DE102013207341A1 - Hybridfahrzeug mit elektrischem Getriebe und elektrischem Antriebsmodul - Google Patents

Hybridfahrzeug mit elektrischem Getriebe und elektrischem Antriebsmodul Download PDF

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DE102013207341A1
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electric machine
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English (en)
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Alan G. Holmes
Brendan M. Conlon
Norman K. Bucknor
Constantine Nick Raptis
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GM Global Technology Operations LLC
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Abstract

Es wird ein Hybridfahrzeug mit einem elektrischen Getriebe, das mit einer ersten Achse funktional verbunden ist, und mit einem elektrischen Antriebsmodul, das mit einer zweiten Achse funktional verbunden ist, geschaffen. Ein Übersetzungsverhältnis eines Differentialzahnradsatzes und eines Achsantriebs des elektrischen Getriebes wird so gewählt, dass ein Drehmomentverhältnis des Drehmoments der ersten Achse gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschine dasjenige ist, bei dem irgendein Arbeitsraum der Kraftmaschine, die dafür betrieben wird, das Arbeitsfluid auszudehnen, ohne Drosselung arbeiten kann, ohne dass das Drehmoment des Kraftmaschinendrehmoments ein Drehmoment, das notwendig ist, um das Fahrzeug mit einer stationären Fahrzeuggeschwindigkeit vorwärtszubewegen, übersteigt, und wobei die zweite elektrische Arbeitsmaschine freiläuft.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegenden Lehren enthalten allgemein ein Hybridfahrzeug, das für ein effektives Kraftmaschinenverhalten konfiguriert ist.
  • HINTERGRUND
  • Ein Fahrzeug kann mit einem oder mit mehreren Vorderrädern und mit einem oder mit mehreren Hinterrädern ausgestattet sein. Das Fahrzeug kann mit einer Kraftmaschine ausgestattet sein, die Wellenleistung zum Vorwärtsbewegen des Fahrzeugs erzeugt. Das Fahrzeug kann mit einem Getriebe zum Umsetzen von Wellenleistung von dem Ausgang einer Kraftmaschine mit verhältnismäßig niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl in solche mit verhältnismäßig hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl zum Vorwärtsbewegen eines oder mehrerer Räder ausgestattet sein. Das Fahrzeug kann mit Achsen ausgestattet sein, um Wellenleistung von dem Getriebe zu einem oder zu mehreren Rädern zu transportieren. Insbesondere hinsichtlich der mechanischen Einfachheit kann es vorteilhaft sein, unter Verwendung der Kraftmaschine, des Getriebes und der Achsen nur die Vorderräder oder nur die Hinterräder anzutreiben. Insbesondere hinsichtlich des Betriebs in einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen kann es vorteilhaft sein, alle Räder anzutreiben.
  • Die Kraft zum Vorwärtsbewegen eines Radfahrzeugs, das mit stationärer Geschwindigkeit ohne wesentlichen Wind auf einer ebenen Oberfläche fährt, kann mathematisch unter Verwendung dreier Terme, die sich auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs beziehen, die üblicherweise als F0, F1 und F2 bezeichnet sind, dargestellt werden. Die Kraft kann näherungsweise die Summe des Terms F0, des Terms F1, multipliziert mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, und des Terms F2, multipliziert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, sein. Der Term F0 bezieht sich auf die trockene Reibung, der Term F1 bezieht sich auf die viskose Reibung und der Term F2 bezieht sich auf den Luftwiderstand. Diese Terme sind theoretisch alle größer als null und werden, wenn sie empirisch ermittelt werden, allgemein auf der Grundlage von Messwerten berechnet, die größer als null sind. Somit ist die Kraft zum Vorwärtsbewegen des Fahrzeugs mit einer stationären Geschwindigkeit auf einer ebenen Oberfläche ohne Wind näherungsweise eine Parabelfunktion dieser Geschwindigkeit. Somit wird das Drehmoment, das erforderlich ist, um das Fahrzeug durch Traktion eines oder mehrerer seiner Räder anzutreiben, durch eine Parabelfunktion der Drehzahl der Räder des Fahrzeugs genähert.
  • Eine Kraftmaschine, die Wellenleistung erzeugt, kann in der Lage sein, über einen Bereich von Ausgangsdrehzahlen und über einen Bereich des Ausgangsdrehmoments auszugeben, während sie Kraftstoff mit einer Rate verbrennt, die eine vorhersagbare Funktion der Geschwindigkeit und des Drehmoments ist. Zum Beispiel kann eine gegenwärtige Hubkolben- oder Drehkolben-Brennkraftmaschine in der Lage sein, oberhalb einer Leerlaufdrehzahl mit akzeptabler Laufruhe zu laufen und einen gewissen Betrag einer Wellendrehmomentausgabe zu erzeugen, und in der Lage sein, bis zu einer maximalen Kraftmaschinendrehzahl ohne Beschädigung zu laufen und einen gewissen Betrag einer Wellendrehmomentausgabe zu erzeugen. Der Betrag der Wellendrehmomentausgabe von der beispielhaften Kraftmaschine kann von einem Maximalwert, wobei ihre Drossel weit offen ist, bis auf null, wobei ihre Drossel bei einer bestimmten Drehzahl geschlossen ist, variieren. Das maximale Wellendrehmoment, üblicherweise als ”die Drehmomentkurve” bezeichnet, kann über einen Drehzahlbereich, der ein Teil des Gesamtdrehzahlbereichs von der Leerlaufdrehzahl bis zur maximalen Kraftmaschinendrehzahl ist, einen ähnlichen Betrag aufweisen, d. h. verhältnismäßig ”flach” sein.
  • Der Betrag der Wellenarbeit, die für eine gegebene Menge verbrauchten Kraftstoffs erzeugt wird, d. h. der Wirkungsgrad der Kraftmaschine beim Umsetzen des Potentials des Kraftstoffs in Wellenarbeit, variiert mit dem Betriebsdrehmoment und mit der Betriebsdrehzahl. Der Wirkungsgrad für eine Kraftmaschine, die Fremdzündung verwendet und den Otto oder Atkinson zugeschriebenen Viertaktzyklen folgt, ist allgemein am höchsten, wenn die Drossel weit offen ist, d. h. bei maximalem Drehmoment, und nimmt beim Ausgangsdrehmoment null bis auf den Wirkungsgrad null ab, sofern das Verhältnis von Kraftstoff und Luft für alle Betriebsbedingungen im Wesentlichen dasselbe, d. h. im Gleichgewicht, bleibt. Die Anreicherung des Gemischs mit zusätzlichem Kraftstoff ermöglicht allgemein den Betrieb mit einem Ausgangsdrehmoment jenseits des Maximums, das mit einem ausgeglichenen oder mageren Gemisch erhalten werden kann, wobei der Wirkungsgrad der Kraftmaschine durch die Verwendung dieses zusätzlichen Kraftstoffs aber verringert wird. Für ein Fahrzeug, bei dem der Kraftstoffwirkungsgrad und sauberes Abgas von höchster Bedeutung sind, wird die Kraftmaschine allgemein so gesteuert, dass sie für alle Drehmomentpegel und für alle Drehzahlen bis auf diejenige Kombination aus hohem Drehmoment und hoher Drehzahl, die ermöglicht, dass die Kraftmaschine ihre maximale Leistung erzeugt und dass sich die Drehzahlen und Drehmomente dieser Kombination annähern, so gesteuert, dass sie im Wesentlichen mit einem ausgeglichenen oder leicht mageren Gemisch arbeitet.
  • Eine Kraftmaschine mit Fremdzündung kann anstelle der Drossel mit einem alternativen Mittel zum Steuern oder Ändern des Drehmoments betrieben werden, das, wenn auch in kleinerem Betrag, gleichfalls den Kraftmaschinenwirkungsgrad verringert, wenn das Drehmoment unter sein Maximum verringert wird. Zum Beispiel kann die Kraftmaschine Zylinder aufweisen, die mit Einlassventilen ausgestattet sind, wobei die Dauer oder Zeiteinstellung des Öffnens oder Schließens dieser Ventile oder die Strecke des Öffnens dieser Ventile, die üblicherweise als ”Hub” bezeichnet wird, geändert werden kann, um die Menge Luft oder eines Gemischs aus Luft und Kraftstoff, die in jeden Zylinder eingelassen wird, zu steuern oder zu verengen. Das Ändern der Zeiteinstellung der Einlassventile in der Weise, dass sie offen bleiben und ermöglichen, dass nach dem Einlasstakt etwas Luft oder Luft-Kraftstoff-Gemisch aus jedem Zylinder entweicht, d. h. ein spätes Schließen des Einlassventils, kann zu weniger Verlust an Wirkungsgrad führen, da der Kolben nicht die Luft oder das Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Einlasstakts durch eine Verengung anzusaugen braucht. Allerdings verringert die Verringerung der Menge an Luft, die in einen Zylinder eingelassen wird, unter einen bestimmten Pegel allgemein die Nettoausdehnung der Gase und somit erheblich den Wirkungsgrad der Kraftmaschine.
  • Eine Kraftmaschine mit Selbstzündung wird allgemein einfach durch Ändern der Menge des in ihre Zylinder oder anderen Arbeitsräume eingeführten Kraftstoffs gesteuert. Das Verdichtungsverhältnis ist hoch genug und die Kraftstoffeigenschaften sind derart, dass die Verbrennung von Kraftstoff um die einzelnen Kraftstofftröpfchen stattfindet, wenn sie nach dem größten Teil des Verdichtungstakts in den Zylinder eingeführt werden. Damit sich eine Flamme von einer Funkenquelle der Verbrennung über die gesamte Kammer ausbreitet, braucht nicht über die gesamte Kammer ein vorteilhaftes Gemisch aus Kraftstoff und Luft aufrechterhalten zu werden. Somit braucht keine Luft durch eine Drossel oder durch ein anderes Mittel vom Eintritt in die Kraftmaschine verengt zu werden, wird das Expansionsverhältnis aufrechterhalten und ist der Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Drehmomentwerten bei irgendeiner gegebenen Drehzahl verhältnismäßig flach. Um die Drehmomentausgabe der Kraftmaschine mit Selbstzündung zu ändern oder zu steuern, kann die Menge des in die Zylinder eingeführten Kraftstoffs zwischen null und einer vorgegebenen maximalen Kraftstoffmenge, die ohne sichtbaren oder auf andere Weise übermäßigen Rauch oder anderen unverbrannten Kraftstoff in dem Abgas verbrannt werden kann, variiert werden.
  • In einem Radfahrzeug ist als Teil der Betriebsverbindung von der Kraftmaschine zu den Rädern allgemein ein Getriebe bereitgestellt. Gegenwärtige Fahrzeuge weisen häufig ein gelegentlich als ein ”Transaxle” bezeichnetes Getriebe auf, das eine oder mehrere Vorrichtungen zum Auswählen aus mehreren Drehzahl- und Drehmomentverhältnissen von der Kraftmaschine zu den Rädern, eine Achsantriebs-Zahnradanordnung mit einem festen Drehzahl- und Drehmomentverhältnis und ein Achsdifferential, das durch die zwei Hälften einer Achse mit den Rädern verbunden ist, enthält. Ein solches Getriebe ist in einem Fahrzeug enthalten, um die Drehzahl- und Drehmomentausgabe von der Ausgangswelle der Kraftmaschine auf eine niedrigere Drehzahl und auf ein höheres Drehmoment, das besser geeignet ist, die Achse und die Räder zu drehen und dadurch das Fahrzeug anzutreiben, umzusetzen. Üblicherweise stellt das Getriebe zwischen vier und acht verschiedenen wählbaren Übersetzungsverhältnissen bereit, von denen jedes ein Übersetzungsverhältnis sowohl der Drehzahl der Kraftmaschine gegenüber der Drehzahl der Achse als auch des Drehmoments der Achse gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschine ohne Berücksichtigung des Schleppmoments oder der Trägheit der Getriebekomponenten ist. Die verschiedenen wählbaren Übersetzungsverhältnisse sowohl der Drehzahl als auch des Drehmoments sind enthalten, um zu ermöglichen, dass das Fahrzeug über einen weiten Bereich von Drehzahlen beschleunigt und innerhalb dieses Bereichs oberhalb einer gewissen minimalen Langstreckengeschwindigkeit, die üblicherweise ein Drittel oder weniger der maximalen Langstreckengeschwindigkeit ist, mit irgendeiner Geschwindigkeit im Langstreckenbetrieb fährt.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Hybridfahrzeug weist eine erste Achse und eine zweite Achse auf und enthält eine Kraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitsraum wie etwa einem Zylinder oder einem Rotor zum Ausdehnen eines Arbeitsfluids. Das Fahrzeug weist ein elektrisches Getriebe, das funktional mit der ersten Achse verbunden ist, und ein elektrisches Antriebsmodul, das mit der zweiten Achse funktional verbunden ist, auf. Ein elektronischer Controller steuert elektrische Arbeitsmaschinen innerhalb des elektrischen Getriebes und des elektrischen Antriebsmoduls in der Weise, dass die Drehmoment- und Drehzahlanforderungen des Fahrzeugs ununterbrochen erfüllt sind, während der Kraftmaschinenbetriebswirkungsgrad aufrechterhalten wird, und ohne eine Leistungsschleife ”durch die Straße” [engl.: ”through the road”] zu erfordern, in der eine der elektrischen Arbeitsmaschinen ein Achsdrehmoment erzeugen muss, das der gewünschten Vorwärtsbewegung in Vorwärtsrichtung entgegengesetzt ist.
