradsatz 240 ein zusammengesetzter Sonnenrad-Planetenrad-Planetenrad-Sonnenrad-Zahnradsatz, der hierin als ein S-P-P-S-Zahnradsatz bezeichnet sein kann. Das effektive Übersetzungsverhältnis eines S-P-P-S-Zahnradsatzes, wie des Planetenradsatzes 240, ist:
Ns_L/Ns_S, das Verhältnis der Anzahl von Zähnen des größeren Sonnenrads 242 (Ns_L) zu der Anzahl von Zähnen des kleineren Sonnenrads 243 (Ns_S).
Wenn somit das Sonnenrad 242 46 Zähne aufweist und das Sonnenrad 243 40 Zähne aufweist, ist das effektive Übersetzungsverhältnis des Planetenradsatzes 240 1,15. In dem S-P-P-S-Zahnradsatz 240 ist die Drehzahl des Trägers 246 das gewichtete Mittel der Drehzahlen des Sonnenrads 242 und des Sonnenrads 243. Das Drehmoment in das Sonnenrad 242 hinein und das Drehmoment in das Sonnenrad 243 hinein summieren sich zu dem Drehmoment aus dem Träger 246 heraus.
Ein Verbindungselement 270 verbindet den Träger 226, den Träger 236 und das Sonnenrad 243 ständig. Das Verbindungselement 270 kann alternativ zwei separate Bauteile sein, eines, das die Träger 226 und 236 verbindet, und ein weiteres, das den Träger 236 mit dem Sonnenrad 243 verbindet.
Das Hohlrad 224, der Träger 226 und das Sonnenrad 222 entsprechen jeweils den Knoten A, B bzw. C der 1–4. Das Hohlrad 234, der Träger 236 und das Sonnenrad 232 entsprechen jeweils den Knoten D, E bzw. F. Das erste Sonnenrad 242, der Träger 246 und das zweite Sonnenrad 243 entsprechen jeweils den Knoten G, H bzw. I.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 214 umfasst auch zwei Motoren/Generatoren 280 und 282, die elektrische Leistung von einer Energiespeichereinrichtung 286, wie einer Batterie, aufnehmen können oder elektrische Leistung an diese abgeben können. Ein elektronischer Controller 288 steht mit der Batterie 286 und mit einem Stromumrichter 290 in Signalverbindung, der auch in elektrischer Verbindung mit den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 280, 282 steht. Der Controller 288 spricht auf eine Vielfalt von Eingangssignalen an, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Bedieneranforderung, das Niveau, bis zu dem die Batterie 286 aufgeladen ist, und die Leistung, die von der Maschine 12 bereitgestellt wird, umfassen, um den Leistungsfluss zwischen den Motoren/Generatoren 280, 282 und der Batterie 286 über den Umrichter 290 zu regeln, der eine Umwandlung zwischen Gleichstrom, der von der Batterie 286 bereitgestellt oder benutzt wird, und Wechselstrom, der von den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 280, 282 bereitgestellt oder benutzt wird, durchzuführen.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 214 umfasst auch mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen 250, 252, 254 und 256. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 250 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 242 an einem feststehenden Element 284 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 252 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 232 und den Motor/Generator 282 zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenrad 242 zu verbinden. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 254 ist selektiv einrückbar, um das Hohlrad 234 an dem feststehenden Element 284 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 256 ist selektiv einrückbar, um den Motor/Generator 280 und das Hohlrad 234 zur gemeinsamen Rotation zu verbinden.
Die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 210 ist gleich wie die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 10, der in 1 dargestellt ist. Das heißt die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 250 und 254 stellt einen ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 250 und 256 stellt einen zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, und die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 252 und 256 stellt einen dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Das Getriebe 214 stellt auch drei Betriebsmodi mit festem Verhältnis her. Ein erster Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungs mechanismen 250, 254 und 256 (die ein festes Drehzahlverhältnis von 3,25 bereitstellen) bevorzugt an dem ersten mechanischen Punkt, der zwischen dem ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus hergestellt ist, bereitgestellt. Ein zweiter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 250, 252 und 256 (die ein festes Verhältnis von 1,58 bereitstellen) bevorzugt an dem zweiten mechanischen Punkt, der zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt ist, hergestellt. Ein dritter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 252, 254 und 256 (die ein festes Verhältnis von 0,74 bereitstellen) bevorzugt an dem dritten mechanischen Punkt, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 280 Null beträgt, hergestellt.
Außerdem ist das maximale Drehmoment, das von dem Motor/Generator 280 erforderlich ist, gleich wie das, das von dem Motor/Generator 282 erforderlich ist, was zulässt, dass diese eine identische Größe haben können, wie es in Bezug auf die repräsentativen Hebeldiagramme der 1–4 beschrieben ist. Darüber hinaus wird eine im Wesentlichen identische Verhältnisspreizung zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt.
Dritte spezifische Ausführungsform
Ein Antriebsstrang 310, der in 7 gezeigt ist, stellt eine spezifische Ausführungsform eines Getriebes 314 bereit und ist auf die gleiche Weise wie der in Hebeldiagrammform in den 1–4 gezeigte Antriebsstrang 10 darstellbar und betreibbar. Der Antriebsstrang 310 ist identisch mit dem Antriebsstrang 210 mit der Ausnahme, dass ein Hohlrad 344, das betreibbar ist, um ein Rückwärtsdrehzahlverhältnis zu implementieren, und ein Drehmomentübertragungsmechanismus 359 vom Bremsentyp hinzugefügt sind, wie es nachstehend besprochen wird. Die Drehmomentübertragungsmechanismen 354 und 356 und die Drehmomentübertragungsmechanismen 350 und 352 sind auch voneinander verschoben statt radial miteinander ausgerichtet. Der Antriebsstrang 310 umfasst die Maschine 12, den Achsantriebsmechanismus 17 und ein elektrisch verstellbares Getriebe 314 mit einem Antriebselement 316, das zur Rotation mit der Maschine 12 verbunden ist, und einem Abtriebselement 318, das zur Rotation mit dem Achsantriebsmechanismus 17 verbunden ist. Das Getriebe 314 umfasst drei Planetenradsätze 320, 330 und 340, die in den 1–4 jeweils als Hebel 20, 30 bzw. 40 dargestellt sind.
Der Planetenradsatz 320 umfasst ein Sonnenrad 322, ein Hohlrad 324 und einen Träger 326. Der Träger 326 lagert drehbar mehrere Planetenräder 327, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 322 als auch dem Hohlrad 324 angeordnet sind. Das Hohlrad 324 weist 86 Zähne auf und das Sonnenrad 322 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 320 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 330 umfasst ein Sonnenrad 332, ein Hohlrad 334 und einen Träger 336, der mehrere Planetenräder 337 drehbar lagert, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 332 als auch dem Hohlrad 334 angeordnet sind. Das Hohlrad 334 weist 86 Zähne auf und das Sonnenrad 332 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 330 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 340 umfasst ein Sonnenrad 342, einen Träger 346, erste und zweite Sätze Planetenräder 347, 348 und ein zweites Sonnenrad 343. Der Träger 346 lagert den ersten Satz Planetenräder 347 sowie den zweiten Satz Planetenräder 348 drehbar. Der erste Satz Planetenräder 347 ist in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 342 als auch dem zweiten Satz Planetenräder 348 angeordnet. Der zweite Satz Planetenräder 348 ist in kämmender Beziehung mit dem ersten Satz Planetenräder 347 und mit dem zweiten Sonnenrad 343 angeordnet. Ein Hohlrad 344 ist in kämmender Beziehung mit dem ersten Satz Planetenräder 347 angeordnet. Ein Drehmomentübertragungsmechanismus 359 ist selektiv einrückbar, um das Hohlrad 344 an dem feststehenden Element 384 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 359 wird nur eingerückt, um eine Rückwärtsdrehrichtung des Trägers 346 herzustellen, und stellt somit ein Rückwärtsdrehzahlverhältnis durch das Getriebe bereit. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 359 ist in keinem Vorwärtsbetriebsmodus eingerückt, und das Hohlrad 344 läuft frei um ohne Wirkung auf das effektive Übersetzungsverhältnis des dritten Planetenradsatzes 340 in derartigen Modi. Zu Zwecken der Vorwärtsbetriebsmodi fungiert somit der Planetenradsatz 340 als zusammengesetzter S-P-P-S-Zahnradsatz. Das effektive Übersetzungsverhältnis des Planetenradsatzes 340 in Vorwärtsbetriebsmodi ist:
Ns_L/Ns_S, das Verhältnis der Anzahl von Zähnen des größeren Sonnenrads 342 (Ns_L) zu der Anzahl von Zähnen des kleineren Sonnenrads 343 (Ns_S).
Wenn somit das Sonnenrad 342 46 Zähne aufweist und das Sonnenrad 343 40 Zähne aufweist, beträgt das effektive Übersetzungsverhältnis des Planetenradsatzes 340 1,15. In dem S-P-P-S-Zahnradsatz 340 ist die Drehzahl des Trägers 344 das gewichtete Mittel der Drehzahlen des Sonnenrads 342 und des Sonnenrads 343. Das Drehmoment in das Sonnenrad 342 hinein und das Drehmoment in das Sonnenrad 343 hinein summieren sich zu dem Drehmoment aus dem Träger 346 heraus.
Ein Verbindungselement 370 verbindet den Träger 326, den Träger 336 und das Sonnenrad 343 ständig. Das Verbindungselement 370 kann alternativ zwei separate Bauteile sein, eines, das die Träger 326 und 336 verbindet, und ein weiteres, das den Träger 336 mit dem Sonnenrad 243 verbindet.
Das Hohlrad 324, der Träger 326 und das Sonnenrad 322 entsprechen jeweils den Knoten A, B bzw. C der 1–4. Das Hohlrad 334, der Träger 336 und das Sonnenrad 332 entsprechen jeweils den Knoten D, E bzw. F. Das erste Sonnenrad 342, der Träger 346 und das zweite Sonnenrad 343 entsprechen jeweils den Knoten G, H bzw. I.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 314 umfasst auch zwei Motoren/Generatoren 380 und 382, die elektrische Leistung von einer Energiespeichereinrichtung 386, wie einer Batterie, aufnehmen können oder elektrische Leistung an diese abgeben können. Ein elektronischer Controller 388 steht mit der Batterie 386 und mit einem Stromumrichter 390 in Signalverbindung, der auch in elektrischer Verbindung mit den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 380, 382 steht. Der Controller 388 spricht auf eine Vielfalt von Eingangssignalen an, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Bedieneranforderung, das Niveau, bis zu dem die Batterie 386 aufgeladen ist, und die Leistung, die von der Maschine 12 bereitgestellt wird, umfassen, um den Leistungsfluss zwischen den Motoren/Generatoren 380, 382 und der Batterie 386 über den Umrichter 390 zu regeln, der eine Umwandlung zwischen Gleichstrom, der von der Batterie 386 bereitgestellt oder benutzt wird, und Wechselstrom, der von den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 380, 382 bereitgestellt oder benutzt wird, durchzuführen.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 314 umfasst auch mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen 350, 352, 354, 356 und 359. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 350 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 342 an einem feststehenden Element 384 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 352 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 332 und den Motor/Generator 382 zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenrad 342 zu verbinden. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 354 ist selektiv einrückbar, um das Hohlrad 334 an dem feststehenden Element 384 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 356 ist selektiv einrückbar, um den Motor/Generator 380 und das Hohlrad 334 zur gemeinsamen Rotation zu verbinden. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 359 ist selektiv einrückbar, um das Hohlrad 344 an dem feststehenden Element 384 festzulegen. Im Vergleich mit dem Getriebe 214 von 6 sind die Drehmomentübertragungsmechanismen 354 und 350 von den Drehmomentübertragungsmechanismen 356 bzw. 352 jeweils versetzt statt radial damit ausgerichtet. Diese Anordnung lässt zu, dass die Motoren/Generatoren 380, 382 näher beieinander gepackt werden können als die Motoren/Generatoren 280, 282, wodurch die Gesamtlänge des Getriebes 314 minimiert wird.
