DE112007001230B4 - Elektrisch verstellbares Getriebe mit zwei Planetenradsätzen und mehreren festen Verhältnissen - Google Patents

Elektrisch verstellbares Getriebe mit zwei Planetenradsätzen und mehreren festen Verhältnissen Download PDF

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John A. Diemer
Alan G. Holmes
James D. Hendrickson
Joshua E. Lehrmann
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Abstract

Elektrisch verstellbares Getriebe (14; 214; 314), umfassend: ein Antriebselement (17) zur Aufnahme von Leistung von einer Maschine (12); ein Abtriebselement (19); einen ersten und zweiten Motor/Generator (MG1; MG2); einen ersten und zweiten Planetenradsatz (20, 30; 220, 230; 320, 330), die jeweils ein erstes, zweites und drittes Element (22, 24, 26, 32, 34, 36; 222, 224, 226, 232, 234, 236; 322, 324, 326, 332, 334, 336) aufweisen, die jeweils ein Sonnenrad (22, 32; 222, 232; 322, 332), ein Hohlrad (24, 34; 224, 234; 324, 334) und einen Träger (26, 36; 226, 236; 326, 33) des jeweiligen Planetenradsatzes (20, 30; 220, 230; 320, 330) bilden; wobei das Abtriebselement (19) ständig mit einem Element (36; 236; 334) des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator (MG1) ständig mit einem Element (22; 222; 322) des ersten Planetenradsatzes (20, 220) verbunden ist oder selektiv über eine Klauenkupplung (392) mit einem Element (322, 334) des ersten oder zweiten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der zweite Motor/Generator (MG2) ständig mit einem Element (24; 226; 324) des ersten oder zweiten Planetenradsatzes (20; 220; 320) verbunden ist; und eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung (50, 52, 54, 55, 57; 250, 252, 254, 255, 257; 350, 352, 354, 355, 357) zum selektiven Verbinden der Elemente des ersten und zweiten Planetenradsatzes mit dem Antriebselement (17), mit einem feststehenden Element (60; 260; 360) oder mit anderen Elementen der Planetenradsätze, wobei die erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung einrückbar sind, um ein elektrisch verstellbares Getriebe ...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft elektrisch verstellbare Getriebe mit selektivem Betrieb in Leistungsverzweigungsbereichen mit variablem Drehzahlverhältnis sowie in festen Drehzahlverhältnissen, das zwei Planetenradsätze, zwei Motoren/Generatoren und bis zu sechs Drehmomentübertragungseinrichtungen aufweist.
  • Brennkraftmaschinen, insbesondere jene von der Art mit hin- und hergehendem Kolben, treiben gegenwärtig die meisten Fahrzeuge an. Derartige Maschinen sind relativ effiziente, kompakte, leichte und kostengünstige Mechanismen, durch die hochkonzentrierte Energie in der Form von Kraftstoff in mechanische Nutzleistung umgewandelt wird. Ein neuartiges Getriebesystem, das mit Brennkraftmaschinen verwendet werden kann und das den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen von Verunreinigungen vermindern kann, kann für die Allgemeinheit von großem Nutzen sein.
  • Die breite Vielfalt in den Anforderungen, die Fahrzeuge typischerweise an Brennkraftmaschinen stellen, erhöht den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen über den Idealfall für derartige Maschinen hinaus. Typischerweise wird ein Fahrzeug von solch einer Maschine angetrieben, die durch einen kleinen Elektromotor und relativ kleine elektrische Speicherbatterien aus einem kalten Zustand gestartet wird, und die dann schnell unter die Lasten von Antriebs- und Zusatzausrüstung gesetzt wird. Eine derartige Maschine wird auch durch einen breiten Bereich von Drehzahlen und einen breiten Bereich von Lasten und typischerweise mit einem Durchschnitt von ungefähr einem Fünftel ihrer maximalen Ausgangsleistung betrieben.