  • Genauer enthält das Hybridfahrzeug ein elektrisches Getriebe, das einen Differentialzahnradsatz mit einem ersten Glied, mit einem zweiten Glied und mit einem dritten Glied wie etwa, aber nicht beschränkt auf, einen einfachen Planetenradsatz aufweist. Außerdem weist das elektrische Getriebe einen ersten Achsantrieb und eine erste elektrische Arbeitsmaschine auf. Die Kraftmaschine ist zur gemeinsamen Drehung mit dem ersten Glied verbunden, die erste elektrische Kraftmaschine ist zur gemeinsamen Drehung mit dem zweiten Glied verbunden und das dritte Glied kann über den Achsantrieb wie etwa, aber nicht beschränkt auf, durch wahlweises Einrücken einer ersten Kupplung mit der ersten Achse funktional verbunden werden. In einer Ausführungsform kann das dritte Glied durch wahlweises Einrücken einer ersten Bremse zu einem feststehenden Glied auf Masse festgelegt werden.
  • Das elektrische Antriebsmodul enthält eine zweite elektrische Arbeitsmaschine, die über einen zweiten Achsantrieb mit der zweiten Achse funktional verbunden werden kann. Wenn die erste elektrische Arbeitsmaschine ausreichend Gegendrehmoment erzeugt und die erste Kupplung eingerückt ist, setzen der Differentialzahnradsatz und der erste Achsantrieb ein festes Getriebedrehmomentverhältnis des Drehmoments der ersten Achse gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschine fest. Wenn die erste Kupplung eingerückt ist und die erste elektrische Arbeitsmaschine ausreichend Gegendrehmoment erzeugt (d. h. nicht freiläuft, aber nicht notwendig feststehend ist), ist das Getriebedrehmomentverhältnis fest, wobei es sich nur bei verhältnismäßig kleinen Schleppmomentverlusten ändert. Das feste Getriebedrehmomentverhältnis ist dasjenige, bei dem der Arbeitsraum oder, falls es mehrere Arbeitsräume gibt, jene, die zum Ausdehnen des Arbeitsfluids betrieben werden, ohne Verengung arbeitet, ohne dass das Drehmoment der Kraftmaschine dasjenige Drehmoment, das notwendig ist, um das Fahrzeug mit einer stationären Fahrzeuggeschwindigkeit vorwärtszubewegen, und bei dem die zweite elektrische Arbeitsmaschine freiläuft, übersteigt.
  • Schleppmomentverluste in dem Differentialzahnradsatz und in dem ersten Achsantrieb sind in Getriebezahnradanordnungen typisch und werden vom Fachmann auf dem Gebiet nicht als relevant für die Klassifizierung eines Drehmomentverhältnisses entweder als fest oder als variabel angesehen. Gleichfalls enthält das Drehmomentverhältnis keine Wirkungen vom Trägheitsmoment verschiedener Komponenten und ist das Drehmomentverhältnis unabhängig von Änderungen der Drehzahl. Das feste Drehmomentverhältnis kann durch die Drehzahl oder durch das Drehmoment der ersten elektrischen Arbeitsmaschine nicht geändert werden und hängt nicht von ihr bzw. ihm ab.
  • Wenn die erste Kupplung eingerückt ist, setzen der Differentialzahnradsatz und der erste Achsantrieb außerdem eine bestimmte Drehzahlbeziehung zwischen der Kraftmaschine, der ersten elektrischen Arbeitsmaschine und der ersten Achse fest. Die Drehzahlbeziehung ist eine Linearkombination, die auf der Wirkung des Differentialzahnradsatzes beruht, wobei die Drehzahl eines Glieds durch die Kombination der Drehzahlen der anderen zwei Glieder bestimmt ist. Somit variiert das Getriebedrehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschine gegenüber der Drehzahl der ersten Achse mit der Drehzahl der ersten elektrischen Arbeitsmaschine und erreicht mit der ersten elektrischen Arbeitsmaschine bei der Drehzahl null ein besonderes, charakteristisches Drehzahlverhältnis.
  • Der Controller ist dafür konfiguriert, die erste elektrische Arbeitsmaschine als einen Generator zu betreiben, um ein variables Getriebedrehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschine gegenüber der Drehzahl der ersten Achse bereitzustellen, während das einzige feste Drehmomentverhältnis des Drehmoments der ersten Achse gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschine über den Differentialzahnradsatz und den ersten Achsantrieb aufrechterhalten wird. Durch die erste elektrische Arbeitsmaschine kann Elektrizität erzeugt werden, die von der zweiten elektrischen Arbeitsmaschine verwendet werden kann, um in einer Vorwärtsbewegungsbatterie oder in einer anderen Energiespeichervorrichtung gespeichert zu werden oder um elektrischem Zubehör an Bord des Fahrzeugs zugeführt zu werden. Der Controller kann außerdem dafür konfiguriert sein, die zweite elektrische Arbeitsmaschine in einem eingangsleistungsverzweigten Zweiachsenantriebs-Betriebsmodus als einen Motor zu betreiben, der durch die erste elektrische Arbeitsmaschine gelieferte Leistung verwendet. Dementsprechend ist das Verhältnis der Summe des Drehmoments an der ersten Achse und des Drehmoments an der zweiten Achse gegenüber dem Kraftmaschinendrehmoment für den Hybridantriebsstrang als Ganzes ein variables Drehmomentverhältnis, das in Abwesenheit von Leistung zu oder von der Energiespeichervorrichtung näherungsweise mit dem Getriebedrehzahlverhältnis variiert, obwohl das Verhältnis des Drehmoments der ersten Achse gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschine fest ist.
  • Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren gehen leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der vorliegenden Lehren in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung in einer Teilquerschnittsansicht eines Hybridantriebsstrangs, der in ein Fahrzeug eingebaut ist, der eine Kraftmaschine und eine elektrische Getriebeeinheit mit einem Hybridgetriebe zwischen der Kraftmaschine und der Vorderachse und mit einem ersten Motor-Generator und die mit einer ersten Achse funktional verbunden ist, um die Vorderräder anzutreiben, und eine hintere Antriebseinheit mit einem zweiten Motor-Generator, die mit einer zweiten Achse funktional verbunden ist, um die Hinterräder anzutreiben, enthält.
  • 2 ist eine schematische Darstellung in einer Teilquerschnittsansicht eines alternativen Hybridgetriebes in dem Hybridantriebsstrang aus 1.
  • 3 ist eine schematische Darstellung in Form eines Hebeldiagramms des Hybridantriebsstrangs aus 1, der mit der ersten Achse und mit der zweiten Achse verbunden ist.
  • 4 ist eine schematische Darstellung in Form eines Hebeldiagramms der in 1 gezeigten elektrischen Getriebeeinheit mit dem Hybridgetriebe aus 2.
  • 5 ist ein Diagramm des Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmoments in Abhängigkeit von der Kraftmaschinen-Ausgangsdrehzahl für eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung in verschiedenen beispielhaften Drehmomentverhältnissen des Vorderachsdrehmoments zu dem Kraftmaschinendrehmoment über das Getriebe, und das Niveaulinien verschiedener Kraftmaschinenwirkungsgrade über einen Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen zeigt.
  • 6 ist ein Diagramm des Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmoments in Abhängigkeit von der Kraftmaschinen-Ausgangsdrehzahl für die Kraftmaschine mit Fremdzündung aus 5 mit selektiver Zylinderabschaltung bei den verschiedenen Drehmomentverhältnissen des Vorderachsdrehmoments zu dem Kraftmaschinendrehmoment über das Getriebe und zeigt Niveaulinien verschiedener Kraftmaschinenwirkungsgrade über einen Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen.
  • 7 ist ein Diagramm des Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmoments in Abhängigkeit von der Kraftmaschinen-Ausgangsdrehzahl für eine Kraftmaschine mit Selbstzündung bei den beispielhaften Drehmomentverhältnissen des Vorderachsdrehmoments zu dem Kraftmaschinendrehmoment über das Getriebe und zeigt Niveaulinien verschiedener Kraftmaschinenwirkungsgrade über einen Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen.
  • 8 ist ein Betriebsdiagramm des Getriebes, das in der vertikalen Richtung die Eingangsdrehzahl (Kraftmaschinendrehzahl) und in der horizontalen Richtung die Ausgangsdrehzahl (erste Achsdrehzahl) zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In den Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen überall in den mehreren Ansichten auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 schematisch ein Hybridelektrofahrzeug 10, das eine erste Achse 12, die mit einem ersten Paar Räder 14 verbunden ist, und eine zweite Achse 16, die mit einem zweiten Paar Räder 18 verbunden ist, aufweist. In einer Ausführungsform sind die Räder 14 Vorderräder und sind die Räder 18 Hinterräder. In 1 sind die Räder 14, 18 mit angebrachten Reifen 19 gezeigt. Jede Achse 12, 16 weist zwei getrennte Achsabschnitte auf, die, wie der Fachmann auf dem Gebiet leicht versteht, über ein jeweiliges Differential 15, 17 verbunden sind. Jedes Rad 14, 16 weist einen Reibungsbremsenmechanismus 20 auf, der als eine Scheibenbremse gezeigt ist. Die erste Achse 12 kann mit einem Hybridgetriebe 22 verbunden werden und die zweite Achse 16 kann mit einem elektrischen Antriebsmodul 24 verbunden werden. Das Hybridgetriebe 22, eine Kraftmaschine 26, eine Energiespeichervorrichtung 70, ein Controller 64 und das elektrische Antriebsmodul 24 bilden zusammen einen Hybridantriebsstrang 27, der verschiedene Betriebsmodi für die Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs 10 in Vorwärtsrichtung, ohne ein Schleppdrehmoment an der zweiten Achse 16 zu erzeugen, bereitstellt.
  • Das Hybridgetriebe 22 ist mit der Kraftmaschine 26 verbunden, die eine Ausgangswelle 28 und einen Kraftmaschinenschwingungsdämpfer 30 aufweist. Das Getriebe 22 enthält eine Eingangswelle 32, einen Differentialzahnradsatz, der ein Planetenradsatz 40 ist, einen ersten Achsantrieb 50, der ein Zahnradsatz ist, und das Achsdifferential 15. Der Planetenradsatz 40 enthält ein zentrales Sonnenradglied 42, ein Trägerglied 46, das mehrere Planetenräder 47 drehbar stützt, und ein Hohlradglied 44. Die Planetenräder 47 kämmen sowohl mit dem Hohlradglied 44 als auch mit dem Sonnenradglied 42. Der erste Achsantrieb 50 enthält ein erstes Zahnrad 52 und ein zweites Zahnrad 54, das mit dem ersten Zahnrad 52 kämmt und das sich, wie der Fachmann auf dem Gebiet versteht, gemeinsam mit einer Komponente des Differentials 15 dreht. Anstelle der kämmenden Zahnräder kann der Achsantrieb 50 stattdessen eine Kette, die mit einem sich drehenden Kettenrad in Eingriff ist, oder eine Kombination mechanischer Elemente sein.
  • Außerdem enthält das Getriebe 22 eine erste elektrische Arbeitsmaschine 60, die auch als ein Motor-Generator 60 bezeichnet ist, die in einigen Ausführungsformen aber dafür konfiguriert sein kann, nur als ein Generator betrieben werden zu können, d. h. nicht dafür konfiguriert ist, als ein Motor betrieben zu werden. In anderen Ausführungsformen kann die erste elektrische Arbeitsmaschine 60 in verschiedenen Betriebsmodi entweder als ein Motor oder als ein Generator betrieben werden. Der Motor-Generator 60 weist Kabel 62 auf, die ihn mit einem elektronischen Controller 64 elektrisch verbinden. Der erste elektrische Motor-Generator 60 enthält einen drehbaren Rotor und einen feststehenden Stator, die wie bekannt mit einem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet sind. Allerdings ist der erste elektrische Motor-Generator 60 zur Einfachheit in den Zeichnungen als ein einfacher Kasten dargestellt. Außerdem enthält der Controller 64 einen integrierten Gleichrichter zum Umsetzen von durch den ersten Motor-Generator 60 geliefertem Wechselstrom in Gleichstrom, der in einer über Kabel 62 mit dem Controller 64 verbundenen Energiespeichervorrichtung 70 wie etwa einer Vorwärtsbewegungsbatterie gespeichert werden kann. In einigen Ausführungsformen, in denen der Motor-Generator 60 als ein Motor betrieben werden kann, enthält der Controller 64 ebenfalls einen integrierten Leistungswechselrichter/-gleichrichter, der im Folgenden nur noch als Leistungswechselrichter bezeichnet wird, zum Umsetzen von Gleichstrom von der Energiespeichervorrichtung 70 in Wechselstrom zum Betreiben des ersten elektrischen Motor-Generators 60. Stattdessen könnte der Gleichrichter oder der Leistungswechselrichter eine von dem Controller 64 getrennte Komponente sein.
  • Außerdem enthält das Getriebe 22 eine erste Bremse 66, die durch den Controller 64 wahlweise eingerückt werden kann, um das Hohlradglied 44 mit einem feststehenden Glied 65 wie etwa einem Getriebegehäuse zu verbinden, um das Hohlradglied 44 feststehend zu halten. Ferner enthält das Getriebe 22 eine sich drehende Kupplung 68, die durch den Controller 64 wahlweise eingerückt werden kann, um das Hohlradglied 44 zur gemeinsamen Drehung mit dem ersten Zahnrad 52 des ersten Achsantriebs 50 zu koppeln. Wie ”gemeinsame Drehung” hier verwendet ist, bedeutet es eine Drehung mit derselben Drehzahl. Die Kupplung 68 ist konzentrisch mit der Eingangswelle 32, ist aber nicht zur gemeinsamen Drehung mit der Eingangswelle 32 verbunden. Das heißt, die Kupplung 68 umgibt die Eingangswelle 32 als eine Muffe.