Die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 310 ist gleich wie die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 10, der in 1 gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass ein elektrisch verstellbarer Rückwärtsmodus bereitgestellt wird, wie es nachstehend beschrieben wird. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 350 und 354 stellt einen ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 350 und 356 stellt einen zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, und die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 352 und 356 stellt einen dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsme chanismen 350, 354 und 359 stellt einen elektrisch verstellbaren Rückwärtsbetriebsmodus her, da das auf Masse gelegte Hohlrad 344 ein Reaktionsdrehmoment bereitstellt, um die Drehrichtung des ersten Satzes Planetenräder 347 zu ändern, so dass der Träger 346 und das Abtriebselement 318 in einer Rückwärtsrichtung rotieren. Das Getriebe 314 stellt auch drei Vorwärtsbetriebsmodi mit festem Verhältnis bereit. Ein erster Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 350, 354 und 356 (die ein festes Drehzahlverhältnis von 3,25 bereitstellen) bevorzugt an dem mechanischen Punkt, der zwischen dem ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus hergestellt ist, bereitgestellt. Ein zweiter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 350, 352 und 356 (die ein festes Verhältnis von 1,58 bereitstellen) bevorzugt an dem mechanischen Punkt, der zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt ist, hergestellt. Ein dritter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 352, 354 und 356 (die ein festes Verhältnis von 0,74 bereitstellen) bevorzugt an dem dritten mechanischen Punkt, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 380 Null beträgt, hergestellt.
Außerdem ist das maximale Drehmoment, das von dem Motor/Generator 380 erforderlich ist, gleich wie das, das von dem Motor/Generator 382 erforderlich ist, was zulässt, dass diese eine identische Größe haben können, wie es in Bezug auf die jeweiligen Hebeldiagramme der 1–4 dargestellt ist. Darüber hinaus wird eine im Wesentlichen identische Verhältnisspreizung zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt.
Vierte spezifische Ausführungsform
Ein Antriebsstrang 410, der in 8 gezeigt ist, stellt eine spezifische Ausführungsform eines Getriebes 414 bereit und ist auf die gleiche Weise wie der in Hebeldiagrammform in den 1–4 gezeigte Antriebsstrang 10 darstellbar und betreibbar. Der Antriebsstrang 410 ist identisch mit dem in 6 gezeigten Antriebsstrang 210 mit der Ausnahme von Unterschieden bezüglich der Lage der Drehmomentübertragungsmechanismen, wie es nachstehend besprochen wird. Der Antriebsstrang 410 umfasst die Maschine 12, den Achsantriebsmechanismus 17 und ein elektrisch verstellbares Getriebe 414 mit einem Antriebselement 416, das zur Rotation mit der Maschine 12 verbunden ist, und einem Abtriebselement 418, das zur Rotation mit dem Achsantriebsmechanismus 17 verbunden ist. Das Getriebe 414 umfasst drei Planetenradsätze 420, 430 und 440, die jeweils in den 1–4 als Hebel 20, 30 bzw. 40 dargestellt sind.
Der Planetenradsatz 420 umfasst ein Sonnenrad 422, ein Hohlrad 424 und einen Träger 426. Der Träger 426 lagert drehbar mehrere Planetenräder 427, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 422 als auch dem Hohlrad 424 angeordnet sind. Das Hohlrad 424 weist 86 Zähne auf und das Sonnenrad 422 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 420 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 430 umfasst ein Sonnenrad 432, ein Hohlrad 434 und einen Träger 436, der mehrere Planetenräder 437 drehbar lagert, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 432 als auch dem Hohlrad 434 angeordnet sind. Das Hohlrad 434 weist 86 Zähne auf und das Sonnenrad 432 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 430 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 440 umfasst ein erstes Sonnenrad 442, einen Träger 446, erste und zweite Sätze Planetenräder 447, 448 und ein zweites Sonnenrad 443. Der Träger 446 lagert den ersten Satz Planetenräder 447 sowie den zweiten Satz Planetenräder 448 drehbar. Der erste Satz Planetenräder 447 ist in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 442 als auch dem zweiten Satz Planetenräder 448 angeordnet. Der zweite Satz Planetenräder 448 ist in kämmender Beziehung mit dem ersten Satz Planetenräder 447 und mit dem zweiten Sonnenrad 443 angeordnet. Somit ist der Planetenradsatz 440 ein zusammengesetzter S-P-P-S-Zahnradsatz. Das effektive Übersetzungsverhältnis eines S-P-P-S-Zahnradsatzes, wie des Planetenradsatzes 440, ist:
Ns_L/Ns_S, das Verhältnis der Anzahl von Zähnen des größeren Sonnenrads 442 (Ns_L) zu der Anzahl von Zähnen des kleineren Sonnenrads 443 (Ns_S).
Wenn somit das Sonnenrad 442 46 Zähne aufweist und das Sonnenrad 443 40 Zähne aufweist, beträgt das effektive Übersetzungsverhältnis des Planetenradsatzes 440 1,15. In dem S-P-P-S-Zahnradsatz 440 ist die Drehzahl des Trägers 444 das gewichtete Mittel der Drehzahlen des Sonnenrads 442 und des Sonnenrads 443. Das Drehmoment in das Sonnenrad 442 hinein und das Drehmoment in das Sonnenrad 443 hinein summieren sich zu dem Drehmoment aus dem Träger 446 heraus.
Ein Verbindungselement 470 verbindet den Träger 426, den Träger 436 und das Sonnenrad 443 ständig. Das Verbindungselement 470 kann alternativ zwei separate Bauteile sein, eines, das die Träger 426 und 436 verbindet, und ein weiteres, das den Träger 436 mit dem Sonnenrad 443 verbindet.
Das Hohlrad 424, der Träger 426 und das Sonnenrad 422 entsprechen jeweils den Knoten A, B bzw. C der 1–4. Das Hohlrad 434, der Träger 436 und das Sonnenrad 432 entsprechen jeweils den Knoten D, E bzw. F. Das erste Sonnenrad 442, der Träger 446 und das zweite Sonnenrad 443 entsprechen jeweils den Knoten G, H bzw. I.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 414 umfasst auch zwei Motoren/Generatoren 480 und 482, die elektrische Leistung von einer Energiespeichereinrichtung 486, wie einer Batterie, aufnehmen können oder elektrische Leistung an diese abgeben können. Ein elektronischer Controller 488 steht mit der Batterie 486 und mit einem Stromumrichter 490 in Signalverbindung, der auch in elektrischer Verbindung mit den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 480, 482 steht. Der Controller 488 spricht auf eine Vielfalt von Eingangssignalen an, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Bedieneranforderung, das Niveau, bis zu dem die Batterie 486 aufgeladen ist, und die Leistung, die von der Maschine 12 bereitgestellt wird, umfassen, um den Leistungsfluss zwischen den Motoren/Generatoren 480, 482 und der Batterie 486 über den Umrichter 490 zu regeln, der eine Umwandlung zwischen Gleichstrom, der von der Batterie 486 bereitgestellt oder benutzt wird, und Wechselstrom, der von den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 480, 482 bereitgestellt oder benutzt wird, durchzuführen.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 414 umfasst auch mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen 450, 452, 454 und 456. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 450 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 442 an einem feststehenden Element 484 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 452 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 432 und den Motor/Generator 482 zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenrad 442 zu verbinden. Der Drehmomentübertragungsme chanismus 454 ist selektiv einrückbar, um das Hohlrad 434 an dem feststehenden Element 484 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 456 ist selektiv einrückbar, um den Motor/Generator 480 und das Hohlrad 434 zur gemeinsamen Rotation zu verbinden. Im Vergleich mit dem Getriebe 214 von 6 sind die Drehmomentübertragungsmechanismen 454 und 450 von den Drehmomentübertragungsmechanismen 456 bzw. 452 verschoben statt radial damit ausgerichtet. Diese Anordnung lässt zu, dass die Motoren/Generatoren 480, 482 näher beieinander gepackt werden können als die Motoren/Generatoren 280, 282, wodurch die Gesamtlänge des Getriebes 414 minimiert wird.
Die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 410 ist gleich wie die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 10, der in 1 gezeigt ist. Das heißt die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 450 und 454 stellt einen ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 450 und 456 stellt einen zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, und die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 452 und 456 stellt einen dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Das Getriebe 414 stellt auch drei Betriebsmodi mit festem Verhältnis her. Ein erster Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 450, 454 und 456 (die ein festes Drehzahlverhältnis von 3,25 bereitstellen) bevorzugt an dem ersten mechanischen Punkt, der zwischen dem ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus hergestellt ist, hergestellt. Ein zweiter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 450, 452 und 456 (die ein festes Verhältnis von 1,58 bereitstellen) bevorzugt an dem zweiten mechanischen Punkt, der zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt ist, hergestellt. Ein dritter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentüber tragungsmechanismen 452, 454 und 456 (die ein festes Verhältnis von 0,74 bereitstellen) bevorzugt an dem dritten mechanischen Punkt, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 480 Null beträgt, hergestellt.
Außerdem ist das maximale Drehmoment, das von dem Motor/Generator 480 erforderlich ist, gleich wie das, das von dem Motor/Generator 482 erforderlich ist, was zulässt, dass diese eine identische Größe aufweisen können, wie es in Bezug auf die repräsentativen Hebeldiagramme der 1–4 beschrieben ist. Darüber hinaus wird in dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus eine im Wesentlichen identische Verhältnisspreizung hergestellt.
Fünfte spezifische Ausführungsform
Ein Antriebsstrang 510, der in 9 gezeigt ist, stellt eine spezifische Ausführungsform eines Getriebes 514 bereit und ist auf die gleiche Weise wie der in Hebeldiagrammform in den 1–4 gezeigte Antriebsstrang 10 darstellbar und betreibbar. Der Antriebsstrang 510 ist identisch mit dem in 6 gezeigten Antriebsstrang 210 mit Ausnahme von Unterschieden bezüglich der Lage der Drehmomentübertragungsmechanismen und der relativen Größen und der Anordnung der Bauteile des Planetenradsatzes 540, wie es nachstehend besprochen wird. Der Antriebsstrang 510 umfasst die Maschine 12, den Achsantriebsmechanismus 17 und ein elektrisch verstellbares Getriebe 514 mit einem Antriebselement 516, das zur Rotation mit der Maschine 12 verbunden ist, und einem Abtriebselement 518, das zur Rotation mit dem Achsantriebsmechanismus 17 verbunden ist. Das Getriebe 514 umfasst drei Planetenradsätze 520, 530 und 540, die in den 1–4 jeweils als Hebel 20, 30 bzw. 40 dargestellt sind.
Der Planetenradsatz 520 umfasst ein Sonnenrad 522, ein Hohlrad 524 und einen Träger 526. Der Träger 526 lagert drehbar mehrere Planetenräder 527, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 522 als auch dem Hohlrad 524 angeordnet sind. Das Hohlrad 524 weist 86 Zähne auf und das Sonnenrad 522 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 520 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 530 umfasst ein Sonnenrad 532, ein Hohlrad 534 und einen Träger 536, der mehrere Planetenräder 537 drehbar lagert, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 532 als auch dem Hohlrad 534 angeordnet sind. Das Hohlrad 534 weist 86 Zähne auf und das Sonnenrad 532 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 530 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 540 umfasst ein erstes Sonnenrad 542, einen Träger 546, erste und zweite Sätze Planetenräder 547, 548 und ein zweites Sonnenrad 543. Der Träger 546 lagert den ersten Satz Planetenräder 547 sowie den zweiten Satz Planetenräder 548 drehbar. Der erste Satz Planetenräder 547 ist in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 542 als auch dem zweiten Satz Planetenräder 548 angeordnet. Der zweite Satz Planetenräder 548 ist in kämmender Beziehung mit dem ersten Satz Planetenräder 547 und mit dem zweiten Sonnenrad 543 angeordnet. Somit ist der Planetenradsatz 540 ein zusammengesetzter S-P-P-S-Zahnradsatz. Das effektive Übersetzungsverhältnis eines S-P-P-S-Zahnradsatzes, wie des Planetenradsatzes 540, ist:
Ns_L/Ns_S, das Verhältnis der Anzahl von Zähnen des größeren Sonnenrads 543 (Ns_L) zu der Anzahl von Zähnen des kleineren Sonnenrads 542 (Ns_S).
Wenn somit das Sonnenrad 543 46 Zähne aufweist, und das Sonnenrad 542 40 Zähne aufweist, beträgt das effektive Übersetzungsverhältnis des Planetenradsatzes 440 1,15. Da das kleinere Sonnenrad 542 selektiv mit dem feststehenden Element 584 oder mit dem Motor/Generator 582 und dem Sonnenrad 532 einrückbar ist, stellt der Planetenradsatz 540 ein kleineres Drehzahlreduktions-Übersetzungsverhältnis in dem ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Modus im Vergleich mit den Planetenradsätzen 240, 340 bzw. 440 der 6, 7 bzw. 8 bereit. Der Zahlenwert der Modi mit festem Verhältnis wird ebenfalls beeinflusst, wie es nachstehend besprochen wird. In dem S-P-P-S-Zahnradsatz 540 ist die Drehzahl des Trägers 544 das gewichtete Mittel der Drehzahlen des Sonnenrads 542 und des Sonnenrads 543. Das Drehmoment in das Sonnenrad 542 hinein und das Drehmoment in das Sonnenrad 543 hinein summieren sich zu dem Drehmoment aus dem Träger 546 heraus.
Ein Verbindungselement 570 verbindet den Träger 526, den Träger 536 und das Sonnenrad 543 ständig. Das Verbindungselement 570 kann alternativ zwei separate Bauteile sein, eines, das die Träger 526 und 536 verbindet, und ein weiteres, das den Träger 536 mit dem Sonnenrad 543 verbindet.
Das Hohlrad 524, der Träger 526 und das Sonnenrad 522 entsprechen jeweils den Knoten A, B bzw. C der 1–4. Das Hohlrad 534, der Träger 536 und das Sonnenrad 532 entsprechen jeweils den Knoten D, E bzw. F. Das erste Sonnenrad 542, der Träger 546 und das zweite Sonnenrad 543 entsprechen jeweils den Knoten G, H bzw. I.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 514 umfasst auch zwei Motoren/Generatoren 580 und 582, die elektrische Leistung von einer Energiespeichereinrichtung 586, wie einer Batterie, aufnehmen können oder elektri sche Leistung an diese abgeben können. Ein elektronischer Controller 588 steht mit der Batterie 586 und mit einem Stromumrichter 590 in Signalverbindung, der auch in elektrischer Verbindung mit den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 580, 582 steht. Der Controller 588 spricht auf eine Vielfalt von Eingangssignalen an, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Bedieneranforderung, das Niveau, bis zu dem die Batterie 586 aufgeladen ist, und die Leistung, die von der Maschine 12 bereitgestellt wird, umfassen, um den Leistungsfluss zwischen den Motoren/Generatoren 580, 582 und der Batterie 586 über den Umrichter 590 zu regeln, der eine Umwandlung zwischen Gleichstrom, der von der Batterie 586 bereitgestellt oder benutzt wird, und Wechselstrom, der von den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 580, 582 bereitgestellt oder benutzt wird, durchzuführen.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 514 umfasst auch mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen 550, 552, 554 und 556. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 550 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 542 an einem feststehenden Element 584 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 552 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 532 und den Motor/Generator 582 zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenrad 542 zu verbinden. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 554 ist selektiv einrückbar, um das Hohlrad 534 an dem feststehenden Element 584 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 556 ist selektiv einrückbar, um den Motor/Generator 580 und das Hohlrad 534 zur gemeinsamen Rotation zu verbinden. Im Vergleich mit dem Getriebe 214 von 6 sind die Drehmomentübertragungsmechanismen 554 und 550 von den Drehmomentübertragungsmechanismen 556 bzw. 552 verschoben, statt radial damit ausgerichtet. Diese Anordnung lässt zu, dass die Motoren/Generatoren 580, 582 näher beieinander gepackt werden können als die Motoren/Generatoren 580, 582, wodurch die Gesamtlänge des Getriebes 514 minimiert wird.
Die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 510 ist gleich wie die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 10, der in 1 dargestellt ist. Das heißt die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 550 und 554 stellt einen ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 550 und 556 stellt einen zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, und die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 552 und 556 stellt einen dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Das Getriebe 514 stellt auch drei Betriebsmodi mit festem Verhältnis her. Ein erster Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 550, 554 und 556 (die ein festes Drehzahlverhältnis von 2,82 bereitstellen) bevorzugt an dem ersten mechanischen Punkt, der zwischen dem ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus hergestellt ist, bereitgestellt. Ein zweiter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 550, 552 und 556 (die ein festes Verhältnis von 1,38 bereitstellen) bevorzugt an dem zweiten mechanischen Punkt, der zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt ist, hergestellt. Ein dritter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 552, 554 und 556 (die ein festes Verhältnis von 0,79 bereitstellen) bevorzugt an dem dritten mechanischen Punkt, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 580 Null beträgt, hergestellt.
Außerdem ist das maximale Drehmoment, das von dem Motor/Generator 580 erforderlich ist, gleich wie das, das von dem Motor/Generator 582 erforderlich ist, was zulässt, dass diese eine identische Größe aufweisen können, wie es in Bezug auf die repräsentativen Hebeldiagramme der 1–4 gezeigt ist. Darüber hinaus wird in dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus eine im Wesentlichen identische Verhältnisspreizung hergestellt.
Zweite Hebeldiagrammausführungsform
10 veranschaulicht einen Antriebsstrang 610 in Hebeldiagrammform. Der Antriebsstrang 610 ist anders als der Antriebsstrang 10 von 1 konfiguriert. Aufgrund der spezifisch gewählten effektiven Übersetzungsverhältnisse der Planetenradsätze, die durch die Hebel 620, 630 und 640 dargestellt sind, ist der Antriebsstrang 610 betreibbar, um drei elektrisch verstellbare Vorwärtsmodi mit dem gleichen maximalen Drehmomenterfordernis für jeden Motor/Generator 680 und 682 über drei Vorwärtsbetriebsbereiche bereitzustellen. Der Antriebsstrang 610 umfasst eine Maschine 12, die mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe 614 verbunden ist. Das Getriebe 614 ist konstruiert, um zumindest einen Teil seiner Antriebsleistung von der Maschine 12 in einigen seiner Betriebsmodi aufzunehmen, wie es nachstehend besprochen wird. Die Maschine weist eine Abtriebswelle auf, die als ein Antriebselement 616 des Getriebes 614 dient. Eine Achsantriebseinheit 17 ist funktional mit einem Abtriebselement 618 des Getriebes 614 verbunden.
Das Getriebe 614 umfasst einen Hebel 620 mit drei Knoten, der einen ersten Planetenradsatz mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Element darstellt, die jeweils durch Knoten J, K bzw. M dargestellt sind. Die Elemente können ein Hohlrad, ein Sonnenrad und ein Träger sein, obwohl nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge.
Das Getriebe 614 umfasst ferner einen weiteren Hebel 630 mit drei Knoten, der einen zweiten Planetenradsatz darstellt, der ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweist, die jeweils durch Knoten N, P, Q dargestellt sind. Die Knoten N, P und Q stellen jeweils ein Hohlrad, ein Sonnenrad und einen Träger dar, obwohl nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge. Das Getriebe 614 umfasst auch einen weiteren Hebel 640 mit drei Knoten, der einen dritten Planetenradsatz darstellt, der einen ersten, zweiten und dritten Knoten R, S bzw. T aufweist. Die Knoten R, S und T stellen jeweils ein Hohlrad, ein Sonnenrad und einen Träger dar, obwohl nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge.
Das Getriebe 614 weist mehrere feste Verbindungen auf. Ein Verbindungselement 672 verbindet die Knoten J und N ständig zur gemeinsamen Rotation. Ein Verbindungselement 674 verbindet die Knoten P und T ständig zur gemeinsamen Rotation. Die Verbindungselemente 672 und 674 können Wellen mit damit verbundenen Naben sein, wobei die Wellen und Naben einstückig oder einteilig sind. Ein Motor/Generator 680 (der auch als M/G A bezeichnet wird) ist ständig mit dem Knoten M verbunden. Das Antriebselement 616 ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten K verbunden. Ein anderer Motor/Generator 682 (der auch das M/G B bezeichnet wird) ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten N verbunden. Der Knoten S ist zur gemeinsamen Rotation mit der Abtriebswelle 618 verbunden. Wie es Fachleute feststellen werden, weist jeder der Motoren/Generatoren 680, 682 einen Rotor auf, der drehbar ist, und einen Stator, der ständig an einem feststehenden Element, wie etwa einem Gehäuse des Getriebes 614, festgelegt ist. Wie es weiter unten besprochen wird, ist das Getriebe 614 derart konfiguriert, dass die Motoren/Generatoren 680 und 682 einem im Wesentlichen gleichen maximalen Drehmomenterfordernis unterworfen sind, die jeweils für jeden Motor/Generator an irgendeinen Punkt während der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi erforderlich ist. Dies lässt zu, dass die Motoren/Generatoren 680, 682 eine im Wesentlichen gleiche minimale Größe haben können.