  • Das elektrische Antriebsmodul 24 enthält einen zweiten Achsantrieb 72, der ein Zahnradsatz ist, der ein erstes Zahnrad 74 und ein zweites Zahnrad 76, das mit dem ersten Zahnrad 74 kämmt, und das Achsdifferential 17, von dem sich ein Abschnitt, wie der Fachmann in dem Gebiet versteht, gemeinsam mit dem zweiten Zahnrad 76 dreht, aufweist. Anstelle eines Paars kämmender Zahnräder kann der Achsantrieb 72 eine Kette sein, die mit einem sich drehenden Kettenrad oder mit einem Planetenradsatz oder mit einer Kombination mechanischer Elemente in Eingriff ist. Außerdem enthält das elektrische Antriebsmodul 24 eine zweite elektrische Arbeitsmaschine 80, die hier als ein zweiter Motor-Generator 80 bezeichnet ist, die als ein Motor, um das Hybridelektrofahrzeug 10 vorwärtszubewegen, oder als ein Generator, um bei seiner Vorwärtsbewegung zu helfen oder eine Bremsung bereitzustellen oder bei der Bremsung zu helfen, betrieben werden kann. Der zweite Motor-Generator 80 weist Kabel 62 auf, die ihn mit dem Controller 64 elektrisch verbinden. Der zweite Elektro-Motor-Generator 80 enthält einen drehbaren Rotor und einen feststehenden Stator, die, wie bekannt ist, mit einem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet sind. Allerdings ist der zweite Elektro-Motor-Generator 80 zur Einfachheit in den Zeichnungen als ein einfacher Kasten dargestellt. Außerdem enthält der Controller 64 einen integrierten Leistungswechselrichter zum Umsetzen von Gleichstrom von der Energiespeichervorrichtung 70 in Wechselstrom für den Betrieb des zweiten Elektro-Motor-Generators 80 und zum Umsetzen von Wechselstrom von dem Motor-Generator 80 in Gleichstrom, der in einer Energiespeichervorrichtung 70 gespeichert werden kann. Die zweite Achse 16 ist wie die erste Achse 12 tatsächlich aus zwei Wellen, allgemein als Halbwellen bezeichnet, zusammengesetzt, die, wie der Fachmann auf dem Gebiet versteht, mit Zahnrädern (nicht gezeigt) innerhalb des jeweiligen Achsdifferentials 15, 17 verbunden sind. Bei der Fahrt auf einer Geraden ohne Radschleudern drehen sich das Achsdifferential 15 und die zwei Hälften der Achse 12 ebenso wie das Achsdifferential 17 und die zwei Hälften der Achse 16 so, als ob sie eine feste Einheit wären. Die gemeinsame Drehzahl dieser sich drehenden Teile ist als die Achsdrehzahl bezeichnet.
  • Obwohl ein einzelner Controller 64 dargestellt und beschrieben ist, der mit den beiden Motoren-Generatoren 60, 80, mit der Kraftmaschine 26, mit der ersten Bremse 66 und mit der ersten Kupplung 68 funktional verbunden ist, wird gewürdigt werden, dass mehrere verschiedene Controller, die alle dafür konfiguriert sind, miteinander zu kommunizieren, einer oder mehreren dieser Komponenten gewidmet sein können. Wie bekannt ist, kann der Controller 64 in einigen Ausführungsformen einen integrierten Leistungswechselrichter enthalten, um jedem Motor-Generator 60, 80 einen Wechselstrom mit einer der Betriebsdrehzahl jedes Motor-Generators entsprechenden Frequenz zuzuführen. Der Controller 64 kann verwendet werden, um elektrische Leistung von dem ersten Motor-Generator 60 zu empfangen und um elektrische Leistung an den zweiten Motor-Generator 80 zu übermitteln.
  • Der Planetenradsatz 40 in dem Getriebe 22 ist als ein Differentialzahnradsatz verwendet. Das heißt, jedes der drei sich koaxial drehenden Elemente: das Sonnenradglied 42, das Trägerglied 46 und das Hohlradglied 44, können sich gleichzeitig drehen, so dass die Drehzahl des Trägerglieds 46 der gewichtete Mittelwert der Drehzahlen des Sonnenradglieds 42 und des Hohlradglieds 44 ist, die durch die Anzahl der Zähne an dem Sonnenradglied 42 und an dem Hohlradglied 44 gewichtet worden sind. In 1 ist das Sonnenradglied 42 zur gemeinsamen Drehung mit dem ersten Motor-Generator 60 verbunden, ist das Planetenträgerglied 46 zur gemeinsamen Drehung mit der Eingangswelle 32 und somit mit der Kraftmaschinenausgangswelle 28 verbunden und ist das Hohlradglied 44 mit einer Seite der sich drehenden ersten Kupplung 68 verbunden und dadurch wahlweise mit dem Achsantrieb 50 verbunden, wenn die erste Kupplung 68 eingerückt ist.
  • In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Kraftmaschine 26 eine Brennkraftmaschine mit Zylindern 90 als Arbeitsräume der Kraftmaschine. In dieser besonderen Ausführungsform weist die Kraftmaschine 26 vier Zylinder 90 auf, die entlang der Kurbelwelle 28 angeordnet sind. Wie bekannt ist, können Ventile verwendet werden, um als Teil des beispielhaften Kraftmaschinenbetriebs in einem Viertaktzyklus aus Einlasstakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausstoßtakt Luft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in jeden Zylinder 90 einzulassen und Verbrennungsprodukte aus den Zylindern 90 auszustoßen. In einigen Ausführungsformen kann die Kraftmaschine 26 dafür ausgestattet sein, wie etwa durch wahlweises Öffnen von Ventilen und Einlassen von Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch in einen oder mehrere Zylinder 90, während Luft oder Verbrennungsprodukte in den anderen Zylindern 90 der Kraftmaschine 26 eingeschlossen bleiben, einen oder mehrere Zylinder 90 wahlweise zu betreiben. Dies kann als Zylinderabschaltung bezeichnet werden. Die Kraftmaschine 26 kann entweder eine Kraftmaschine mit Fremdzündung oder eine Kraftmaschine mit Selbstzündung (d. h. eine Dieselkraftmaschine) sein.
  • 2 zeigt eine alternative Anordnung eines Hybridgetriebes 122. Genauer ist in dem Hybridgetriebe 122 wie in 1 das Sonnenradglied 42 des Planetenradsatzes 40 über eine Motorwelle 61 mit dem Motor-Generator 60 verbunden, während aber das Hohlradglied 44 über die Kraftmaschinenausgangswelle 28 mit der Eingangswelle 32 und somit mit der Kraftmaschine 26 verbunden ist. Wenn die erste Kupplung 68 eingerückt ist, ist das Planetenträgerglied 46 mit einer Seite der sich drehenden Kupplung 68 verbunden und dadurch wahlweise mit dem Achsantrieb 50 verbunden. Das Planetenträgerglied 46 kann ebenfalls durch Eingriff der Bremse 66 zu dem feststehenden Glied 65 auf Masse festgelegt werden. Eine optionale Eingangsbremse 69 kann wahlweise eingerückt werden, um das Eingangsglied 32 und somit die Kraftmaschine 26 zu dem feststehenden Glied 65 auf Masse festzulegen. Die optionale Eingangsbremse 69 ermöglicht einen rein elektrischen Allradantriebs-Betriebsmodus, in dem die Kraftmaschine 26 ausgeschaltet ist und beide Motoren-Generatoren 60 und 80 als Motoren arbeiten. Die optionale Bereitstellung einer Eingangsbremse 69 und ihre Verwendung für den rein elektrischen Allradantrieb können ebenfalls in einer Anordnung erfolgen, die anderweitig wie in 1 gezeigt ist.
  • Falls ein Startermotor 82 zum Starten der Kraftmaschine 26 bereitgestellt ist, braucht der Motor-Generator 60 nicht als ein Motor zum Starten der Kraftmaschine verwendet zu werden und kann er dafür konfiguriert sein, nur als ein Generator betrieben werden zu können. In einer solchen Ausführungsform wäre ein rein elektrischer Allradantriebs-Betriebsmodus nicht verfügbar und wäre die optionale Eingangsbremse 69 nicht bereitgestellt. In einer Ausführungsform, die mit einem dedizierten Kraftmaschinenstartermotor wie etwa mit dem Startermotor 82 versehen ist, ist eine Bremse 66 zum Bereitstellen eines Gegendrehmoments zur Verwendung des Motor-Generators 60 zum Starten der Kraftmaschine 26 nicht notwendig, so dass die Bremse 66 nicht bereitgestellt zu sein braucht. In einer mit einem dedizierten Kraftmaschinenstarter versehenen Ausführungsform wird darüber hinaus der Planetenradsatz 40 nicht zum Starten der Kraftmaschine verwendet und ist keine Kupplung 68 zum Trennen des Planetenradsatzes 40 von dem Achsantrieb 50 notwendig, so dass die Kupplung 68 nicht bereitgestellt zu sein braucht. In allen beschriebenen Ausführungsformen könnte das Fahrzeug 10 durch die Batterie 70 und durch die zweite elektrische Arbeitsmaschine 80 angetrieben werden, während die Kraftmaschine 26 angehalten ist, indem die erste elektrische Arbeitsmaschine 60 freilaufen gelassen wird.
  • Die Anordnungen des Getriebes 22 und des Getriebes 122 weisen eine ähnliche Funktion auf, so dass über das Getriebe 22 oder 122 ein einziges, festes Drehmomentverhältnis bereitgestellt wird und die Drehzahl der Kraftmaschine 26 mathematisch eine Linearkombination der Drehzahl der ersten Achse 12 und der Drehzahl des Motor-Generators 60 ist. Allerdings sind die quantitativen Drehzahl- und Drehmomentbeziehungen zwischen der Kraftmaschine 26, dem Achsantrieb 50 und dem Motor-Generator 60 für die verschiedenen Anordnungen mit denselben Anzahlen von Zähnen an den Gliedern des Planetenradsatzes 40 verschieden. Wie hier erläutert ist, erfordert insbesondere die Anordnung in 2 mehr Drehmoment von dem Motor-Generator 60 und erfordert sie ein niedrigeres Übersetzungsverhältnis in dem Achsantrieb 50, um ansonsten ähnliche Ergebnisse zu erzeugen.
  • 3 zeigt in schematischer Form einen Abschnitt des Hybridantriebsstrangs 22, der das Hybridgetriebe 22 und das elektrische Antriebsmodul 24 enthält. Das Getriebe 22 ist mit der Kraftmaschine 26 und mit der ersten Achse 12 verbunden. Der Planetenradsatz 40 ist als ein Hebel gezeigt, um die Drehmoment- und Drehzahlbeziehungen zwischen dem Sonnenradglied 42, dem Planetenträgerglied 46 und dem Hohlradglied 44 zu zeigen. Der erste Achsantrieb 50 ist als ein Paar Kreise gezeigt, die kämmende Zahnräder oder eine Anordnung mit ähnlicher Funktion angeben, um die Drehmomentvervielfachung und die Drehzahlverringerung zu zeigen, die durch den Achsantrieb 50 von dem Hohlradglied 44 zu der ersten Achse 12 bewirkt werden. Das elektrische Antriebsmodul 24 ist mit einem Paar Kreisen gezeigt, um die Drehmomentvervielfachung und die Drehzahlverringerung von dem Motor-Generator 80 über den zweiten Achsantrieb 72 zu der Achse 16 zu zeigen.
  • In der Ausführungsform des Hybridgetriebes 22 aus 3 ist die Kraftmaschine 26 mit dem Planetenträgerglied 46 funktional verbunden, ist der Motor-Generator 60 mit dem Sonnenradglied 42 funktional verbunden und sind die sich drehende Kupplung 68 und die Bremse 66 mit dem Hohlradglied 44 funktional verbunden. Falls der Motor-Generator 60 feststehend ist, d. h., falls sein Rotorabschnitt feststehend ist, und die sich drehende Kupplung 68 eingerückt ist, ist das Drehzahlverhältnis von der Kraftmaschine 26 zu der ersten Achse 12 gleich der Drehzahl des ersten Planetenträgerglieds 46, dividiert durch die Drehzahl des Hohlradglieds 44 und multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis des Achsantriebs 50, d. h. mit der Anzahl der Zähne des Zahnradglieds 54, dividiert durch die Anzahl der Zähne des Zahnradglieds 52. Falls das Verhältnis der Anzahl der Zähne des Hohlradglieds 44, dividiert durch die Anzahl der Zähne des Sonnenradglieds 42, R ist, ist das Drehzahlverhältnis über den Planetenradsatz 40 in diesem Fall R/(R + 1). R ist immer größer als eins, so dass das Drehzahlverhältnis über den Planetenradsatz 40, während das Sonnenradglied 42 feststehend ist, immer kleiner als eins und größer als null ist. Für ein herkömmliches Getriebe würde dies ”Overdrive” genannt, da die Drehzahl des Ausgangs des Planetenradsatzes 40 (d. h. des Hohlradglieds 44) zu dem Achsantrieb 50 höher als die Drehzahl des Eingangs zu dem Planetenradsatz 40 von der Kraftmaschine 26 ist.
  • Das Drehmomentverhältnis des Hybridgetriebes 22, d. h. das Drehmoment der Achse 12 gegenüber dem Drehmoment der Eingangswelle 32, ist dasselbe wie das Drehzahlverhältnis des Hybridgetriebes 22, wobei das Sonnenradglied 42 feststehend ist. Durch Messung ist das tatsächliche Drehmoment der Achse 12 wegen der unvermeidlichen Reibung und viskosen Verluste innerhalb des Hybridgetriebes 22 geringfügiger kleiner als der durch die Kombination dieses Drehmomentverhältnisses und des Drehmoments von der Kraftmaschine 26 angegebene Wert. Außer diesen nebensächlichen Schleppmomentverlusten ist das Drehmomentverhältnis des Hybridgetriebes 22, d. h. das Drehmoment der Achse 12 gegenüber dem Drehmoment der Eingangswelle 32, eine Konstante, d. h. ein einzelner Wert, der auf der Anzahl der Zähne der Zahnräder des Planetenradsatzes 40 und auf der Anzahl der Zähne der Zahnräder oder auf dem Verhältnis der Kettenradzähne des Achsantriebs 50 beruht. Der einzige konstante Wert, der hier auch als ein einziger fester Wert des Drehmomentverhältnisses bezeichnet ist, hängt nicht von der Drehzahl des Motor-Generators 60 ab. Im Gegensatz dazu ist das Drehzahlverhältnis des Hybridgetriebes 22, d. h. die Drehzahl der Eingangswelle 32 oder der Kraftmaschinenausgangswelle 28 gegenüber der Drehzahl der Achse 12, eine kontinuierliche Variable, die auf der Drehzahl des Motor-Generators 60 und des Sonnenradglieds 42 beruht.