Das Getriebe 614 weist auch mehrere selektiv einrückbare Drehmomentübertragungsmechanismen auf, die verschiedene Betriebsmodi bereitstellen, wie es nachstehend beschrieben ist. Ein Drehmomentübertragungsmechanismus 650, eine feststehende Kupplung, die auch als eine Bremse bezeichnet wird, ist selektiv einrückbar, um den Knoten R an einem feststehenden Element 684, wie etwa einem Gehäuse des Getriebes 614, auf Masse festzulegen. Ein Drehmomentübertragungsmechanismus 652, eine rotierende Kupplung, ist selektiv einrückbar, um den Knoten N und den Motor/Generator 682 zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten R zu verbinden. Ein anderer Drehmomentübertragungsmechanismus 654, eine feststehende Kupplung, ist selektiv einrückbar, um den Knoten Q an dem feststehenden Element 684 auf Masse festzulegen. Schließlich ist ein Drehmomentübertragungsmechanismus 656, eine rotierende Kupplung, selektiv einrückbar, um den Knoten M und den Motor/Generator 680 zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten Q zu verbinden.
Ein zusätzlicher, optionaler Drehmomentübertragungsmechanismus 658 (der in 10 gestrichelt gezeichnet ist, um zu kennzeichnen, dass er optional ist) kann enthalten sein, um zusätzliche Betriebsmodi bereitzustellen, wie es nachstehend beschrieben ist. Ein Drehmomentübertragungsmechanismus 658, eine rotierende Kupplung, ist selektiv einrückbar, um den Knoten K zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten M zu verbinden. Durch Verbinden der zwei Elemente des Planetenradsatzes, die durch die Knoten K und M des Hebels 620 dargestellt sind, bewirkt die Einrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 658, dass alle Elemente des Planetenradsatzes, die durch Hebel 620 dargestellt sind, mit der gleichen Drehzahl rotieren, wodurch er als Sperrkupplung fungiert.
Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 650 eingerückt ist, ist der Knoten R ein Reaktionselement in dem Planetenradsatz, der durch den Hebel 640 dargestellt ist, und Leistung wird über das Verbindungselement 674 durch den Knoten T auf den Knoten S und somit auf das Abtriebselement 618 übertragen. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 652 eingerückt ist, nimmt der Motor/Generator 682 Leistung von dem Knoten R sowie dem Knoten N auf oder gibt Leistung and diese ab. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 654 eingerückt ist, wird der Knoten Q feststehend gehalten und wird ein Reaktionselement in dem Planetenradsatz, der durch den Hebel 630 dargestellt ist. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 656 eingerückt ist, sind der Motor/Generator 680 und der Knoten M zur Rotation mit dem Knoten Q verbunden. Wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 658 eingerückt ist, ist der Planetenradsatz, der durch den Hebel 620 dargestellt ist, verriegelt, so dass die Drehzahl des Antriebselements dem Knoten N zugeführt wird.
Das Getriebe 614 erreicht mehrere Betriebsmodi, die drei elektrisch verstellbare Vorwärtsmodi umfassen, die jeweils in den 11–13 veranschaulicht sind, wie es nachstehend weiter ausführlich dargelegt wird. Die Getriebeausführungsform von 14 ist eine Implementierung des Hebeldiagrammgetriebes 614 und arbeitet auf die gleiche Weise wie das Getriebe 614. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 650, 652, 654 und 656 in Kombinationen von zweien stellt drei elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsmodi her. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 650 und 654 stellt einen ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 650 und 656 stellt einen zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 652 und 656 stellt einen dritten elektrisch verstellba ren Vorwärtsmodus her. Die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 650, 652, 654 und 656 in Kombinationen von dreien stellt verschiedene Betriebsmodi mit festem Verhältnis her. Die Einrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 658 zusätzlich zu jedem Satz von zwei Drehmomentübertragungsmechanismen, die die jeweiligen elektrisch verstellbaren Modi herstellen, erlaubt einen Modus mit festem Verhältnis für jeden dieser elektrisch verstellbaren Modi. Das Getriebe 614 ist in der Lage, das Abtriebselement 618 ohne Wirkung der Maschine 12 anzutreiben, das heißt während das Antriebselement 616 feststehend ist, und ist auch in der Lage, das Abtriebselement 618 in jedem der elektrisch verstellbaren Modi durch geeignete Auswahl der Drehzahlen der Elektromotoren/Generatoren 680 und 682 rückwärts anzutreiben.
Wie es in Bezug auf die 1–4 besprochen wurde, sind die Abmessungen der Segmente eines Hebels (d. h. der relative Abstand zwischen Knoten) proportional zu und repräsentativ für die Anzahl von Zahnradzähnen an oder die Arbeitsradien der Zahnradelemente, die das effektive Übersetzungsverhältnis des Planetenradsatzes, der durch den Hebel dargestellt ist, bestimmen. Unter Bezugnahme auf das Getriebe 614 von 10 beträgt der Abstand zwischen den Knoten J und K L4, wohingegen der Abstand zwischen den Knoten K und M ebenfalls L4 beträgt, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von Hebel 620 so nahe wie praktisch möglich bei 1,0 geschaffen wird. Der Abstand zwischen den Knoten N und P beträgt L5, was als das Doppelte des Abstands L6 zwischen den Knoten P und Q gewählt ist. Somit beträgt das effektive Übersetzungsverhältnis des Hebels 630 2,0. Der Knoten N weist die doppelte Hebelwirkung um den Knoten P wie der Knoten Q auf. Der Abstand zwischen den Knoten R und S beträgt L4, was der gleiche Abstand ist wie zwischen den Knoten S und T und der Abstand zwischen den Knoten J und K und den Knoten K und M von Hebel 620. Somit ist das effektive Übersetzungsverhältnis des Hebels 640 so nahe wie praktisch möglich bei 1,0. Obwohl es unmöglich ist, einen einfachen Planetenradsatz mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis von 1,0 zu bauen (weil die Abmessung des Hohlrads gleich den Abmessungen des Sonnenrads sein müsste, kann durch die Verwendung eines zusammengesetzten Planetenradsatzes ein effektives Übersetzungsverhältnis von 1,0 erzielt werden. Dementsprechend stellen die Hebel 620 und 640 jeweils zusammengesetzte Planetenradsätze dar.
Der erste elektrisch verstellbare Vorwärtsmodus, der von dem Getriebe 614 bereitgestellt wird, ist ein Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung, während der zweite und dritte elektrisch verstellbare Modus Betriebsmodi mit kombinierter Leistungsverzweigung sind. Es gibt natürlich andere Einrückungskombinationen der Drehmomentübertragungsmechanismen, die andere Betriebsbedingungen zulassen werden. Beispielsweise kann der Motor/Generator 680 als Motor benutzt werden, um Startdrehmoment für die Maschine 12 bereitzustellen. Wenn alle vier Drehmomentübertragungsmechanismen 650, 652, 654 und 656 gleichzeitig eingerückt werden, sind die Antriebswelle 616 und die Abtriebswelle 618 effektiv auf Masse festgelegt, und daher kann keine Leistung übertragen werden, wodurch eine "Parkzahnrad"-Anordnung erzeugt wird, wenn dies erwünscht ist. Die gleichzeitige Ausrückung aller Drehmomentübertragungsmechanismen stellt eine positive neutrale Bedingung bereit.
Zu Zwecken der folgenden Diskussion wird die Drehrichtung der Maschine 12 vorwärts oder positiv betrachtet, und die Drehrichtung entgegengesetzt zu der Maschine 12 wird als rückwärts oder negativ betrachtet. Das Getriebe 614 ist auch in der Lage, das Abtriebselement 618 in jeden der elektrisch verstellbaren Modi rückwärts anzutreiben, würde aber bevorzugt in den ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus für den Rückwärtsbetrieb ebenso arbeiten, indem einfach die Kombination von Dreh zahlen der Motoren/Generatoren 680 und 682 derart gewählt wird, dass eine Rückwärtsrotation des Abtriebselements 618 bewirkt wird.
Erster elektrisch verstellbarer Vorwärtsbetriebsmodus
Um den ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus herzustellen, werden die Drehmomentübertragungsmechanismen 650 und 654 eingerückt, die Maschine 12 wird aus der Leerlaufdrehzahl beschleunigt, die Drehzahl des Motors/Generators 680 (der als Generator arbeitet) wird verringert, und die Drehzahl des Motors/Generators 682 (der als Motor arbeitet) wird erhöht. Dieser Betrieb wird fortfahren, bis die Drehzahl des Motors/Generators 680 Null beträgt, wobei ein erster mechanischer Punkt hergestellt wird. Dies ist das Ende des ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus. Dieser erste elektrisch verstellbare Betriebsmodus ist ein Typ von Lastschaltgetriebe mit Eingangsleistungsverzweigung. Unter Bezugnahme auf 11 werden die Verbindungen, die in dem Getriebe 614 während des ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus über Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 650 und 654 hergestellt werden, veranschaulicht. Spezieller sind die Knoten Q und R beide an dem feststehenden Element 684 auf Masse festgelegt. Das Drehmoment, das am Knoten M erforderlich ist und vom Motor/Generator 680 bereitgestellt wird, relativ zu dem Drehmoment, das an dem Antriebselement 616 bereitgestellt wird, ist durch den Abstand zwischen den Knoten J und M (L7) relativ zu dem Abstand zwischen den Knoten J und K (L4) dargestellt, was eine Hebelwirkung des Motors/Generators 680 und des Antriebselements 616 jeweils um den Knoten J (der das Abtriebselement des Hebels 620 ist) bezeichnet. Die Länge von L7 beträgt das Doppelte der Länge von L4, so dass das Drehmoment, das von dem Motor/Generator 680, der mit dem Knoten M verbunden ist, erforderlich ist, die Hälfte der Länge des Drehmoments beträgt, das dem Antriebselement 16, das mit dem Knoten K verbunden ist, geliefert wird.
Bei dem ersten mechanischen Punkt, wobei die Drehzahl des Motors/Generators 680 bei Null liegt und der Knoten K feststehend ist, da er durch den Drehmomentübertragungsmechanismus 654 gehalten wird. An diesem Punkt können die Drehmomentübertragungsmechanismen 654 und 656 unter einer synchronen Bedingung ausgetauscht werden, so dass es keinen Schlupf gibt, der bei der Einrückung oder Ausrückung dieser Einrichtungen vorhanden ist. Es ist auch anzumerken, dass an diesem Punkt, wenn das Getriebe 614 in einer im Wesentlichen mechanischen Leistungsflussanordnung arbeitet, die Wellenleistung, die von den Motoren/Generatoren 680, 682 übertragen wird, vernachlässigbar ist, und die elektrischen Verluste von einem der Motoren/Generatoren 680 oder 682 gering sind. Der erste mechanische Punkt ist das Ende des ersten elektrisch verstellbaren Modus und der Anfang des zweiten elektrisch verstellbaren Modus.
Zweiter elektrisch verstellbarer Vorwärtsbetriebsmodus
An dem ersten mechanischen Arbeitspunkt kann das Getriebe 614 gesteuert werden, um von dem ersten elektrisch verstellbaren Modus in einen zweiten elektrisch verstellbaren Modus zu schalten, indem der Drehmomentübertragungsmechanismus 654 ausgerückt wird und der Drehmomentübertragungsmechanismus 656 eingerückt wird, wobei der Betrieb des Motors/Generators 682 dadurch von einem Betrieb als Motor zu einem Betrieb als Generator gewechselt wird. An diesem Austauschpunkt ändert sich auch der Betrieb des Motors/Generators 680 von einem Generatormodus zu einem Motormodus. Die Drehzahl der Maschine 12 kann während des gesamten zweiten elektrisch verstellbaren Modus auf einer gewünschten Drehzahl gehalten werden, oder sie kann wie gewünscht verändert werden. Um den Vorteil eines synchronen Schaltens von einem Modus in einem anderen zu haben, ist es bevorzugt, dass das Verhältnis der Drehzahl des Antriebselements 616 zu der Drehzahl des Abtriebselements 618 zwischen dem des ersten mechanischen Punktes und dem des zweiten mechanischen Punktes bleibt, während das Getriebe 614 in dem zweiten elektrisch verstellbaren Modus arbeitet.
Unter Bezugnahme auf 12 ist das Hebeldiagramm, das aus den Verbindungen resultiert, die in dem Getriebe 614 während des zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus über Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 650 und 656 hergestellt sind, veranschaulicht. Spezieller ist der Knoten R an dem feststehenden Element 684 auf Masse festgelegt, und der Motor/Generator 680 und der Knoten M sind zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten Q verbunden. Die Hebel 620 und 630 fallen zusammen, wobei die verbundenen Knoten J und N bzw. M und Q jeweils ausgerichtet sind. Das an dem Knoten Q erforderliche Drehmoment, welches von dem Motor/Generator 680 bereitgestellt wird, beträgt die Hälfte des Drehmoments, das an dem Antriebselement 616 durch die Maschine 12 bereitgestellt wird, wenn der Motor/Generator 682 kein Drehmoment liefert, wie es durch den Abstand zwischen den Knoten Q und P (L10 oder L6) relativ zu dem Abstand zwischen den Knoten K und P (L9) dargestellt ist. Das Drehmoment, das an dem Knoten N durch den Motor/Generator 682 erforderlich ist, beträgt ein Viertel von dem, das ab dem Antriebselement 616 bereitgestellt wird, wenn der Motor/Generator 680 kein Drehmoment bereitstellt, wie es durch den Abstand zwischen den Knoten P und N (L5 oder L8) relativ zu dem Abstand zwischen den Knoten K und P (L7) dargestellt ist.
An dem ersten mechanischen Punkt, der in dieser Ausführungsform der Anfang des zweiten elektrisch verstellbaren Modus ist, kann der Motor/Generator 680 das gesamte Drehmoment bereitstellen, das notwendig ist, um dem Drehmoment entgegenzuwirken, das an das Antriebselement 616 geliefert wird, ohne mechanische Leistung zu verwenden oder zuzuführen, da der Motor/Generator 680 feststehend ist. An dem zweiten mechanischen Punkt, der in dieser Beschreibung das Ende des zweiten elektrisch verstellbaren Modus ist, kann der Motor/Generator 682 das gesamte Drehmoment zuführen, das notwendig ist, um dem Drehmoment entgegenzuwirken, das an das Antriebselement 16 geliefert wird, ohne mechanische Leistung zu verwenden oder zuzuführen, da der Motor/Generator 682 feststehend ist. Zwischen diesen zwei Punkten teilen sich die Motoren/Generatoren 680 und 682 die Aufgabe, Reaktionsdrehmoment bereitzustellen, so dass diese Last allmählich von dem Motor/Generator 680 durch den zweiten elektrisch verstellbaren Modus hindurch auf den Motor/Generator 682 überführt werden kann. Bei Fehlen von Batterieleistung und elektrischen Nebenaggregatlasten wird diese Last derart überführt, dass die von dem Motor/Generator 682 erzeugte elektrische Leistung von dem Motor/Generator 680 verbraucht wird, so dass der Nettoeffekt ist, dass einfach Leistung von dem Antriebselement 616 auf das Abtriebselement 618 übertragen wird.
Um fortzufahren, das Abtriebselement 618 (und ein Fahrzeug, in das das Getriebe 14 eingebaut ist) während des zweiten elektrisch verstellbaren Betriebsmodus, der ein Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung ist, zu beschleunigen, wird die Drehzahl des Motors/Generators 680 (der als Motor arbeitet) von Null in der Vorwärtsrichtung erhöht, und die Drehzahl des Motors/Generators 682 (der als Generator arbeitet) wird verringert. Sowohl der Motor/Generator 680 als auch die Maschine 12 verleihen dem Knoten M positive oder Vorwärtsrotation, und der Motor/Generator 682 stellt ein rotierendes Reaktionselement an den Knoten N des Hebels 630 bereit. Die von dem Motor/Generator 682 erzeugte elektrische Energie kann benutzt werden, um die Batterie, die mit den Motoren/Generatoren 680, 682 verbunden ist, wieder aufzuladen, elektrische Leistung zum Antreiben des Motors/Generators 680 bereitzustellen, oder beides zu tun, abhängig von dem Betrag an Leistung, der an dem Motor/Generator 680 benötigt wird, und dem Ladeniveau der Batterie.
Der Antriebsstrang 610 fährt fort, in dem zweiten elektrisch verstellbaren Modus zu arbeiten, bis die Drehzahl des Motors/Generators 682 auf Null abgenommen hat und die Drehzahl des Motors/Generators 680 auf einen Maximalwert zugenommen hat. An diesem Punkt weist der Motor/Generator 682 eine Drehzahl von Null auf, die gleich der Drehzahl des Knotens R ist, da dieser durch den Drehmomentübertragungsmechanismus 650 feststehend gehalten wird. Daher können die Drehmomentübertragungsmechanismen 650 und 652 an diesem Austauschpunkt auf eine synchrone Weise ausgetauscht werden, wobei kein Schlupf während des Verhältnisaustauschs auftritt. Dies ist ein zweiter mechanischer Punkt, der das Ende des zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus und der Anfang des dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus ist.
Dritter elektrisch verstellbarer Vorwärtsbetriebsmodus
Der dritte elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsmodus ist ebenfalls ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung. Während des dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus wird der Motor/Generator 680 als Generator betrieben und der Motor/Generator 682 wird als Motor betrieben. Die Drehzahl des Motors/Generators 680 nimmt ab, während die Drehzahl des Motors/Generators 682 zunimmt. Die Knoten R und T werden beide in einer Vorwärts- oder positiven Richtung angetrie ben. Der Knoten R wird von dem Motor/Generator 682 angetrieben, und der Knoten T wird sowohl von der Maschine 12 durch die Planetenradsätze, die durch Hebel 620 und 630 dargestellt sind, als auch von dem Motor/Generator 682 durch den Planetenradsatz, der durch Hebel 630 dargestellt ist, angetrieben.
Unter Bezugnahme auf 13 wird das Hebeldiagramm, das aus den Verbindungen resultiert, die in dem Getriebe 14 während des dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus über Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 652 und 656 hergestellt sind, veranschaulicht. Spezieller sind der Motor/Generator 682 und der Knoten N zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten R verbunden, und der Motor/Generator 680 und der Knoten M sind zur gemeinsamen Rotation mit dem Knoten Q verbunden. Da zwei Knoten des Hebels 620 mit zwei Knoten des Hebels 630 verbunden sind, und zwei Knoten des Hebels 630 mit zwei Knoten des Hebels 640 verbunden sind, fallen die Hebel 20, 30 und 40 zusammen, wobei die verbundenen Knoten ausgerichtet sind, wobei die Hebel die notwendig umskaliert sind, um die verbundenen Knoten auszurichten. Somit sind in dem dritten elektrisch verstellbaren Modus die Knoten J, N und R verbunden, die Knoten M und Q sowie die Knoten P und T sind verbunden, und die Hebel 620, 630 und 640 fallen mit diesen ausgerichteten jeweiligen Knoten zusammen. Der Abstand zwischen den Knoten R und S und der Abstand zwischen den Knoten S und T ändert sich in jedem Fall von L4 nach L11, wobei L11 die Hälfte der Länge von L4 beträgt. Das an dem Knoten Q erforderliche Drehmoment, das von dem Motor/Generator 680 bereitgestellt wird, beträgt ein Viertel des Drehmoments, das an dem Antriebselement 616 durch die Maschine 12 bereitgestellt wird, wenn der Motor/Generator 682 kein Drehmoment liefert, wie es durch den Abstand zwischen den Knoten Q und S (L8) relativ zu dem Abstand zwischen Knoten K und S (L9) dargestellt ist. Das an dem Knoten R von Motor/Generator 682 erforderliche Drehmoment beträgt eine Hälfte von dem, das an dem Antriebselement 616 bereitgestellt wird, wenn der Motor/Generator 680 kein Drehmoment liefert, wie es durch die relativen Abstände zwischen den Knoten R und S (L11) und dem zwischen den Knoten K und S (L9) dargestellt ist.
Somit tritt das maximale Drehmoment, das von dem Motor/Generator 680 erforderlich ist, um einem gegebenen Drehmoment entgegenzuwirken, das von dem Antriebselement 16 während des ersten, zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus bereitgestellt wird, während des ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus auf, und ist identisch mit dem maximalen Drehmoment, das von dem Motor/Generator 682 erforderlich ist, das während des zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Betriebsmodus auftritt. Diese Gleichheit bei dem maximalen Drehmoment liegt aufgrund der Tatsache vor, dass die ausgewählten Übersetzungsverhältnisse der Planetenradsätze, die durch die Hebel 620, 630 und 640 dargestellt sind, jeweils 1,0, 2,0 bzw. 1,0 betragen. Da die Motoren/Generatoren das gleiche maximale Drehmomenterfordernis aufweisen, können sie die gleiche Größe haben.
Während des dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus führt der Motor/Generator 680 dem Getriebe 614 elektrische Leistung zu, die dazu benutzt werden kann, den Motor/Generator 682 als Motor zu beaufschlagen und/oder Energie an eine daran angeschlossene Batterie zu liefern, um die Batteriespeicherladung zu erhöhen. Der dritte elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsmodus kann fortfahren, bis das Fahrzeug einen Punkt maximaler Drehzahl erreicht, an dem die Drehzahl des Motors/Generators 680 Null beträgt, d. h. einen dritten mechanischen Punkt.
Modi mit festem Verhältnis
Das Getriebe 614 stellt auch drei Betriebsmodi mit festem Verhältnis bereit. Ein erster Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 650, 654 und 656 bevorzugt an dem ersten mechanischen Punkt, der zwischen dem ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus hergestellt ist, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 680 Null beträgt, bereitgestellt. Ein zweiter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 650, 652 und 656 bevorzugt an dem zweiten mechanischen Punkt, der zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt ist, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 682 Null beträgt, hergestellt. Ein dritter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 652, 654 und 656 bevorzugt an den dritten mechanischen Punkt, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 680 Null beträgt, hergestellt.