  • Die Kombination des Planetenrad-Übersetzungsverhältnisses und des Achsantriebs-Übersetzungsverhältnisses in dem Getriebe 22 kann so gewählt werden, dass ermöglicht wird, dass die Kraftmaschine 26 mit einer Drehzahl bei der oder sehr nahe der minimalen für den Kraftmaschinendauerbetrieb notwendigen Drehzahl betrieben wird, ohne die Strömung von Luft oder von dem Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Arbeitsräume der Kraftmaschinen 26 zu verengen, wenn das Fahrzeug mit stationärer Geschwindigkeit im Langstreckenbetrieb fährt. Wie es hier verwendet ist, ist ”die minimale Drehzahl, die für den Kraftmaschinendauerbetrieb notwendig ist” die minimale Kraftmaschinendrehzahl, bei der eine vorgegebene Laufruhe und Beständigkeit des Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmoments für die Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs erzielt wird. Zum Beispiel kann gefordert sein, dass das Drehmoment von dem Dämpfer 30, das an die Eingangswelle 32 in dem Getriebe 22 angelegt wird, innerhalb von 20% eines vorgegebenen Drehmomentpegels oder eines mittleren Drehmomentpegels bleibt, während sich die Eingangswelle dreht. Die minimale Drehzahl ist durch eine große Anzahl von Faktoren bestimmt, die das Verdrängungsvolumen jedes Zylinders 90, den in jedem Zylinder 90 erzielten Spitzendruck, die lineare Trägheit der Kraftmaschine 26, das Trägheitsmoment der Kraftmaschine 26 und das Trägheitsmoment und die Federhärte des Dämpfers 30 enthalten können. Das Ausgangsdrehmoment der Kraftmaschine 26 ist teilweise durch den in jedem Zylinder 90 erzielten Spitzendruck bestimmt, so dass seine minimale Drehzahl mit zunehmendem Kraftmaschinendrehmoment etwas zunehmen kann. In einem nichteinschränkenden Beispiel können das Planetenrad-Übersetzungsverhältnis und das Achsantriebs-Übersetzungsverhältnis in der Weise gewählt sein, dass die Kraftmaschine 26 mit der minimalen Kraftmaschinendrehzahl für den Kraftmaschinendauerbetrieb, ohne zu drosseln, während das Fahrzeug mit einer stationären Reisegeschwindigkeit fährt, betrieben werden kann. Das heißt, das einzige Drehmomentverhältnis des Drehmoments von der Vorderachse 12 gegenüber dem Drehmoment an der Eingangswelle 32 kann beim Entwurf des Getriebes 22 so gewählt werden, dass die Kraftmaschine 26 ohne Drosselung über einen weiten Bereich stationärer Reisegeschwindigkeiten des Hybridfahrzeugs 10 laufen kann, wobei die niedrigste Drehzahl der minimalen Drehzahl für den Dauerbetrieb der Kraftmaschine 26 ohne Drosselung und mit stationärem Motor-Generator 60 entspricht. Bei Drehzahlen über ihrer niedrigsten Drehzahl kann die Kraftmaschine 26 ebenfalls ohne Drosselung und ohne Zuführen von Drehmoment zu der Vorderachse 12 mit demselben Drehmomentverhältnis arbeiten, wobei aber ein höheres Drehmoment an den Rädern 14, 16 erforderlich sein kann, um das Fahrzeug 10 anzutreiben, wobei dieses Drehmoment, wie im Folgenden diskutiert ist, durch das elektrische Antriebsmodul 24 mit seinem Motor-Generator 80, der als ein Motor wirkt, zugeführt werden kann.
  • Wie sie hier verwendet sind, bedeuten ”ohne Drosselung” und ”ungedrosselt” im Fall einer Kraftmaschine wie etwa einer normalen Kraftmaschine mit Fremdzündung, die eine Drossel zur Steuerung ihrer Drehmomentausgabe verwendet, den Betrieb mit der Drossel in einer vollständig geöffneten Position, der auch als Betrieb ”mit weit offener Drossel” bekannt ist. Eine Kraftmaschine mit Selbstzündung weist keine Drossel auf, kann aber die Steuerung des Kraftstoffs allein zum Steuern ihrer Drehmomentausgabe verwenden. Dementsprechend beziehen sich die Begriffe ”ohne Drosselung” und ”ungedrosselt” in Bezug auf eine Kraftmaschine mit Selbstzündung auf den Betrieb der Kraftmaschine mit Selbstzündung je nachdem, ob der Kraftstoff für die maximale Drehmomentausgabe oder für irgendeine andere Drehmomentausgabe gesteuert wird. Die Begriffe ”ohne Verengung” und ”unverengt” sind hier sowohl auf den Betrieb einer Kraftmaschine mit Fremdzündung ohne Drosselung als auch auf den Betrieb einer Kraftmaschine mit Selbstzündung mit einer vorgegebenen maximalen Menge Kraftstoff, die in den Zylindern oder anderen Arbeitsräumen, die betrieben werden, verbrannt werden kann, ohne übermäßige Mengen Rauch oder anderen unverbrannten Kraftstoffs zu erzeugen, anwendbar.
  • 4 zeigt das Hybridgetriebe 122 aus 2 in schematischer Form. Die Kraftmaschine 26 ist mit dem Hohlradglied 44 verbunden, der Motor-Generator 60 ist mit dem Sonnenradglied 42 verbunden und die sich drehende erste Kupplung 68 und die erste Bremse 66 sind mit dem Planententrägerglied 46 verbunden. Falls der Rotor des Motor-Generators 60 feststehend ist und die sich drehende erste Kupplung 68 eingerückt ist, ist das Drehzahlverhältnis des Getriebes 122, d. h. das Verhältnis der Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 zu der Drehzahl der ersten Achse 12, gleich der Drehzahl des Hohlradglieds 44, dividiert durch die Drehzahl des Planetenträgerglieds 46, multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis des Achsantriebs 50, d. h. mit der Anzahl der Zähne des Zahnradglieds 54, dividiert durch die Anzahl der Zähne des Zahnradglieds 52. Falls das Verhältnis der Anzahl der Zähne an dem Hohlradglied 44, dividiert durch die Anzahl der Zähne an dem Sonnenradglied 42, R ist, ist das Drehzahlverhältnis über den Planetenradsatz 40 in dem Hybridgetriebe 122 (R + 1)/R. R ist immer größer als eins, so dass das Drehzahlverhältnis über den Planetenradsatz 40 mit dem feststehenden Sonnenradglied 42 immer größer als eins ist. Das Drehmomentverhältnis des Getriebes 122 ist unabhängig von der Drehzahl der Kraftmaschine 26, von der Drehzahl des Motor-Generators 60 oder von der Drehzahl der ersten Achse 12 ein konstanter Wert. Das Drehmomentverhältnis des Getriebes 122 ist ein konstanter Wert, der gleich dem Drehzahlverhältnis des Getriebes ist, wenn der Motor-Generator 60 feststehend ist. Im Gegensatz dazu ist das Drehzahlverhältnis des Getriebes 122 nicht konstant, sondern stattdessen durch Ändern der Drehzahl des Motor-Generators 60 kontinuierlich variabel.
  • Als nichteinschränkendes Beispiel kann die Kombination des Planetenrad-Übersetzungsverhältnisses und des Achsantriebs-Übersetzungsverhältnisses in dem Getriebe 122 in einer Ausführungsform so gewählt werden, dass ermöglicht wird, dass die Kraftmaschine 26 mit einer Drehzahl bei oder sehr nahe der minimalen Drehzahl, die für den effizienten Kraftmaschinendauerbetrieb notwendig ist, d. h. mit der oben beschriebenen minimalen Drehzahl, betrieben wird, wenn das Fahrzeug 10 mit einer stationären Geschwindigkeit im Langstreckenbetrieb fährt. Zum Beispiel können das Planetenrad-Übersetzungsverhältnis und das Achsantriebs-Übersetzungsverhältnis so gewählt werden, dass die Kraftmaschine 26 mit der minimalen Kraftmaschinendrehzahl für den Kraftmaschinendauerbetrieb entlang der Kurve für das Drehmoment bei weit offener Drossel betrieben werden kann, wenn das Fahrzeug 10 mit einer stationären Geschwindigkeit im Langstreckenbetrieb fährt. Im Vergleich zu dem Hybridgetriebe 22 in 3 kann das Übersetzungsverhältnis des ersten Achsantriebs 50 des Hybridgetriebes 122 niedriger sein und dennoch dieselbe minimale Drehzahl für den Kraftmaschinendauerbetrieb mit demselben vorgegebenen Kraftmaschinenwirkungsgrad erzielen.
  • Die Kombination des Übersetzungsverhältnisses des Planetenradsatzes 40, d. h. der relativen Anzahlen der Zähne an dem Hohlradglied 44 und an dem Sonnenradglied 42, und des Übersetzungsverhältnisses des ersten Achsantriebs 50 in dem Getriebe 22 oder 122 hat eine besondere Beziehung zu der Kraftmaschine 26 und zu dem Fahrzeug 10. Als nichteinschränkendes Beispiel können diese Übersetzungsverhältnisse so gewählt werden, dass ermöglicht wird, dass die Kraftmaschine 26 mit weit offener Drossel arbeitet, wobei das Fahrzeug über einen weiten Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen der Kraftmaschine 26 mit stationärer Reisegeschwindigkeit fährt, ohne zu erfordern, dass der Motor-Generator 60 während der Vorwärtsbewegung in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs 10 bei eingeschalteter Kraftmaschine 26 als ein Motor wirkt. Wie in Bezug auf 5 gezeigt und beschrieben ist, verläuft der Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen von der minimalen Drehzahl für Kraftmaschinendauerbetrieb bis zu einer maximalen Kraftmaschinendrehzahl. Falls die Kraftmaschine 26 eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung ist und für die Zylinderabschaltung konfiguriert ist oder falls die Kraftmaschine 26 eine Kraftmaschine mit Selbstzündung wie etwa eine Dieselkraftmaschine ist, kann der Betrieb einiger oder aller Zylinder 90 der Kraftmaschine 26 ohne Drosselung bei einem niedrigeren Drehmoment als dem maximalen erfolgen, das von der Kraftmaschine 26 verfügbar ist, um, wie im Folgenden weiter beschrieben ist, ein höheres Drehmomentverhältnis über das Getriebe 22 oder 122 zu ermöglichen.
  • Der Betrieb der Kraftmaschine 26 ohne Drosselung, d. h. ohne teilweise Verengung der Strömung von Luft oder eines Luft-Kraftstoff-Gemischs zu einigen oder allen dieser Arbeitsräume der Kraftmaschine 26, die nicht abgeschaltet sind, falls eine Zylinderabschaltung verfügbar ist, und das Auswählen des Getriebedrehmomentverhältnisses des Getriebes 22 oder 122 (d. h. des Verhältnisses des Drehmoments der ersten Achse 12 zu dem Drehmoment der Kraftmaschinenausgangswelle 28) in der Weise, dass der Motor-Generator 60, während das Fahrzeug mit stationärer Reisegeschwindigkeit fährt, wobei die Kraftmaschine 26 eingeschaltet ist, nicht als ein Motor betrieben zu werden braucht, kann vorteilhaft sein. Eine solche Wahl des Drehmomentverhältnisses beseitigt die Notwendigkeit, dem Motor-Generator 60 während der Fahrt mit Reisegeschwindigkeit Leistung zuzuführen, Leistung, die entweder von der Energiespeichervorrichtung 70, die somit schließlich erschöpft würde, oder von dem Motor-Generator 80 in dem elektrischen Antriebsmodul 24, das veranlassen würde, dass die zweite Achse 16 der Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs 10 entgegenwirkt, kommen müsste. Stattdessen kann in dem Getriebe 22 oder 122, wobei der Motor-Generator 60 immer entweder als ein Generator oder einfach als eine batteriebetriebene Bremse wirkt, wenn die Kraftmaschine 26 eingeschaltet ist und Vorwärtsbewegungsleistung liefert, der Motor-Generator 80 in dem elektrischen Antriebsmodul 24 als ein Motor wirken, um die Bewegung des Fahrzeugs 10 aufrechterhalten zu helfen, oder auslaufen (wobei der Rotor des Motor-Generators 80 freiläuft), ohne irgendeinen wesentlichen Einfluss auf die Bewegung des Fahrzeugs 10 zu haben. Der Motor-Generator 60 wirkt als eine ”Bremse mit Eigenantrieb”, wenn er als ein Generator mit einer sehr niedrigen Drehzahl seines Rotors wirkt, aber weder elektrische Nettoausgabe erzeugt noch elektrische Nettoeingabe erfordert, d. h., wenn der Motor/Generator 60 gerade genügend elektrische Leistung erzeugt, um seine Eigendrehung zu verhindern.
  • Wie oben beschrieben wurde, muss der Motor-Generator 60 nur dann als Motor wirken, wenn er zum Starten der Kraftmaschine 26 verwendet wird. Falls der Motor-Generator 60 dagegen nicht zum Starten der Kraftmaschine 26 verwendet würde, d. h., falls die Kraftmaschine 26 mit ihrem eigenen Startermotor wie etwa einem in 1 in Strichlinien gezeigten optionalen Startermotor 82 ausgestattet wäre, brauchte der Motor-Generator 60 nicht dafür ausgestattet zu sein, unter irgendwelchen Fahrzeugbedingungen als ein Motor zu arbeiten, und könnte tatsächlich dafür konfiguriert sein, nur als ein Generator zu arbeiten. Dies könnte eine vereinfachte Konstruktion des Controllers 64 ermöglichen, da üblicherweise ein Controller mit einem Satz gesteuerter Schalter dafür verwendet wird, einen gegenwärtigen Motor-Generator als einen Motor zu betreiben, während eine elektrische Arbeitsmaschine, die nur zur Erzeugung fähig ist (d. h. ein Generator anstelle eines Motor-Generators), nur Gleichrichterdioden zum Umsetzen von Wechselstrom in Gleichstrom benötigt, was weniger kostspielig und komplex als die Aufnahme von Schaltern wie etwa Leistungstransistoren, die den Fluss des Gleichstroms aktiv unterbrechen müssen, um einen Wechselstrom zu erzeugen, sein kann.
  • Das einzige feste Drehmomentverhältnis des Hybridgetriebes 22, das durch den Planetenradsatz 40 und durch den Achsantrieb 50 festgesetzt wird, das Drehmoment, das die Kraftmaschine 26 ohne Drosselung entwickelt, und der Fahrwiderstand, der durch das Fahrzeug 10 als Funktion seiner Geschwindigkeit entwickelt wird, bestimmen die Fahrzeugreisegeschwindigkeit, mit der das Hybridgetriebe 22 das Fahrzeug antreibt, wobei das elektrische Antriebsmodul 24 freiläuft. Falls dieses Verhältnis hoch ist, ist diese Geschwindigkeit hoch; falls dieses Verhältnis niedrig ist, ist diese Geschwindigkeit niedrig. Das elektrische Antriebsmodul 24 wird im Betrieb des Fahrzeugs 10 als ein Motor verwendet, um die Auswahl von Reisegeschwindigkeiten über der durch das Hybridgetriebe 22 bereitgestellten Reisegeschwindigkeit, bei der das elektrische Antriebsmodul 24 freiläuft, zu ermöglichen. Das Drehmomentverhältnis des Hybridgetriebes 22 wird im Entwurf so gewählt, dass es ausreichend niedrig ist, um zu ermöglichen, dass das Fahrzeug 10 mit der Kraftmaschine 26 im Dauerbetrieb ohne Drosselung mit Reisegeschwindigkeit fährt und das elektrische Antriebsmodul 24 entweder freiläuft oder eine Vorwärtsbewegung über einen üblichen Bereich oder weiten Bereich von Fahrzeuggeschwindigkeiten bereitstellt. Zum Beispiel kann das Fahrzeug 10 mit niedriger Geschwindigkeit (z. B. 40 km/h) im Langstreckenbetrieb fahren, wobei nur das Hybridgetriebe 22 das Fahrzeug und die Kraftmaschine 26 bei weit offener Drossel antreibt, während das Fahrzeug im Langstreckenbetrieb mehrmals schneller (z. B. mit 160 km/h) als mit einer Fahrzeugmaximalgeschwindigkeit fahren kann, während das elektrische Antriebsmodul 24 ebenfalls eine Vorwärtsbewegung bereitstellt.
  • 5 zeigt auf der horizontalen Achse 112 das Kraftmaschinendrehmoment bei der Kraftmaschinenausgangswelle 28 auf der vertikalen Achse 110 in Prozent des maximalen Ausgangsdrehmoments ohne Anreicherung in Abhängigkeit von der Kraftmaschinendrehzahl in Umdrehungen pro Minute (min–1) bei der Kraftmaschinenausgangswelle 28. Abgesehen von dem Gebiet, das durch die lange Strichlinie 116 gezeigt ist, bei dem die Anreicherung des Gemischs mit überschüssigem Kraftstoff ein erhöhtes Drehmoment auf Kosten des Wirkungsgrads ermöglicht, ist die obere Grenzlinie 114 des Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmoments bei der Kraftmaschine 26 diejenige bei weit offener Drossel (unter der Annahme, dass die Kraftmaschine 26 eine Kraftmaschine mit Fremdzündung ist und auf allen Zylindern läuft) und bei einem ausgeglichenen Gemisch von Kraftstoff und Luft für eine effiziente Verbrennung. Die von der Kraftmaschine 26 verfügbare Linie 114 des maximalen Drehmoments ist allgemein als die ”Drehmomentkurve” der Kraftmaschine 26 bekannt. Die Untergrenze bei stationärer Ausgangsdrehzahl der Kraftmaschine 26 ist bei dem Ende 117 der geneigten Linie 118 in der Nähe der vertikalen Achse und entspricht einer minimalen Kraftmaschinendrehzahl 125 zum Bereitstellen der Drehmomentkurve 114 bei weit offener Drossel. Die Linie 118 der Drehmomentkurve 114 ist die Linie minimaler Kraftmaschinendrehzahlen, die verschiedenen Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmomenten entsprechen. Bei Kraftmaschinendrehzahlen unter der minimalen Kraftmaschinendrehzahl (d. h. links der Linie 118) führt die periodische Zündwirkung der Kraftmaschine 26 zu inakzeptabel ungleichmäßiger (d. h. nichtstationärer) Ausgangsdrehzahl und zu inakzeptabel ungleichmäßigem Ausgangsdrehmoment. Die Linie 118 kann für eine bestimmte Kraftmaschine auf Tests beruhen, die einen vorgegebenen Pegel der Stationarität der Ausgangsdrehzahl und des Ausgangsdrehmoments festsetzen. Die Leerlaufdrehzahl, die bei dem Punkt 120 gezeigt ist, bei dem die Kraftmaschine 26 kein Drehmoment erzeugt, ist die unterste Grenze der akzeptablen Kraftmaschinenbetriebsdrehzahl. Während die Kraftmaschinendrehzahl zunimmt, nimmt die minimale Drehzahl, mit der die Kraftmaschine 26 laufen muss, um akzeptabel ruhig zu sein, ebenfalls zu. Die obere Grenze der Kraftmaschinendrehzahl, um eine Kraftmaschinenbeschädigung zu vermeiden, die sogenannte ”rote Linie” 127 der Kraftmaschine, ist sowohl in 5 als auch in 8 als 5000 min–1 gezeigt. Der Bereich der Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen für ein gegebenes Kraftmaschinendrehmoment, um eine stationäre Vorwärtsbewegung in Vorwärtsrichtung bereitzustellen, verläuft von einschließlich der minimalen Kraftmaschinenbetriebsdrehzahl (einem Punkt entlang der Linie 118) bis zu einschließlich der maximalen Kraftmaschinenbetriebsdrehzahl (der roten Linie 127 der Kraftmaschine) und schließt die minimale und die maximale Kraftmaschinenbetriebsdrehzahl ein. Außerdem kann die Kraftmaschine 26 durch ihre Ausgangswelle durch ein an sie angelegtes Drehmoment gedreht werden, um ein negatives Ausgangsdrehmoment bereitzustellen, wobei dieser Betrieb aber aus 5 weggelassen ist.
  • In 5 geben Niveaulinien 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142 und 144 innerhalb des Bereichs der Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen verschiedene Wirkungsgrade der Kraftmaschine 26 beim Betrieb mit verschiedenen Kombinationen aus Drehmoment und Drehzahl an. Die Niveaulinien sind so beabstandet, dass sie widerspiegeln, dass der Kraftmaschinenwirkungsgrad von Niveaulinie 124 zu Niveaulinie 114 um gleiche Inkremente zunimmt. In einer dreidimensionalen Ansicht würden die Wirkungsgradniveaulinien von 5 nach außen verlaufen. Dementsprechend widerspiegeln benachbarte Gruppen von Linien, die ungleichmäßig und eng beabstandet sind, eine verhältnismäßig charakteristische Zunahme des Wirkungsgrads mit zunehmendem Kraftmaschinendrehmoment in dem relevanten Drehmomentbereich, während Linien, die gleichmäßig voneinander beabstandet sind, ein relatives Plateau des Kraftmaschinenwirkungsgrads mit zunehmendem Kraftmaschinendrehmoment in dem relevanten Drehmomentbereich widerspiegeln. Da eine Drosselung oder eine ähnliche Steuerung des Drehmoments eine sehr starke Wirkung auf den Kraftmaschinenwirkungsgrad hat, sind die Niveaulinien konstanten Kraftmaschinenwirkungsgrads allgemein näherungsweise parallel zu der Kraftmaschinendrehmomentkurve 114. Wie durch den Abstand der Niveaulinien von 114 bis 124 angegeben ist, sind die Wirkungen der Drosselung zunächst die allmähliche Verringerung des Wirkungsgrads, während sich der Kraftmaschinenbetrieb von dem mit weit offener Drossel wegbewegt, und daraufhin das steile Verringern des Wirkungsgrads auf null, während das Ausgangsdrehmoment auf null abnimmt. Da der Kraftmaschinenwirkungsgrad durch viele Faktoren beeinflusst wird, kann das tatsächliche Maximum des Wirkungsgrads bei der Kurve 144 etwas unter der Linie des Drehmoments bei weit offener Drossel (der Kraftmaschinendrehmomentkurve 114) bei einem ausgeglichenen Kraftstoff-Luft-Gemisch und wenn alle Zylinder 90 arbeiten erreicht werden. Eine solche Linie des maximalen Wirkungsgrads ist beispielhaft durch die Strichlinie mit kurzen Strichen des besten Wirkungsgrads 144 direkt unter der Linie 114 des Drehmoments bei weit offener Drossel gezeigt. Diese Linie des besten Wirkungsgrads 144 gibt dasjenige Kraftmaschinendrehmoment an, das für jede Kraftmaschinendrehzahl zum besten Wirkungsgrad führt, und hat einen verhältnismäßig konstanten Wert des Wirkungsgrads, während sich die Drehzahl der Kraftmaschine 26 unter dem verhältnismäßig flachen Teil der Drehmomentkurve 114 ändert.
  • Wie durch die vier beispielhaften parabolischen Linien in 5 angegeben ist, die als Fahrwiderstandskurven 150, 152, 154, 156 bezeichnet sind, die vierverschiedenen Beispielen eines Getriebedrehzahlverhältnisses der Drehzahl der Eingangswelle 32 (oder der Kraftmaschinenausgangswelle 28) zu der Drehzahl der ersten Achse 12 und eines gleichen Getriebedrehmomentverhältnisses des Drehmoments der ersten Achse 12 zu dem Drehmoment der Getriebeeingangswelle 32 (das dasselbe wie das der Kraftmaschinenausgangswelle 28 ist) entsprechen, variiert das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Räder 14, 18 mit einer stationären Drehzahl auf einer ebenen Oberfläche und ohne Wind anzutreiben, parabolisch mit der Drehzahl der Räder 14, 18. Für die beispielhaften Fahrwiderstandskurven 150, 152, 154, 156 in 5 steht der Motor-Generator 60 still, so dass das Drehmomentverhältnis für jede Kurve gleich dem Drehzahlverhältnis für diese Kurve ist und die Leistung von der ersten Achse 12 bis auf kleine Schleppmomentverluste innerhalb des Differentialzahnradsatzes 40 und des Achsantriebs 50 gleich der an das Getriebeeingangsglied 32 angelegten Leistung ist. Diese beispielhaften Drehzahlverhältnisse sind ebenfalls in 8 dargestellt. 8 zeigt auf der vertikalen Achse 410 die Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 in min–1 (die dieselbe wie die Drehzahl des Getriebeeingangsglieds 32 ist) und auf der horizontalen Achse 412 die Drehzahl der ersten Achse 12. Die Linie 160 ist ein Drehzahlverhältnis von 1,07 und entspricht der Fahrwiderstandskurve 150. Die Linie 162 ist ein Drehzahlverhältnis von 1,39 und entspricht der Fahrwiderstandskurve 152. Die Linie 164 ist ein Drehzahlverhältnis von 2,09 und entspricht der Fahrwiderstandskurve 154. Die Linie 166 ist ein Drehzahlverhältnis von 2,79 und entspricht der Fahrwiderstandskurve 156.
  • Falls zwischen der ersten Achse 12 und der Kraftmaschinenausgangswelle 28 durch das Getriebe 22 oder 122 eine erste feste Beziehung, d. h. ein erstes festes Drehzahlverhältnis und das entsprechende feste Drehmomentverhältnis, festgesetzt wird, erscheint der Fahrwiderstand als ein besonderer der parabolischen Fahrwiderstandskurven 150, 152, 154, 156 in 5. Es wird gewürdigt werden, dass das Drehzahlverhältnis der ersten Achse 12 zu der Kraftmaschinenausgangswelle 28 nur dann fest ist, wenn der Motor-Generator 60 feststehend ist; dass das Drehmomentverhältnis der Kraftmaschinenausgangswelle 28 zu der ersten Achse 12 unabhängig von der Drehzahl des Motor-Generators 60 fest ist. Das Drehmoment von der Kraftmaschine 26, wenn sie ohne Drosselung betrieben wird, bleibt bei der Drehzahl der Kraftmaschine 26, wie sie durch die Drehmomentkurve 114 gezeigt ist, im Vergleich zu dem Fahrwiderstand verhältnismäßig konstant, so dass sich das Fahrzeug 10 bei einer bestimmten Geschwindigkeit (wobei die Geschwindigkeit einer Kraftmaschinendrehzahl bei dem Punkt 117, 119, 121 oder 123 entspricht), bei der das zugeführte Drehmoment gerade ausreicht, um zu dem Drehmoment 26 zu passen, das erforderlich ist, damit die Kraftmaschine 26 das Fahrzeug 10 mit einer stationären Geschwindigkeit antreibt (im Langstreckenbetrieb fährt), d. h. bei der sich die Fahrwiderstandskurve 150, 152, 154 oder 156 und die Drehmomentkurve 114 schneiden, stabilisieren kann. Falls das Fahrzeug 10 unter der Annahme eines festen Drehzahlverhältnisses über das Getriebe 22 oder 122 (wie es z. B. auftritt, wenn der Motor-Generator 60 im Wesentlichen feststehend ist und die Kupplung 68 eingerückt ist) unter diesen Bedingungen arbeitete und geringfügig in der Weise gestört wurde, dass seine Drehzahl unter die Drehzahl, die dem relevanten Gleichgewichtspunkt 117, 119, 121 oder 123 entspricht (d. h. eine Drehzahl entlang der jeweiligen Fahrwiderstandskurve 150, 152, 154 oder 156 direkt unter dem entsprechenden Punkt 117, 119, 121 oder 123), fiel, würde die Kraftmaschinen-Drehmomentkapazität, wie es durch die Drehmomentkurve 114 gezeigt ist, die über der Fahrwiderstandskurve 150, 152, 154 oder 156 liegt, den Fahrwiderstand nicht übersteigen, während die Kraftmaschinendrehzahl abnimmt, und würde die Kraftmaschine 26 die Drehzahl in Richtung des Gleichgewichtspunkts 117, 119, 121 oder 123 erhöhen. Falls das Fahrzeug 10 auf eine Drehzahl geringfügig über der Drehzahl, die dem relevanten Gleichgewichtspunkt 117, 119, 121 oder 123 entspricht, gestört würde, würde der Fahrwiderstand die Kraftmaschinen-Drehmomentkapazität übersteigen und würde die Kraftmaschine 26 die Drehzahl in Richtung des Gleichgewichtspunkts 117, 119, 121 oder 123 verringern.