Die Verhältnisspreizung des zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsbetriebsmodus ist identisch mit der Verhältnisspreizung des dritten elektrisch verstellbaren Betriebsmodus. Das Drehzahlverhältnis in dem zweiten elektrisch verstellbaren Modus liegt im Bereich von 3,0 bis 1,5, wobei eine Verhältnisspreizung von 2,0 hergestellt ist. Das Drehzahlverhältnis des dritten elektrisch verstellbaren Modus liegt in einem Bereich von 1,5 bis 0,75, das auch eine Verhältnisspreizung von 2,0 ist.
In den 10–13 können die relativen Drehzahlen der Elemente jedes Planetenradsatzes unter Verwendung der Abstände zwischen den Knoten, die jene Elemente an dem Hebel darstellen, berechnet werden. Für den ersten Modus mit festem Verhältnis, wobei auf 10 Bezug genommen wird, ist der Motor/Generator 680, der mit dem Knoten M verbunden ist, feststehend, so dass das Verhältnis zwischen der Drehzahl des Antriebselements 618, das mit dem Knoten K verbunden ist, und der des Verbindungselements 672, das mit dem Knoten J verbunden ist, der Abstand zwischen dem Knoten K und dem Knoten M, L4, zu dem Abstand zwischen dem Knoten J und dem Knoten M, L7, ist, welcher das Doppelte von L4 beträgt, was zu einem Verhältnis von ein Halb für den Planetenradsatz mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis von 1,0 führt. Das Verhältnis zwischen dem Verbindungselement 672, das mit dem Knoten N verbunden ist, und dem Verbindungselement 674, das mit dem Knoten P verbunden ist, ist der Abstand von dem Knoten N zu dem Knoten Q, L5 plus L6 (d. h. L7), zu dem Abstand von dem Knoten P zu dem Knoten Q, L6, was zu dem Verhältnis von drei zu eins für einen Planetenradsatz mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis von 2,0 führt. Das Verhältnis zwischen dem Verbindungselement 674 und dem Abtriebselement 618 kann auf die gleiche Weise gefunden werden, wobei der Hebel 640 und die Verhältnisse der Abstände von dem Knoten T zu dem Knoten R zu dem Abstand von dem Knoten S zu dem Knoten R verwendet werden, mit dem Ergebnis von zwei zu eins für Hebel 640, der einen Planetenradsatz mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis von 1,0 darstellt. Das Gesamtdrehzahlverhältnis für den ersten Modus mit festem Verhältnis ist dann das Produkt aus diesen drei Verhältnissen, nämlich ein Drehzahlverhältnis von 3,0.
Für den zweiten Modus mit festem Verhältnis, wobei Bezug auf 12 genommen wird, ist der Motor/Generator 682 feststehend, so dass das Drehzahlverhältnis zwischen dem Antriebselement 616, das mit dem Knoten K verbunden ist, und dem Verbindungselement 674, das mit dem Knoten P verbunden ist, das Verhältnis des Abstands von dem Knoten K zu dem Knoten J und N (L8 weniger L9 oder eins zwei) zu dem Abstand von dem Knoten P zu den Knoten J und N (L9, oder zwei Drittel) ist, was zu dem Verhältnis von drei zu vier für Planetenradsätze mit effektiven Übersetzungsverhältnissen von 1,0 und 2,0 führt, die jeweils durch die Hebel 620 bzw. 630 dargestellt sind. Das Drehzahlverhältnis zwischen dem Verbindungselement 674 und dem Abtriebselement 618 kann auf die gleiche Weise gefunden werden, wobei der Hebel 640 und die Verhältnisse der Abstände von dem Knoten T zu dem Knoten R zu dem Abstand von dem Knoten S zu dem Knoten R verwendet werden, mit dem Ergebnis von zwei zu eins für Hebel 640, der den Planetenradsatz mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis von 1,0 darstellt. Das Gesamtdrehzahlverhältnis für den ersten Modus mit festem Verhältnis ist dann das Produkt aus diesen zwei Verhältnissen, was ein Drehzahlverhältnis von 1,5 ergibt.
Für den dritten Modus mit festem Drehzahlverhältnis, wobei auf 13 Bezug genommen wird, ist der Motor/Generator 680 feststehend, so dass das Gesamtdrehzahlverhältnis durch das Getriebe 614 das Verhältnis des Abstands von dem Knoten K, mit dem das Antriebselement 616 zur gemeinsamen Rotation verbunden ist, zu den Knoten M und Q, das L8 weniger L9 oder L4 ist, zu dem Abstand von dem Knoten S, mit dem das Abtriebselement 618 zur gemeinsamen Rotation verbunden ist, zu den Knoten M und Q, welches L8 (d. h. L4 plus L9) ist, ist. Somit weist der dritte Modus mit festem Verhältnis ein Drehzahlverhältnis von vier zu drei auf, das 0,75 beträgt.
Sechste spezifische Ausführungsform
Ein Antriebsstrang 710, der in 14 gezeigt ist, stellt eine spezifische Ausführungsform eines Getriebes 714 bereit und ist auf die gleiche Weise wie der in Hebeldiagrammform in den 10–13 gezeigte Antriebsstrang 610 darstellbar und betreibbar. Der Antriebsstrang 710 umfasst die Maschine 12, den Achsantriebsmechanismus 17 und ein elektrisch verstellbares Getriebe 714 mit einem Antriebselement 716, das zur Rotation mit der Maschine 12 verbunden ist, und einem Abtriebselement 718, das zur Rotation mit dem Achsantriebsmechanismus 17 verbunden ist. Das Getriebe 714 umfasst drei Planetenradsätze 720, 730 und 740, die jeweils in den 11–13 als Hebel 620, 630 bzw. 640 dargestellt sind.
Der Planetenradsatz 720 umfasst ein Sonnenrad 722, ein Hohlrad 724 und einen Träger 726. Der Träger 726 lagert drehbar einen ersten Satz Planetenräder 727 und einen zweiten Satz Planetenräder 728. Der erste Satz Planetenräder 727 ist in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 722 als auch dem zweiten Satz Planetenräder 728 angeordnet. Der zweite Satz Planetenräder 728 ist in kämmender Beziehung mit dem ersten Satz Planetenräder 727 und dem Hohlrad 724 angeordnet. Somit ist der Planetenradsatz 720 ein zusammengesetzter S-P-P-R-Zahnradsatz. Das Hohlrad 724 weist 104 Zähne auf und das Sonnenrad 722 weist 52 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 1,00 für den Planetenradsatz 720 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 730 umfasst ein Sonnenrad 732, ein Hohlrad 734 und einen Träger 736, der mehrere Planetenräder 737 drehbar lagert, die in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 732 als auch dem Hohlrad 734 angeordnet sind. Das Hohlrad 734 weist 88 Zähne auf und das Sonnenrad 732 weist 44 Zähne auf, wodurch ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2,0 für den Planetenradsatz 730 hergestellt wird.
Der Planetenradsatz 740 umfasst ein Sonnenrad 742, ein Hohlrad 744 und einen Träger 746. Der Träger 746 lagert drehbar einen ersten Satz Planetenräder 747 sowie einen zweiten Satz Planetenräder 748. Der erste Satz Planetenräder 747 ist in kämmender Beziehung mit sowohl dem Sonnenrad 742 als auch dem zweiten Satz Planetenräder 748 angeordnet. Der zweite Satz Planetenräder 748 ist in kämmender Beziehung mit dem ersten Satz Planetenräder 747 und mit dem Hohlrad 744 angeordnet. Somit ist der Planetenradsatz 740 ein zusammengesetzter S-P-P-R-Zahnradsatz. In dem S-P-P-R-Zahnradsatz 740 ist die Drehzahl des Hohlrads 744 das gewichtete Mittel der Drehzahlen des Sonnenrads 742 und des Trägers 746. Das Drehmoment in das Sonnenrad 742 hinein und das Drehmoment in den Träger 746 hinein summieren sich zu dem Drehmoment aus dem Hohlrad 744 heraus. Das Hohlrad 744 weist 104 Zähne auf, und das Sonnenrad 742 weist 52 Zähne auf. Das effektive Übersetzungsverhältnis des Planetenradsatzes 740 beträgt 1,0.
Ein Verbindungselement 772 verbindet den Träger 726 und das Sonnenrad 732 ständig. Ein Verbindungselement 774 verbindet den Träger 736 ständig mit dem Sonnenrad 742.
Das Hohlrad 724, der Träger 726 und das Sonnenrad 722 entsprechen jeweils den Knoten K, J bzw. M der 10–13. Das Hohlrad 734, der Träger 736 und das Sonnenrad 732 entsprechen jeweils den Knoten Q, P bzw. N. Der Träger 746, das Hohlrad 744 und das Sonnenrad 742 entsprechen jeweils den Knoten R, S bzw. T.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 714 umfasst auch zwei Motoren/Generatoren 780 und 782, die elektrische Leistung von einer Energiespeichereinrichtung 786, wie einer Batterie, aufnehmen können oder dieser elektrische Leistung liefern können. Ein elektronischer Controller 788 steht mit der Batterie 786 und mit einem Stromumrichter 790 in Signalverbindung, der auch mit den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 780, 782 in elektrischer Verbindung steht. Der Controller 788 spricht auf eine Vielfalt von Eingangssignalen an, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Bedieneranforderung, das Niveau, bis zu dem die Batterie 786 aufgeladen ist, und die Leistung, die von der Maschine 12 bereitgestellt wird, umfassen, um den Leistungsfluss zwischen den Motoren/Generatoren 780, 782 und der Batterie 786 über den Umrichter 790 zu steuern, der eine Umwandlung zwischen Gleichstrom, der von der Batterie 786 bereitgestellt oder benutzt wird, und Wechselstrom, der von den Statorabschnitten der Motoren/Generatoren 780, 782 bereitgestellt oder benutzt wird, vornimmt.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 714 umfasst auch mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen 750, 752, 754 und 756. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 750 ist selektiv einrückbar, um den Träger 746 an einem feststehenden Element 784 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 752 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenrad 732, den Träger 726 und den Motor/Generator 782 zur gemeinsamen Rotation mit dem Träger 746 zu verbinden. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 754 ist selektiv einrückbar, um das Hohlrad 734 an dem feststehenden Element 784 festzulegen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 756 ist selektiv einrückbar, um den Motor/Generator 780 und das Sonnenrad 722 zur gemeinsamen Rotation mit dem Hohlrad 734 zu verbinden.