  • In 5 sind nur vier Fahrwiderstandskurven 150, 152, 154 und 156, die vier verschiedene feste Drehzahlverhältnisse repräsentieren, zwischen der Kraftmaschinenausgangswelle 28 und der Achse 12 und dieselben Drehmomentverhältnisse zwischen der Achse 12 und der Kraftmaschinenausgangswelle 28 gezeigt. Tatsächlich gibt es ein Kontinuum von Fahrwiderstandskurven, das dem Kontinuum fester Drehzahlverhältnisse und entsprechender Drehmomentverhältnisse entspricht, die durch den Entwurf und die Konstruktion des Planetenradsatzes 40 und des Achsantriebs 50 festgesetzt werden könnten. Falls durch das Getriebe 22 oder 122 anstelle des ersten festen Drehzahlverhältnisses und des entsprechenden Drehmomentverhältnisses ein zweites festes Drehzahlverhältnis und entsprechendes Drehmomentverhältnis festgesetzt wird, erscheint der Fahrwiderstand als eine andere der besonderen parabolischen Kurven 150, 152, 154 oder 156 in 5. Das Fahrzeug 10 würde sich dann ohne Drosselung und bei feststehendem Motor-Generator 60 bei einer anderen besonderen Drehzahl stabilisieren. Für die zweite Fahrzeuggeschwindigkeit, die bei dem zweiten festen Drehzahlverhältnis (bei feststehendem Motor-Generator 60) und einem entsprechenden Drehmomentverhältnis so festgesetzt wird, dass sie die erste Fahrzeugdrehzahl, die bei dem ersten festen Drehzahlverhältnis und dem entsprechenden Drehmomentverhältnis festgesetzt wird, übersteigt, müssen das zweite Drehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschine 26 gegenüber der Drehzahl der Achse 12 und das entsprechende Drehmomentverhältnis des Drehmoments der Achse 12 gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschine 26 das erste Drehzahlverhältnis und das entsprechende Drehmomentverhältnis übersteigen. Im Allgemeinen muss der Hybridantriebsstrang 27 ein höheres Drehmoment liefern, um zu ermöglichen, dass das Fahrzeug 10 schneller fährt. In 5 liegt für eine gegebene Kraftmaschinendrehzahl 112 die Fahrwiderstandskurve, die einem höheren festen Verhältnis der Drehzahl des Kraftmaschinenausgangsglieds 28 zu dem der ersten Achse 12 und einem höheren Verhältnis des Drehmoments der ersten Achse 12 zu dem des Kraftmaschinenausgangsglieds 28 zugeordnet ist, unter der Fahrwiderstandskurve, die einem kleineren festgesetzten Verhältnis der Drehzahl des Kraftmaschinenausgangsglieds 28 zu dem der ersten Achse 12 und Verhältnis des Drehmoments der ersten Achse 12 zu dem des Kraftmaschinenausgangsglieds 28 zugeordnet ist. Das heißt, in Bezug auf das Drehzahlverhältnis und das Drehmomentverhältnis des Getriebes 22 oder 122 sind Fahrwiderstandskurven links in 5 bei niedrigeren Drehzahlverhältnissen und Drehmomentverhältnissen und sind Fahrwiderstandskurven rechts in 5 bei höheren Drehzahlverhältnissen und Drehmomentverhältnissen. Da wie oben diskutiert für eine Zahnradanordnung das Drehzahlverhältnis im Wesentlichen gleich dem Drehmomentverhältnis ist, sind die Fahrwiderstandskurven rechts in 5 bei niedrigeren Drehmomentverhältnissen des Drehmoments der ersten Achse 12 zu dem Drehmoment der Kraftmaschinenausgangswelle 28 und sind die Fahrwiderstandskurven rechts in 5 bei höheren Drehmomentverhältnissen des Drehmoments der ersten Achse 12 zum Drehmoment der Kraftmaschinenausgangswelle 28.
  • Damit sich das Fahrzeug 10 bei einer niedrigen stationären Geschwindigkeit (d. h. bei einer niedrigen Reisegeschwindigkeit) mit einem festen Drehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 gegenüber der Drehzahl der ersten Achse 12 und mit einem entsprechenden Drehmomentverhältnis stabilisiert, müsste das feste Drehzahlverhältnis verhältnismäßig niedrig sein. Da sowohl das feste Drehzahlverhältnis als auch die Drehzahl der ersten Achse 12 niedrig wären, wäre die Drehzahl des Kraftmaschinenausgangsglieds 28 relativ zu seiner Drehzahl unter anderen Bedingungen verhältnismäßig niedrig und unter der Drehzahl, bei der die Kraftmaschine 26 mit voller Drosselung arbeiten kann, eventuell sogar unter der Leerlaufdrehzahl 120 der Kraftmaschine 26. Somit gibt es eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit, unter der die Kraftmaschine 26 nicht ungedrosselt betrieben werden kann, um das Fahrzeug 10 unter Verwendung eines einfachen Getriebes, das mit irgendeinem festen Drehzahlverhältnis arbeitet, vorwärtszubewegen. Das heißt, in 5 repräsentiert der Gleichgewichtspunkt 117 auf der Fahrwiderstandskurve 150 die minimale Drehzahl, bei der die Kraftmaschine 26 ungedrosselt arbeiten kann, um das Fahrzeug ohne Verwendung eines der Motoren-Generatoren 60, 80 und der Batterie 70 vorwärtszubewegen. In 5 würde ein Drehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschine 26 gegenüber der Drehzahl der ersten Achse 12 und ein entsprechendes Drehmomentverhältnis wesentlich unter jenen der linken Fahrwiderstandskurve 150 den Bereich der Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen überhaupt nicht schneiden, was angibt, dass die Kraftmaschine 26 allein das Fahrzeug 10 im stationären Betrieb (d. h. mit einer stationären Fahrzeuggeschwindigkeit) auf ebenem Boden unter Verwendung eines Getriebedrehzahlverhältnisses unter dem der linken Fahrwiderstandskurve 150 nicht vorwärtsbewegen könnte. Stattdessen müssen das Getriebedrehzahlverhältnis und das entsprechende Drehmomentverhältnis in der Weise gewählt werden, dass die resultierende Fahrwiderstandskurve durch den Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen geht, d. h., dass wenigstens ein Abschnitt der resultierenden Fahrwiderstandskurve irgendwo durch die Linie 118 der minimalen Kraftmaschinendrehzahl geht. Gegenwärtige Fahrzeuge mit Kraftmaschinen mit Fremdzündung schließen üblicherweise die Drossel der Kraftmaschine teilweise, um den Betrieb unter der minimalen Fahrzeuggeschwindigkeit, bei der die Kraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad laufen kann, zu ermöglichen. Falls die Drosselung für den stationären Betrieb bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten verwendet wird, kann der Wirkungsgrad der Kraftmaschine erheblich in Mitleidenschaft gezogen werden, insbesondere, da der Kraftmaschinenwirkungsgrad auf null fällt, wenn die Drossel geschlossen ist. In einem Hybridfahrzeug wie etwa dem Fahrzeug 10 ermöglicht die Anwesenheit der Energiespeichervorrichtung 70 als reversible Energiequelle die Möglichkeit, den Antriebsstrang 27 mit der Kraftmaschine 26 intermittierend bei weit offener Drossel, während die Energiespeichervorrichtung 70 geladen wird, und wobei die Kraftmaschine 26 daraufhin abgeschaltet wird, zu betreiben, während die Energiespeichervorrichtung 70 entladen wird, während das Fahrzeug 10 ununterbrochen vorwärtsbewegt wird.
  • Wenn die Kraftmaschine 26 bei dem oder in der Nähe des Endes niedriger Drehzahl der Linie des besten Wirkungsgrads 144 betrieben wird und das Getriebe 22 oder 122 bei dem Drehzahlverhältnis, bei dem der Motor-Generator 60 eine Drehzahl von null oder nahezu null aufweist (d. h., bei dem Drehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 gegenüber der Drehzahl der Achse 12, bei dem das Sonnenradglied 42 feststehend ist), betrieben wird, stabilisiert sich das Fahrzeug 10 auf der Grundlage des Drehmomentverhältnisses des Drehmoments an der ersten Achse 12 gegenüber dem Drehmoment von der Kraftmaschine 26, das durch den Differentialzahnradsatz 40 und durch den Achsantrieb 50 festgesetzt wird, bei einer bestimmten stationären Geschwindigkeit (d. h. bei einer Reisegeschwindigkeit) auf ebener Straße und unter normalen Bedingungen. Bei höheren Fahrzeugreisegeschwindigkeiten muss der Antriebsstrang 27 angesichts dessen, dass beide Achsen 12 und 16 und das Getriebe 22 oder 122 ein höheres Drehzahlverhältnis für den stationären Betrieb (d. h. eine konstante Fahrzeuggeschwindigkeit) liefern müssen, mehr Drehmoment liefern. Dies erfordert, dass der Motor-Generator 60 als ein Generator arbeitet, der sich mit einer von null verschiedenen Drehzahl dreht, und Elektrizität erzeugt. In 1 und 3 dreht sich der Motor-Generator 60 mit einer positiven Drehzahl in derselben Richtung wie das auf ihn ausgeübte Drehmoment vorwärts, um ein höheres Getriebedrehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 zu der Drehzahl der ersten Achse 12 (und ein entsprechend höheres Getriebedrehmomentverhältnis des Drehmoments der ersten Achse 12 gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschinenausgangswelle 28) zu ermöglichen. In 2 und 4 dreht sich der Motor-Generator 60 mit einer negativen Drehzahl, aber immer noch in derselben Richtung wie das auf ihn ausgeübte Drehmoment rückwärts, um ein höheres Getriebedrehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 zu der Drehzahl der ersten Achse 12 zu ermöglichen. Der Motor-Generator 60 erzeugt Elektrizität und der Controller 64 leitet diese Elektrizität durch die Kabel 62 zu dem Motor-Generator 80 und steuert den Motor-Generator 80, damit er als ein Motor arbeitet, um ein Drehmoment auf die Achse 14 auszuüben, um das Fahrzeug 10 vorwärtsbewegen zu helfen.
  • Bei niedrigeren Fahrzeugdrehzahlen muss das Getriebe 22 oder 122 durch ähnliche Drehung des Motor-Generators 60, der als ein Generator wirkt, ebenfalls ein höheres Drehzahlverhältnis von dem Kraftmaschinenausgangsglied 28 zu der ersten Achse 12 (und ein entsprechend höheres Getriebedrehmomentverhältnis des Drehmoments der ersten Achse 12 gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschinenausgangswelle 28) liefern, um zu verhindern, dass die Kraftmaschine 26 unter ihrer minimalen Kraftmaschinendrehzahl 118 in dem Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen arbeitet. Der Motor-Generator 60 erzeugt Elektrizität und der Controller 64 leitet diese Elektrizität durch die Kabel 62 zu der Energiespeichervorrichtung 70 und lädt dadurch die Energiespeichervorrichtung 70. Bei einer stationären niedrigeren Geschwindigkeit ohne Neigung oder Wind erfordert das einzige, feste Drehmomentverhältnis des Getriebes 22 oder 122, dass die Kraftmaschine 26 mit weniger Ausgangsdrehmoment arbeitet. Falls die Kraftmaschine 26 eine Kraftmaschine mit Fremdzündung ist, die nicht zum Abschalten einiger oder aller ihrer Zylinder 90 ausgestattet ist, erfordert dieses niedrigere Drehmoment eine Drosselung oder ihr Äquivalent, was den Wirkungsgrad verringert. Falls die Kraftmaschine 26 eine Kraftmaschine mit Fremdzündung ist, die zum Abschalten einiger ihrer Zylinder 90 ausgestattet ist, können die verbleibenden Zylinder 90 ungedrosselt betrieben werden, was dazu neigt, den hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten. Falls die Kraftmaschine 26 eine Kraftmaschine mit Selbstzündung wie etwa eine Dieselkraftmaschine ist, kann sie unter diesen Bedingungen mit niedrigerer Drehmomentausgabe und einer kleineren Verringerung des Wirkungsgrads als eine herkömmliche fremdgezündete Kraftmaschine arbeiten, da sie ungedrosselt ist.