Die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 710 ist gleich wie die Arbeitsweise des Antriebsstrangs 610, der in den 10–13 gezeigt ist. Das heißt die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 750 und 754 stellt einen ersten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 750 und 756 stellt einen zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her, und die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 752 und 756 stellt einen dritten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus her. Das Getriebe 714 stellt auch drei Betriebsmodi mit festem Verhältnis bereit. Ein erster Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentüber tragungsmechanismen 750, 754 und 756 (die ein festes Drehzahlverhältnis von 3,0 bereitstellen) bevorzugt an dem ersten mechanischen Punkt, der zwischen dem ersten und zweiten elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodus hergestellt ist, bereitgestellt. Ein zweiter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 750, 752 und 756 (die ein festes Verhältnis von 1,5 bereitstellen) bevorzugt an dem zweiten mechanischen Punkt, der zwischen dem zweiten und dritten elektrisch verstellbaren Modus hergestellt ist, hergestellt. Ein dritter Modus mit festem Verhältnis wird durch Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 752, 754 und 756 (die ein festes Verhältnis von 0,75 bereitstellen) bevorzugt an dem dritten mechanischen Punkt, wenn die Drehzahl des Motors/Generators 780 Null beträgt, hergestellt.
Außerdem ist das maximale Drehmoment, das von dem Motor/Generator 780 erforderlich ist, gleich wie das, das von dem Motor/Generator 782 erforderlich ist, was zulässt, dass diese eine identische Größe haben können, wie es mit Bezug auf die repräsentativen Hebeldiagramme der 10–13 beschrieben ist.
Mit Bezug auf die Ausführungsform von 5 wird ein Verfahren zum Entwerfen eines Getriebes beschrieben; jedoch ist festzustellen, dass das Verfahren für alle hierin beschriebenen Ausführungsformen gilt. Das Verfahren umfasst, dass ständige Verbindungen zwischen den Motoren/Generatoren und ausgewählten Elementen der Planetenradsätze und selektive Verbindungen zwischen unterschiedlichen Elementen der Planetenradsätze oder zwischen einem Element eines Planetenradsatzes und einem feststehenden Element ausgewählt werden. Mit Bezug auf 5 sind ständige Verbindungen, die in dem Getriebe 110 ausgewählt werden, die Hauptwelle oder das Verbindungselement 170, das den Träger 126, den Träger 136 und das Sonnenrad 142 ständig verbindet. Die selektiven Ver bindungen erfolgen über Einrückung von Drehmomentübertragungsmechanismen. Mit Bezug auf 5 sind die selektiven Verbindungen die Verbindungen des Trägers 146 mit dem feststehenden Element 184 durch Einrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 150. Die selektiven Verbindungen umfassen die Verbindung des Sonnenrads 132 und des Motors/Generators 182 mit dem Träger 146 durch selektive Einrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 152. Die selektiven Verbindungen umfassen ferner die Verbindung des Hohlrads 134 mit dem feststehenden Element 184 durch Einrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 154. Die selektiven Verbindungen umfassen auch die Verbindung des Sonnenrads 122 und des Motors/Generators 180 mit dem Hohlrad 134 durch selektive Einrückung des Drehmomentübertragungsmechanismus 156. Die ausgewählten ständigen Verbindungen und ausgewählten Verbindungen ermöglichen drei elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsmodi durch Einrückung unterschiedlicher Kombinationen der Drehmomentübertragungsmechanismen. Spezieller mit Bezug auf den Antriebsstrang 110 von 5 stellt die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 150 und 154 einen ersten elektrisch verstellbaren Modus her; die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 150 und 156 stellt einen zweiten elektrisch verstellbaren Modus her; und die Einrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 152 und 156 stellt einen dritten elektrisch verstellbaren Modus her.
Das Verfahren umfasst ferner, dass effektive Übersetzungsverhältnisse für die drei Planetenradsätze ausgewählt werden, die ein im Wesentlichen gleiches maximales Drehmoment von jedem Motor/Generator für ein gegebenes Antriebsdrehmoment während der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi erfordern werden, wodurch zugelassen wird, dass der erste und zweite Motor/Generator im Wesentlichen die gleiche Größe haben können. Mit Bezug auf 5 beträgt, wie es oben besprochen wurde, das effektive Übersetzungsverhältnis für den Planetenradsatz 120 2,0, das effektive Übersetzungsverhältnis für den Planetenradsatz 130 beträgt 2,0, und das effektive Übersetzungsverhältnis für den Planetenradsatz 140 beträgt 1,36. Diese Übersetzungsverhältnisse lassen zu, dass die Motoren/Generatoren 180 und 182 im Wesentlichen die gleiche Größe haben können, da das gleiche maximale Drehmoment von einem jeden während der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi erforderlich ist.
Obgleich die besten Ausführungsarten der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Elektrisch verstellbares Getriebe, umfassend: ein Antriebselement und ein Abtriebselement; einen ersten und zweiten Motor/Generator; einen ersten, einen zweiten und einen dritten Planetenradsatz, die jeweils ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweisen; wobei das Antriebselement, das Abtriebselement und die Motoren/Generatoren jeweils zur gemeinsamen Rotation mit einem jeweils unterschiedlichen der Elemente verbunden sind; mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen, die selektiv einrückbar sind, um unterschiedliche der Elemente zur gemeinsamen Rotation miteinander oder mit einem feststehenden Element zu verbinden; wobei die Einrückung von unterschiedlichen Kombinationen der Drehmomentübertragungsmechanismen drei elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsmodi herstellt; und wobei die Planetenradsätze sich durch effektive Übersetzungsverhältnisse auszeichnen, die ein im Wesentlichen gleiches maximales Drehmoment von jedem der Motoren/Generatoren während der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi für ein gegebenes Drehmoment an dem Antriebselement erfordern, wodurch zugelassen wird, dass der erste und zweite Motor/Generator im Wesentlichen die gleiche Größe haben können.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei das im Wesentlichen gleiche maximale Drehmoment von jedem der Motoren/Generatoren in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi erforderlich ist.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei der erste elektrisch verstellbare Modus ein Modus mit Eingangsleistungsverzweigung ist; und wobei der zweite und dritte elektrisch verstellbare Modus Modi mit kombinierter Leistungsverzweigung sind, die sich durch im Wesentlichen identische Verhältnisspreizungen auszeichnen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 3, wobei die effektiven Übersetzungsverhältnisse von zweien der drei Planetenradsätze nicht kleiner als 1,0 und nicht größer als 1,4 sind, und das effektive Übersetzungsverhältnis des anderen Planetenradsatzes nicht kleiner als 1,7 und nicht größer als 2,3 ist.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 3, wobei die effektiven Übersetzungsverhältnisse von zweien der drei Planetenradsätze nicht kleiner als 1,7 und nicht größer als 2,3 sind, und das effektive Übersetzungsverhältnis des anderen Planetenradsatzes nicht kleiner als 1,0 und nicht größer als 1,4 ist.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Verbindungselement, das ständig mit einem der Elemente des ersten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der dritte Planetenradsatz ein zusammengesetzter Planetenradsatz ist, dessen erstes, zweites oder drittes Element zur gemeinsamen Rotation mit dem feststehenden Element oder einem der Motoren/Generatoren in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi verbunden ist, und wobei ein anderes von dem ersten, zweiten und dritten Element zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi verbunden ist; und wobei das Element, das mit dem feststehenden Element oder einem der Motoren/Generatoren verbunden ist, und das Element, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement verbunden ist, das effektive Übersetzungsverhältnis des dritten Planetenradsatzes bestimmen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 6, wobei das erste, zweite und dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein erstes Sonnenrad, einen Träger, der einen ersten und zweiten Satz Planetenräder drehbar lagert, und ein zweites Sonnenrad umfassen; wobei der erste und zweite Satz Planetenräder ständig miteinander kämmen; und wobei das erste Sonnenrad ständig mit dem ersten Satz Planetenräder kämmt, und das zweite Sonnenrad ständig mit dem zweiten Satz Planetenräder kämmt.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 7, wobei das Element, das zur gemeinsamen Rotation mit dem feststehenden Element oder einem der Motoren/Generatoren in jedem der drei elektrisch verstellbaren Modi verbunden ist, der Träger ist; und wobei das Element, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement verbunden ist, das erste Sonnenrad ist.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 8 wobei der Träger zur gemeinsamen Rotation mit dem Abtriebselement in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi verbunden ist.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 8, ferner umfassend: ein Hohlrad, das mit einem der Sätze Planetenräder kämmt; und einen zusätzlichen Drehmomentübertragungsmechanismus, der selektiv einrückbar ist, um das Hohlrad an dem feststehenden Element festzulegen, wodurch ein elektrisch verstellbarer Rückwärtsmodus zumindest teilweise hergestellt ist.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 6, wobei das erste, zweite und dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein Sonnenrad, einen Träger, der einen ersten und einen zweiten Satz Planetenräder drehbar lagert, und ein Hohlrad umfassen; wobei der erste und zweite Satz Planetenräder ständig miteinander kämmen; und wobei das Sonnenrad ständig mit dem ersten Satz Planetenräder kämmt und der zweite Satz Planetenräder ständig mit dem Hohlrad kämmt.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 11, wobei das Element, das zur gemeinsamen Rotation mit dem feststehenden Element oder einem der Motoren/Generatoren in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi verbunden ist, der Träger ist; und wobei das Element, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi verbunden ist, das Sonnenrad ist.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten, zweiten und dritten Planetenradsätze durch einen jeweiligen Hebel mit drei Knoten darstellbar ist, die einen ersten, einen zweiten und einen dritten Knoten aufweisen, die das jeweilige erste, zweite und dritte Element darstellen; wobei der erste und der dritte Planetenradsatz zusammengesetzte Planetenradsätze sind; und ferner umfassend: ein erstes Verbindungselement, das den zweiten Knoten des ersten Hebels ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels verbindet; ein zweites Verbindungselement, das den zweiten Knoten des zweiten Hebels ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem zweiten Knoten des dritten Hebels verbindet; wobei das Antriebselement ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des ersten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der erste Knoten des dritten Planetenradsatzes ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Abtriebselement verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator ständig mit dem dritten Knoten des ersten Hebels verbunden ist; wobei der zweite Motor/Generator ständig mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels verbunden ist; wobei ein erster der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des dritten Hebels mit dem feststehenden Element zu verbinden; wobei ein zweiter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des dritten Hebels zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels zu verbinden; wobei ein dritter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des zweiten Hebels mit dem feststehenden Element zu verbinden; wobei ein vierter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des ersten Hebels zur ge meinsamen Rotation mit dem dritten Knoten des zweiten Hebels zu verbinden; wobei der erste und dritte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den ersten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen; wobei der erste und vierte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den zweiten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen; und wobei der zweite und vierte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den dritten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten, zweiten und dritten Planetenradsätze durch einen jeweiligen Hebel mit drei Knoten darstellbar ist, der einen ersten, einen zweiten und einen dritten Knoten aufweist, die das jeweilige erste, zweite und dritte Element darstellen; wobei der dritte Planetenradsatz ein zusammengesetzter Planetenradsatz ist; und ferner umfassend: ein Verbindungselement, das ständig zur gemeinsamen Rotation der jeweiligen zweiten Knoten eines jeden der Hebel verbunden ist; wobei das Antriebselement ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des ersten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der erste Knoten des dritten Planetenradsatzes ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Abtriebselement verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator ständig mit dem dritten Knoten des ersten Hebels verbunden ist; wobei der zweite Motor/Generator ständig mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels verbunden ist; wobei ein erster der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des dritten Hebels mit dem feststehenden Element zu verbinden; wobei ein zweiter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des dritten Hebels zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels zu verbinden; wobei ein dritter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des zweiten Hebels mit dem feststehenden Element zu verbinden; wobei ein vierter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des ersten Hebels zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Knoten des zweiten Hebels zu verbinden; wobei der erste und dritte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den ersten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen; wobei der erste und vierte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den zweiten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen; und wobei der zweite und vierte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den dritten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, wobei ein erster, ein zweiter, ein dritter und ein vierter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv in unterschiedlichen Kombinationen von Paaren einrückbar sind, um die drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi und mehrere Modi mit festem Verhältnis herzustellen, und ferner umfassend: einen zusätzlichen Drehmomentübertragungsmechanismus, der selektiv einrückbar ist, um zwei der Elemente von einem der Planetenradsätze zur gemeinsamen Rotation zu verbinden, wodurch zusätzliche Modi mit festem Verhältnis bereitgestellt werden.
Elektrisch verstellbares Getriebe, umfassend: ein Antriebselement und ein Abtriebselement; einen ersten und zweiten Motor/Generator; einen ersten, einen zweiten und einen dritten Planetenradsatz, die jeweils ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweisen, wobei jeder Planetenradsatz durch einen unterschiedlichen Hebel eines Hebeldiagramms darstellbar ist, wobei jeder Hebel zumindest einen ersten, einen zweiten und einen dritten Knoten aufweist, die dem ersten, dem zweiten und dem dritten Element des jeweiligen dargestellten Planetenradsatzes entsprechen; wobei das Antriebselement, das Abtriebselement, der erste Motor/Generator und der zweite Motor/Generator mit unterschiedlichen Knoten verbunden sind; und mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen, die selektiv in unterschiedlichen Kombinationen einrückbar sind, um die Knoten miteinander oder mit einem feststehenden Element zu verbinden, um drei elektrisch verstellbare Vorwärtsmodi herzustellen, in denen die Hebel derart zusammenfallen, dass die Knoten, mit denen die Motoren/Generatoren verbunden sind, im Wesentlichen gleich von dem Knoten beabstandet sind, mit dem das Antriebselement verbunden ist, so dass für ein gegebenes Drehmoment an dem Antriebselement ein im Wesentlichen gleiches maximales Drehmoment von jedem der Motoren/Generatoren während der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi erforderlich ist.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 16, wobei das im Wesentlichen gleiche maximale Drehmoment von beiden Motoren/Generatoren in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi erforderlich ist.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 16, ferner umfassend: ein Verbindungselement, das ständig mit einem der Elemente des ersten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der dritte Planetenradsatz ein zusammengesetzter Planetenradsatz ist, von dem eines von dem ersten, zweiten und dritten Element zur gemeinsamen Rotation mit dem feststehenden Element oder einem der Motoren/Generatoren in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi verbunden ist, und von dem ein anderes von dem ersten, zweiten und dritten Element zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement in jedem der drei elektrisch verstellbaren Vorwärtsmodi verbunden ist; und wobei das Element, das mit dem feststehenden Element oder einem der Motoren/Generatoren verbunden ist, und das Element, das zur gemeinsamen Rotation mit dem Verbindungselement verbunden ist, das effektive Übersetzungsverhältnis des dritten Planetenradsatzes bestimmen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 16, wobei das erste, zweite und dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein erstes Sonnenrad, einen Träger, der einen ersten und zweiten Satz Planetenräder drehbar lagert, und ein zweites Sonnenrad umfassen; wobei der erste und zweite Satz Planetenräder ständig miteinander kämmen; und wobei das erste Sonnenrad ständig mit dem ersten Satz Planetenräder kämmt, und das zweite Sonnenrad ständig mit dem zweiten Satz Planetenräder kämmt.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 16, wobei das erste, zweite und dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein Sonnenrad, einen Träger, der einen ersten und einen zweiten Satz Planetenräder drehbar lagert, und ein Hohlrad umfassen; wobei der erste und zweite Satz Planetenräder ständig miteinander kämmen; und wobei das Sonnenrad ständig mit dem ersten Satz Planetenräder kämmt, und der zweite Satz Planetenräder ständig mit dem Hohlrad kämmt.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 16, wobei jeder der unterschiedlichen Hebel, die den ersten, zweiten und dritten Planetenradsatz darstellen, ein Hebel mit drei Knoten ist; wobei der erste und der dritte Planetenradsatz zusammengesetzte Planetenradsätze sind; und ferner umfassend: ein erstes Verbindungselement, das den zweiten Knoten des ersten Hebels ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels verbindet; ein zweites Verbindungselement, das den zweiten Knoten des zweiten Hebels ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem zweiten Knoten des dritten Hebels verbindet; wobei das Antriebselement ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des ersten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der erste Knoten des dritten Planetenradsatzes ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Abtriebselement verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator ständig mit dem dritten Knoten des ersten Hebels verbunden ist; wobei der zweite Motor/Generator ständig mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels verbunden ist; wobei ein erster der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des dritten Hebels mit dem feststehenden Element zu verbinden; wobei ein zweiter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des dritten Hebels zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels zu verbinden; wobei ein dritter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des zweiten Hebels mit dem feststehenden Element zu verbinden; wobei ein vierter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des ersten Hebels zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Knoten des zweiten Hebels zu verbinden; wobei der erste und dritte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den ersten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen; wobei der erste und vierte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den zweiten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen; und wobei der zweite und vierte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den dritten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 16, wobei der erste elektrisch verstellbare Modus ein Modus mit Eingangsleistungsverzweigung ist; und wobei der zweite und dritte elektrisch verstellbare Modus Modi mit kombinierter Leistungsverzweigung sind, die sich durch im Wesentlichen identische Verhältnisspreizungen auszeichnen.
Elektrisch verstellbares Getriebe, umfassend: ein Antriebselement und ein Abtriebselement; zwei Elektromotoren/Generatoren; mehrere Planetenradsätze, die jeweils mehrere Elemente aufweisen, wobei zumindest zwei Paare der Elemente ständig zur gemeinsamen Rotation verbunden sind, wobei jedes der Paare Elemente von zweien der Planetenradsätze umfasst; mehrere selektiv einrückbare Drehmomentübertragungsmechanismen; wobei die mehreren Elemente von zumindest einem der Planetenradsätze ein erstes Zahnradelement, ein zweites Zahnradelement und einen Träger umfassen, der einen ersten und einen zweiten Satz Planetenräder drehbar lagert, wobei der erste Satz Planetenräder mit dem ersten Zahnrad kämmt; wobei der zweite Satz Planetenräder mit dem ersten Satz Planetenräder und mit dem zweiten Zahnrad kämmt; wobei die Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv in zumindest zwei Kombinationen von dreien einrückbar sind, um dadurch zwei unterschiedliche feste Drehzahlverhältnisse zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement zu bewirken; wobei die Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv in zumindest drei Kombinationen von zweien einrückbar sind, und dadurch in Verbindung mit den Elektromotoren/Generatoren Modi mit variablem Drehzahlverhältnis zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement zu bewirken; und wobei das maximale Drehmomentverhältnis zwischen dem Antriebselement und dem ersten Motor/Generator während der Modi mit variablem Drehzahlverhältnis im Wesentlichen gleich dem maximalen Drehmomentverhältnis zwischen dem Antriebselement und dem zweiten Motor/Generator während der Modi mit variablem Drehzahlverhältnis ist.
Verfahren zum Entwerfen eines Getriebes, das drei Planetenradsätze und zwei Motoren/Generatoren aufweist, das umfasst, dass: ständige Verbindungen zwischen den Motoren/Generatoren und ausgewählten der Planetenradsätze und selektive Verbindungen über Einrückung von Drehmomentübertragungsmechanismen zwischen unterschiedlichen Elementen der Planetenradsätze oder zwischen einem Element des Planetenradsatzes und einem feststehenden Element ausgewählt werden, um drei elektrisch verstellbare Vorwärtsbetriebsmodi durch Einrückung unterschiedlicher Kombi nationen der Drehmomentübertragungsmechanismen zu ermöglichen; und effektive Übersetzungsverhältnisse für die drei Planetenradsätze ausgewählt werden, die ein im Wesentlichen gleiches maximales Drehmoment von jedem Motor/Generator für ein gegebenes Antriebsdrehmoment über die drei elektrisch verstellbaren Modi erfordern, wodurch zugelassen wird, dass der erste und zweite Motor/Generator im Wesentlichen die gleiche Größe haben können.
Elektrisch verstellbares Getriebe, umfassend: ein Antriebselement und ein Abtriebselement; einen ersten und zweiten Motor/Generator; einen ersten, einen zweiten und einen dritten Planetenradsatz, die jeweils ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweisen, wobei jeder Planetenradsatz durch einen unterschiedlichen Hebel mit drei Knoten eines Hebeldiagramms darstellbar ist, wobei jeder Hebel einen ersten, einen zweiten und einen dritten Knoten aufweist, die dem ersten, dem zweiten und dem dritten Element des jeweiligen dargestellten Planetenradsatzes entsprechen; wobei der erste und der dritte Planetenradsatz zusammengesetzte Planetenradsätze sind; und wobei das Antriebselement, das Abtriebselement, der erste Motor/Generator und der zweite Motor/Generator mit unterschiedlichen der Knoten verbunden sind; mehrere Drehmomentübertragungsmechanismen, die selektiv in unterschiedlichen Kombinationen einrückbar sind, um die Knoten miteinander oder mit einem feststehenden Element zu verbinden, um drei elektrisch verstellbare Vorwärtsmodi herzustellen; ein erstes Verbindungselement, das den zweiten Knoten des ersten Hebels ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels verbindet; ein zweites Verbindungselement, das den zweiten Knoten des zweiten Hebels ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem zweiten Knoten des dritten Hebels verbindet; wobei das Antriebselement ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des ersten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der erste Knoten des dritten Planetenradsatzes ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Abtriebselement verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator ständig mit dem dritten Knoten des ersten Hebels verbunden ist; und wobei der zweite Motor/Generator ständig mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels verbunden ist.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 25, wobei ein erster der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des dritten Hebels mit dem feststehenden Element zu verbinden; wobei ein zweiter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des dritten Hebels zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Knoten des zweiten Hebels zu verbinden; wobei ein dritter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des zweiten Hebels mit dem feststehenden Element zu verbinden; wobei ein vierter der Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv einrückbar ist, um den dritten Knoten des ersten Hebels zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Knoten des zweiten Hebels zu verbinden; wobei der erste und der dritte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den ersten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen; wobei der erste und der vierte Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den zweiten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen; und wobei der zweite und der vierte Drehmo mentübertragungsmechanismus eingerückt sind, um den dritten elektrisch verstellbaren Modus herzustellen.
Elektrisch verstellbares Getriebe nach Anspruch 26, ferner umfassend: einen zusätzlichen Drehmomentübertragungsmechanismus, der selektiv einrückbar ist, um zwei der Elemente von einem der Planetenradsätze zur gemeinsamen Rotation zu verbinden, wodurch zusätzliche Modi mit festem Verhältnis bereitgestellt werden.