  • Bei einem vorgegebenen maximalen Ladezustand der Energiespeichervorrichtung 70 schaltet der Controller 64 daraufhin die Kraftmaschine 26 ab, rückt er die Kupplung 68 aus und steuert er den Motor-Generator 80 dafür, als ein Motor zu fungieren, die Energiespeichervorrichtung zu entladen und das Fahrzeug 10 vorwärtszubewegen. Wenn die Energiespeichervorrichtung 70 einen vorgegebenen minimalen Ladezustand erreicht, rückt der Controller 64 die erste Bremse 66 ein und steuert er den Motor-Generator 60 dafür, als ein Motor zum Starten der Kraftmaschine 26 zu fungieren, und löst er daraufhin die Bremse 66 und rückt er die Kupplung 68 ein, damit die Kraftmaschine 26 das Fahrzeug wieder vorwärtsbewegt, wobei der Motor-Generator 60 wieder durch den Controller 64 gesteuert wird, um als ein Generator zu fungieren, so dass das höhere erforderliche Drehzahlverhältnis des Getriebes 22 oder 122 bereitgestellt wird. Das heißt, während das Fahrzeug mit niedrigen Fahrzeugreisegeschwindigkeiten fährt, läuft die Kraftmaschine 26 intermittierend. Das Ausrücken der Bremse 66 und das Einrücken der Kupplung 68 können synchron erfolgen, so dass die Bremse 68 und die Kupplung 66 Klauenkupplungen sein können, obwohl sie stattdessen Scheibenkupplungen sein können.
  • Somit wird während der Vorwärtsbewegung durch den Hybridantriebsstrang 27 kein Betriebszustand erreicht, bei dem der Motor-Generator 60 als ein Motor betrieben werden muss, um das richtige Drehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 zu der Drehzahl der ersten Achse 12 für den Betrieb mit dem vorgegebenen Kraftmaschinenwirkungsgrad wie etwa entlang der Kurve 144 des besten Wirkungsgrads und ohne dass die Drehzahl der Kraftmaschine 26 ihre minimale Drehzahl in dem Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen unterschreitet aufrechtzuerhalten. Somit braucht der Motor-Generator 80 nie als ein Generator zu arbeiten, um elektrische Leistung an den Motor-Generator 60 zu liefern, und wird die Hinterachse 16 somit das Fahrzeug 10 nie verzögern, während es mit einem auf die erste Achse 12 ausgeübten Vorwärtsdrehmoment angetrieben wird. Dieser Zustand eines Gegendrehmoments ist einer Leistungsschleife ”durch die Straße” zugeordnet, da der Motor-Generator 80 das Drehmoment bei der Achse 14 (d. h. das durch die Straße gelieferte Drehmoment bei den Rädern 18) verwenden müsste, das die gewünschte Bewegung des Fahrzeugs 10 bremsen würde, um Drehmoment zuzuführen, um zu ermöglichen, dass der Motor-Generator 80 als ein Generator fungiert. Optional könnte der Controller 64 den Motor-Generator 80 dafür steuern, als ein Generator zu fungieren, der diesen Zustand eines Gegendrehmoments erzeugt, wenn das Fahrzeug 10 bergab fährt oder verlangsamt, was Situationen sind, bei denen ein bestimmter Betrag an Verzögerungsdrehmoment erwünscht sein kann, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 aufrechtzuerhalten. Da der Antriebsstrang 27 spezifisch mit dem wie in dem Getriebe 22 oder in dem alternativen Getriebe 122 angeordneten Planetenradsatz 40 und mit einer bestimmten Wahl von Übersetzungsverhältnissen in dem Planetenradsatz 40 und in dem ersten Achsantrieb 50, die dem stationären Betrieb des Fahrzeugs (d. h. dem Betrieb mit einer konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit) mit einem vorgegebenen Kraftmaschinenwirkungsgrad und über einen Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen entspricht, ausgelegt ist, braucht der Motor-Generator 60 allerdings nie als ein Motor zu fungieren, wenn die Kraftmaschine 26 mit der ersten Achse 12 funktional verbunden ist und sie antreibt, und wird der Motor-Generator 80 somit nie dafür gesteuert, als ein Generator zu fungieren.
  • In einer beispielhaften nichteinschränkenden Ausführungsform werden die Anordnung des Planetenradsatzes 40, die Anzahl der Zähne an dem Sonnenradglied 42, an dem Hohlradglied 44 und an den Planetenrädern 47 und das Übersetzungsverhältnis des Achsantriebs 50 in dem Entwurf des Hybridgetriebes 22 oder 122 so gewählt, dass sie zu einem Drehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 gegenüber der Drehzahl der Achse 12 von 1,07, wenn der Motor-Generator 60 stillsteht, und zu einem Drehmomentverhältnis des Drehmoments an der Achse 12 gegenüber dem Drehmoment an dem Eingangsglied 32 von näherungsweise 1,07 führen, wobei diese Verhältnisse einer Fahrwiderstandskurve 150 für das Fahrzeug 10 entsprechen. Somit kann das Fahrzeug 10 durch die Kraftmaschine 26, die während Reisegeschwindigkeitsbedingungen ungedrosselt betrieben wird, entsprechend der Fahrwiderstandskurve 150 bei einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 auf der Grundlage der Drehzahl der Kraftmaschine 26 bei dem Punkt, bei dem die Drehmomentkurve 119 die Fahrwiderstandskurve 150 trifft, und bei diesem Drehzahlverhältnis vorwärtsbewegt werden. Da die Linie des besten Wirkungsgrads 144 nahegelegen ist, kann das Fahrzeug 10 alternativ durch die Kraftmaschine 26, die ununterbrochen und mit einem vorgegebenen Wirkungsgrad, d. h. mit ihrem maximalen Wirkungsgrad, betrieben wird, bei dieser Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 und angetrieben durch die erste Achse 12 vorwärtsbewegt werden. Unter dieser Fahrzeuggeschwindigkeit kann die Kraftmaschine 26 intermittierend laufen, wobei sich der erste Motor-Generator 60 als ein Generator dreht, um das Drehzahlverhältnis über den Planetenradsatz 40 und das Getriebe 22 oder 122 zu erhöhen, wobei die Elektrizität durch den Controller 64 umgesetzt und in der Batterie 70 gespeichert wird, wobei die Kraftmaschine 26 bei ihrer minimalen Drehzahl 118 und unter ihrem ungedrosselten Zustand unter Verwendung aller ihrer Zylinder 90 arbeitet und das Fahrzeug durch die erste Achse 12 angetrieben wird. Oberhalb dieser Fahrzeuggeschwindigkeit kann die Kraftmaschine 26 ununterbrochen und ungedrosselt laufen, wobei sich der erste Motor-Generator 60 als ein Generator dreht, um gleichfalls das Drehzahlverhältnis und die von dem zweiten Motor-Generator 80 verwendete Elektrizität zu erhöhen, und wobei das Fahrzeug durch eine Kombination der ersten Achse 12 und der zweiten Achse 16 angetrieben wird.
  • 6 ist ein Kraftmaschinenbetriebsdiagramm derselben Kraftmaschine 26 mit Fremdzündung, die das Kraftmaschinenbetriebsdiagramm aus 5 aufweist, unter der Annahme, dass die Kraftmaschine 26 mit wahlweiser Zylinderabschaltung betrieben werden kann und dass der Controller 64 zum wahlweisen Abschalten einiger der Kraftmaschinenzylinder 90 aus 1 konfiguriert ist. 6 ist eine graphische Darstellung des Kraftmaschinendrehmoments bei der Kraftmaschinenausgangswelle 28 in Prozent des maximalen Drehmoments auf der vertikalen Achse 110 gegenüber der Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 in Umdrehungen pro Minute (min–1) auf der horizontalen Achse 112. Kraftmaschinen, die mehrere Arbeitsräume wie etwa Zylinder oder Rotoren aufweisen, können so konfiguriert sein, dass das Arbeitsfluid in einige der Kammern selektiv eingelassen wird, in andere jedoch nicht, um das Drehmoment der Kraftmaschine zu verringern, ohne das Nettoausdehnungsverhältnis des Arbeitsfluids, das durch die Kraftmaschine vorrückt, zu verringern. Das mechanische Betreiben aller Kammern, selbst jener, in die kein Arbeitsfluid eingelassen oder von ihnen ausgestoßen wird, hält den Pegel der mechanischen Reibung in einer solchen Kraftmaschine im Wesentlichen gleich, während es ihre Ausgabe verringert, was ihren Wirkungsgrad im Vergleich zu dem Betrieb mit allen Kammern in Verwendung bei demselben Nettoausdehnungsverhältnis etwas verringert. Allerdings ist die Verringerung des Wirkungsgrads davon, dass einige Kammern selektiv ungedrosselt betrieben werden, während andere vollständig abgeschaltet sind, kleiner als die Verringerung des Wirkungsgrads von der Drosselung aller Arbeitszylinder. Bei einer Kraftmaschine, die dafür ausgestattet ist, selektiv Arbeitsfluid nur in einige der Arbeitsräume wie etwa nur in einige der Zylinder 90 der Kraftmaschine 26 einzulassen, können das Drehmomentverhältnis des Drehmoments an der ersten Achse 12 gegenüber dem Drehmoment von der Kraftmaschinenausgangswelle 28 und das entsprechende Drehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 gegenüber der Drehzahl der ersten Achse 12, wenn der Motor-Generator 60 feststehend ist, in dem Entwurf des Antriebsstrangs 27 so gewählt werden, dass ein Betrieb mit weit offener Drossel der Kraftmaschine 26 an einer bestimmten Anzahl von Zylindern zugelassen ist. Falls der Zylinder 26 als ein nichteinschränkendes Beispiel wie in 1 gezeigt vier Zylinder 90 aufweist, liegt eine Linie 214 des maximalen Drehmoments, das von der Kraftmaschine 26 während der Zylinderabschaltung verfügbar ist (in 6 gezeigt), bei einem wesentlich niedrigeren Drehmoment (etwa der Hälfte) als dem der Linie 114 aus 5, bei der alle Zylinder 90 aktiviert sind. Die Niveaulinien des Kraftmaschinenwirkungsgrads 224, 226, 228, 230, 232, 234, 236, 238, 240, 242 und 244 liegen gegenüber demselben Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen ebenfalls bei niedrigeren Kraftmaschinendrehmomenten.
  • Die Linie 244 des besten Wirkungsgrads bei wahlweisem Betrieb nur zweier der vier Zylinder 90 mit weit offener Drossel und bei der minimalen Fahrzeuggeschwindigkeit für Dauerbetrieb der Kraftmaschine 26 bei maximalem Betrieb mit nur jenen zwei Zylindern ermöglicht, das Getriebe 22 oder 122 mit einem höheren Getriebedrehmomentverhältnis (d. h. dem Drehmomentverhältnis des Drehmoments der ersten Achse 12 gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschinenausgangswelle 28 mit dem Motor-Generator 60 bei einer im Wesentlichen feststehenden Drehzahl, bei der die elektrische Nettoleistung weder erzeugt noch verbraucht wird) wie etwa mit dem Drehzahlverhältnis, das der Fahrwiderstandskurve 152 zugeordnet ist, als das Getriebedrehmomentverhältnis, das für einen ähnlichen vorgegebenen Kraftmaschinenwirkungsgrad ausgewählt wird, wenn alle Zylinder 90 aktiviert sind (wobei in diesem Fall z. B. das niedrigere Getriebedrehmomentverhältnis ausgewählt wird, das der Fahrwiderstandskurve 150 zugeordnet ist), zu entwerfen, um den Kraftmaschinendauerbetrieb bei stationärem Zustand über den vollen Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen (1000 min–1 bis 5000 min–1) zu ermöglichen.
  • 7 ist eine graphische Darstellung des Kraftmaschinendrehmoments bei der Kraftmaschinenausgangswelle 28 auf der vertikalen Achse 210 in Prozent des maximalen Ausgangsdrehmoments in Abhängigkeit von der Kraftmaschinendrehzahl in Umdrehungen pro Minute (min–1) bei der Kraftmaschinenausgangswelle 28 auf der horizontalen Achse 212. 7 widerspiegelt Betriebscharakteristiken der Kraftmaschine 26 unter der Annahme, dass die Kraftmaschine 26 eine Kraftmaschine mit Selbstzündung wie etwa eine Dieselkraftmaschine ist. Eine Kraftmaschine mit Selbstzündung wird üblicherweise nicht gedrosselt und weist somit über einen weiten Bereich von Kraftmaschinen-Betriebsdrehmomenten, der in der Nähe einer Kurve 314 des maximalen Drehmoments und einer Kurve 344 des besten Drehmoments durch die Wirkungsgradniveaulinien 324, 326, 328, 330, 332, 334, 336, 338, 340, 342, 344, die in verhältnismäßig gleichmäßigen Inkrementen beabstandet sind, und mit schnell abnehmendem Wirkungsgrad in der Nähe des Drehmoments null, widerspiegelt wird, ein Kraftmaschinenwirkungsgrad-Kennfeld mit einem verhältnismäßig konstanten Wirkungsgrad auf. Das Getriebe 22 oder 122, das mit einem gegebenen Drehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschinenausgangswelle 28 gegenüber der Drehzahl der Achse 12 (unter der Annahme, dass der Motor-Generator 60 feststehend ist) und einem entsprechenden Drehmomentverhältnis ausgelegt ist, trifft beim Liefern eines Drehmoments über den Bereich von Kraftmaschinenbetriebsdrehzahlen auf weniger des effizienten Betriebsbereichs der Kraftmaschine 26. Wie durch die Fahrwiderstandslinie 154 in 5 dargestellt ist, ermöglicht z. B. die Fahrwiderstandslinie 154, die ein Drehzahlverhältnis von 2,09 widerspiegelt, bei Fahrt mit stationärer Reisegeschwindigkeit bei Kraftmaschinendrehzahlen zwischen 1000 min–1 und 2500 min–1 ein effizienteres Kraftmaschinenverhalten als dasselbe Drehzahlverhältnis, das für eine Kraftmaschine mit Fremdzündung gewählt worden ist. Somit können ein höheres Getriebedrehzahlverhältnis und ein entsprechendes Drehmomentverhältnis gewählt werden, wenn die Kraftmaschine 26 eine Dieselkraftmaschine ist, als wenn die Kraftmaschine 26 eine Kraftmaschine mit Fremdzündung ist, ohne den Kraftmaschinenwirkungsgrad zu opfern, was den Vorteil besitzt, dass von der Kraftmaschine 26 an der ersten Achse 12 ein höheres Drehmoment verfügbar ist, und dass weniger Notwendigkeit besteht, sich zum Liefern eines Drehmoments für die Beschleunigung und für die Bergauffahrt auf den Motor-Generator 80 zu stützen.
  • Die Konfiguration des Antriebsstrangs 27 ermöglicht eine effiziente Erholung von Radschleudern. Genauer ist der Controller 64 wie etwa durch Drehmomentsensoren, die an den Achsen 12, 16 angeordnet sind, dafür konfiguriert, Betriebsparameter zu empfangen, die ein Radschleudern angeben. Im Fall eines Radschleuderns an einem der Vorderräder 14, das als eine plötzliche Verringerung des Drehmoments an der Radachse 12 widerspiegelt wird, kann der Controller 64 auf das andere der Vorderräder 14 ein Drehmoment ausüben, indem er ein Bremsbefehlssignal erzeugt, um einen geeigneten Grad des Eingriffs des Reibungsbremsenmechanismus 20 auf das eine gleitende der Vorderräder 14 zu veranlassen. Der vordere Motor-Generator 60 kann ein Gegendrehmoment an den Planetenradsatz 40 liefern, um zu ermöglichen, dass die Kraftmaschine 26 die Vorderräder 14 antreibt, und als ein Generator wirkt, um dem hinteren Motor-Generator 80 elektrische Leistung zuzuführen, um die Hinterräder anzutreiben. Unter diesen Bedingungen und falls beide Vorderräder 14 schleudern, kann die Anwendung beider der vorderen Reibungsbremsenmechanismen 20 verwendet werden, um das Drehmoment auf den vorderen Motor-Generator 60 zu erhöhen und dadurch den Leistungsfluss zu dem hinteren Motor-Generator 80 und das zum Antreiben des Fahrzeugs 10 zugeführte Drehmoment zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich kann der Controller 64 veranlassen, dass elektrische Leistung von der Energiespeichervorrichtung 70 zu dem Motor-Generator 80 strömt, und den Motor-Generator 80 dafür steuern, als ein Motor zu fungieren, um dadurch bei der Hinterachse 16 ein zusätzliches Drehmoment auszuüben, das bei der Erholung der Traktion durch das Fahrzeug 10 hilft. Nochmals weiter kann der Controller 64 außer den obigen Schleudererholungsaktionen oder alternativ zu den obigen Aktionen das Ausrücken der ersten Kupplung 68, das Einrücken der ersten Bremse 66, das Verringern des Drehmoments der Kraftmaschinenausgangswelle 28 und das Erhöhen ihrer Drehzahl, während der Motor-Generator 60 dafür gesteuert wird, als ein Generator zu fungieren, der elektrische Leistung an den Motor-Generator 80 sendet, der dafür gesteuert wird, als ein Motor zu fungieren, veranlassen. Auf diese Weise wird Drehmoment von den schleudernden Rädern 14 und von der Achse 12 entfernt und auf die Achse 16 ausgeübt.
  • Falls der Controller 64 bestimmt, dass eines oder beide Räder 18 schleudert, ist der Controller 64 ähnlich dafür konfiguriert, Schleudererholungsaktionen zu unternehmen, die bei der Erholung der Traktion des Fahrzeugs 10 helfen. Zum Beispiel kann der Controller 64 durch den Motor-Generator 60 erzeugte Leistung anstatt zu dem Motor-Generator 80 zu der Energiespeichervorrichtung 70 leiten, um das auf die Räder 18 ausgeübte Drehmoment zu verringern. Alternativ oder zusätzlich kann der Controller 64 dadurch, dass er ein Bremsbefehlssignal erzeugt, um einen geeigneten Grad des Eingriffs des Reibungsbremsenmechanismus 20 an den Rädern 14 und/oder 18 zu veranlassen, ein Drehmoment auf die Räder 14 und/oder 18 ausüben. Das durch wahlweises Einrücken des Reibungsbremsenmechanismus 20 auf die Räder 14 und dadurch auf die Achse 12 ausgeübte Drehmoment kann das Schleudern der Räder 14 verhindern, während es vorübergehend das Drehmoment von der Kraftmaschine 26 und das Drehmoment an dem Motor-Generator 60 und die Leistungsausgabe von dem Motor-Generator 60 aufrechterhält.
  • Während die besten Ausführungsarten der vielen Aspekte der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich diese Lehren beziehen, verschiedene alternative Aspekte, die im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche liegen, um die vorliegenden Lehren zu verwirklichen.

Claims (10)

  1. Hybridfahrzeug, das eine erste Achse und eine zweite Achse aufweist, umfassend: eine Kraftmaschine, die wenigstens einen Arbeitsraum aufweist, der zum Ausdehnen eines Arbeitsfluids betrieben werden kann; ein elektrisches Getriebe, das enthält: einen Differentialzahnradsatz, der ein erstes Glied, ein zweites Glied und ein drittes Glied aufweist; einen ersten Achsantrieb; und eine erste elektrische Arbeitsmaschine; wobei die Kraftmaschine zur gemeinsamen Drehung mit dem ersten Glied verbunden ist, wobei die erste elektrische Arbeitsmaschine zur gemeinsamen Drehung mit dem zweiten Glied verbunden ist und wobei das dritte Glied über den ersten Achsantrieb mit der ersten Achse funktional verbunden werden kann, ein elektrisches Antriebsmodul, das eine zweite elektrische Arbeitsmaschine enthält, die die über einen zweiten Achsantrieb mit der zweiten Achse funktional verbunden werden kann; wobei der Differentialzahnradsatz und der erste Achsantrieb zum Festsetzen eines einzigen festen Drehmomentverhältnisses des Drehmoments der ersten Achse gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschine konfiguriert sind; wobei das einzige feste Drehmomentverhältnis dasjenige ist, bei dem der wenigstens eine Arbeitsraum ohne Drosselung arbeitet, ohne dass das Drehmoment von der Kraftmaschine ein Drehmoment, das zum Vorwärtsbewegen des Fahrzeugs mit einer stationären Fahrzeuggeschwindigkeit notwendig ist, übersteigt und wobei die zweite elektrische Arbeitsmaschine freiläuft.
  2. Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine erste Kupplung, die wahlweise eingerückt werden kann, um das dritte Glied mit dem ersten Achsantrieb zu verbinden; wobei der Differentialzahnradsatz und der erste Achsantrieb mit der ersten Kupplung, die eingerückt ist, und mit der ersten elektrischen Arbeitsmaschine, die feststehend ist, ein festes Drehzahlverhältnis der Drehzahl der Kraftmaschine gegenüber der Drehzahl der ersten Achse festsetzen; wobei die Kraftmaschine mit einer vorgegebenen minimalen Drehzahl arbeitet, die für das stationäre Kraftmaschinendrehmoment bei dem festen Drehzahlverhältnis und bei der stationären Fahrzeuggeschwindigkeit erforderlich ist.
  3. Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine erste Kupplung, die wahlweise eingerückt werden kann, um das dritte Glied mit dem ersten Achsantrieb zu verbinden; eine erste Bremse, die wahlweise eingerückt werden kann, um das dritte Glied zu einem feststehenden Glied auf Masse festzulegen; und einen elektronischen Controller, der mit den elektrischen Arbeitsmaschinen, mit der ersten Kupplung, mit der ersten Bremse und mit der Kraftmaschine funktional verbunden ist; wobei der Controller dafür konfiguriert ist, die erste elektrische Arbeitsmaschine als einem Generator zu betreiben und die zweite elektrische Arbeitsmaschine als einen Motor zu betreiben, der durch die erste elektrische Arbeitsmaschine gelieferte Leistung in einem eingangsleistungsverzweigten Zweiachsantriebs-Betriebsmodus verwendet, wobei der wenigstens eine Arbeitsraum bei Fahrzeuggeschwindigkeiten über der stationären Fahrzeuggeschwindigkeit ungedrosselt arbeitet.
  4. Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine erste Kupplung, die wahlweise eingerückt werden kann, um das dritte Glied mit dem ersten Achsantrieb zu verbinden; eine erste Bremse, die wahlweise eingerückt werden kann, um das dritte Glied zu einem feststehenden Glied auf Masse festzulegen; einen elektronischen Controller, der mit den elektrischen Arbeitsmaschinen, mit der ersten Kupplung, mit der ersten Bremse und mit der Kraftmaschine funktional verbunden ist; eine Energiespeichervorrichtung; wobei der Controller dafür konfiguriert ist, bei Fahrzeuggeschwindigkeiten unter der stationären Fahrzeuggeschwindigkeit zu schalten zwischen: (i) Betreiben der ersten elektrischen Arbeitsmaschine als ein Generator, der an die Energiespeichervorrichtung oder an die zweite elektrische Arbeitsmaschine Leistung liefert, wobei der wenigstens eine Arbeitsraum ungedrosselt arbeitet, und (ii) Abschalten der Kraftmaschine und Betreiben der zweiten elektrischen Arbeitsmaschine als ein Motor in einem rein elektrischen Betriebsmodus mit Antrieb der zweiten Achse.
  5. Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Arbeitsraum mehrere Arbeitsräume enthält und wobei das Hybridfahrzeug ferner umfasst: eine erste Kupplung, die wahlweise eingerückt werden kann, um das dritte Glied mit dem ersten Achsantrieb zu verbinden; eine erste Bremse, die wahlweise eingerückt werden kann, um das dritte Glied zu einem feststehenden Glied auf Masse festzulegen; einen elektronischen Controller, der mit den elektrischen Arbeitsmaschinen, mit der ersten Kupplung, mit der ersten Bremse und mit der Kraftmaschine funktional verbunden ist; wobei der Controller dafür konfiguriert ist, zwischen dem wahlweisen Betreiben aller der mehreren Arbeitsräume und dem wahlweisen Betreiben nur einer vorgegebenen Anzahl der mehreren Arbeitsräume, die kleiner als alle der mehreren Arbeitsräume ist, zu schalten; und wobei das einzige feste Drehmomentverhältnis auf der Grundlage des Kraftmaschinenbetriebs nur mit der vorgegebenen Anzahl der mehreren Arbeitsräume bestimmt wird.
  6. Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Kraftmaschine eine Kraftmaschine mit Selbstzündung ist.
  7. Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine erste Kupplung, die wahlweise eingerückt werden kann, um das dritte Glied mit dem ersten Achsantrieb zu verbinden; eine erste Bremse, die wahlweise eingerückt werden kann, um das dritte Glied zu einem feststehenden Glied auf Masse festzulegen; und einen elektronischen Controller, der mit den elektrischen Arbeitsmaschinen, mit der ersten Kupplung, mit der ersten Bremse und mit der Kraftmaschine funktional verbunden ist; wobei der Controller dafür konfiguriert ist, wahlweise nur die erste Bremse einzurücken und die erste elektrische Arbeitsmaschine als einen Motor zum Starten der Kraftmaschine zu betreiben, wenn durch die zweite elektrische Arbeitsmaschine, die als ein Motor in einem rein elektrischen Betriebsmodus mit Antrieb der zweiten Achse arbeitet, eine Vorwärtsbewegung in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs geliefert wird, wobei die Vorwärtsbewegung in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs dadurch ungestört ist, wenn die Kraftmaschine gestartet wird.
  8. Hybridfahrzeug, das eine erste Achse und eine zweite Achse aufweist, wobei das Hybridfahrzeug umfasst: eine Kraftmaschine; ein elektrisches Getriebe, das enthält: einen Differentialzahnradsatz, der ein erstes Glied, ein zweites Glied und ein drittes Glied aufweist; einen ersten Achsantrieb; und eine erste elektrische Arbeitsmaschine; wobei die Kraftmaschine zur gemeinsamen Drehung mit dem ersten Glied verbunden ist, wobei die erste elektrische Arbeitsmaschine zur gemeinsamen Drehung mit dem zweiten Glied verbunden ist und wobei das dritte Glied über den ersten Achsantrieb mit der ersten Achse funktional verbunden werden kann; ein elektrisches Antriebsmodul, das eine zweite elektrische Arbeitsmaschine enthält, die die über einen zweiten Achsantrieb mit der zweiten Achse funktional verbunden werden kann; wobei das elektrische Getriebe dafür konfiguriert ist, ein festes Drehmomentverhältnis des Drehmoments der ersten Achse gegenüber dem Drehmoment der Kraftmaschine festzusetzen; wobei die Kraftmaschine ohne Drosselung arbeitet und wobei das elektrische Getriebe bei dem festen Drehmomentverhältnis arbeitet, um das Fahrzeug bei einer ersten stationären Fahrzeuggeschwindigkeit vorwärtszubewegen, wobei die zweite elektrische Arbeitsmaschine freiläuft; und wobei die Kraftmaschine ohne Drosselung arbeitet und wobei das elektrische Getriebe mit dem festen Drehmomentverhältnis arbeitet, um das Fahrzeug mit einer zweiten stationären Fahrzeuggeschwindigkeit vorwärtszubewegen, wobei die erste elektrische Arbeitsmaschine als ein Generator wirkt und wobei die zweite elektrische Arbeitsmaschine als ein Motor zum Vorwärtsbewegen des Fahrzeugs wirkt.
  9. Hybridfahrzeug nach Anspruch 8, wobei die zweite stationäre Fahrzeuggeschwindigkeit wenigstens doppelt so groß wie die erste stationäre Fahrzeuggeschwindigkeit ist.
  10. Hybridfahrzeug nach Anspruch 8, wobei die erste elektrische Arbeitsmaschine dafür konfiguriert ist, nur als ein Generator betrieben werden zu können.
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