  • Ein Fahrzeuggetriebe liefert typischerweise mechanische Leistung von einer Maschine an den Rest eines Antriebssystems, wie ein festes Achsantriebsgetriebe, Achsen und Räder. Ein typisches mechanisches Getriebe erlaubt eine gewisse Freiheit im Maschinenbetrieb, und zwar gewöhnlich durch alternative Auswahl von fünf oder sechs unterschiedlichen Antriebsübersetzungsverhältnissen, eine Neutralauswahl, die zulässt, dass die Maschine Nebenaggregate bei stehendem Fahrzeug betreiben kann, und Kupplungen oder einen Drehmomentwandler für glatte Übergänge zwischen Antriebsübersetzungsverhältnissen und um das Fahrzeug aus der Ruhe bei drehender Maschine zu starten. Die Getriebegangauswahl lässt typischerweise zu, dass Leistung von der Maschine an den Rest des Antriebssystems mit einem Verhältnis von Drehmomentvervielfachung und Drehzahlreduktion, mit einem Verhältnis von Drehmomentreduktion und Drehzahlvervielfachung, das als Overdrive bekannt ist, oder mit einem Rückwärtsübersetzungsverhältnis abgegeben werden kann.
  • Ein elektrischer Generator kann mechanische Leistung von der Maschine in elektrische Leistung umwandeln, und ein Elektromotor kann diese elektrische Leistung zurück in mechanische Leistung mit unterschiedlichen Drehmomenten und Drehzahlen für den Rest des Fahrzeugantriebssystems umwandeln. Diese Anordnung erlaubt eine kontinuierliche Veränderung im Verhältnis von Drehmoment und Drehzahl zwischen der Maschine und dem Rest des Antriebssystems innerhalb der Grenzen der elektrischen Maschinerie. Eine elektrische Speicherbatterie, die als Leistungsquelle für den Antrieb verwendet wird, kann dieser Anordnung hinzugefügt werden, wodurch ein Reihenhybrid-Elektroantriebssystem gebildet wird.
  • Das Reihenhybridsystem lässt zu, dass die Maschine mit einer gewissen Unabhängigkeit von dem Drehmoment, der Drehzahl und der Leistung, die erforderlich sind, um ein Fahrzeug anzutreiben, arbeiten kann, so dass die Maschine auf verbesserte Emissionen und einen verbesserten Wirkungsgrad hin gesteuert werden kann. Dieses System lässt zu, dass der Elektromotor, der an der Maschine angebracht ist, als Motor zum Anlassen der Maschine wirkt. Dieses System lässt auch zu, dass der Elektromotor, der an dem Rest des Antriebsstrangs angebracht ist, als Generator wirkt, wobei Energie aus dem Verlangsamen des Fahrzeugs in der Batterie durch regeneratives Bremsen zurückgewonnen wird. Ein Reihenelektroantrieb hat Probleme hinsichtlich des Gewichts und der Kosten einer ausreichenden elektrischen Maschinerie, um die gesamte Leistung der Maschine von mechanisch in elektrisch in dem Generator und von elektrisch in mechanisch in dem Antriebsmotor umzuwandeln, und des Nutzenergieverlustes bei diesen Umwandlungen.
  • Ein Getriebe mit Leistungsverzweigung kann eine sogenannte ”Differenzialzahnradanordnung” verwenden, um ein stufenlos verstellbares Drehmoment- und Drehzahlverhältnis zwischen Antrieb und Abtrieb zu erreichen. Ein elektrisch verstellbares Getriebe kann eine Differenzialzahnradanordnung verwenden, um einen Bruchteil seiner übertragenen Leistung durch ein Paar Elektromotoren/Generatoren zu schicken. Der Rest seiner Leistung fließt durch einen anderen parallelen Weg, der vollständig mechanisch und direkt, mit einem festen Übersetzungsverhältnis oder alternativ wählbar ist.
  • Ein Planetenradsatz kann, wie Fachleuten bekannt ist, eine Form einer Differenzialzahnradanordnung bilden. Eine Planetenradanordnung ist gewöhnlich die bevorzugte Ausführungsform, die in mit differenziellen Zahnradanordnungen ausgestatteten Erfindungen angewandt wird, mit den Vorteilen einer Kompaktheit und unterschiedlicher Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen allen Elementen des Planetenradsatzes. Es ist jedoch möglich, diese Erfindung ohne Planetenräder aufzubauen, wie etwa durch die Verwendung von Kegelrädern oder anderen Zahnrädern in einer Anordnung, bei der die Drehzahl von zumindest einem Element eines Zahnradsatzes immer ein gewichteter Mittelwert von Drehzahlen der beiden anderen Elemente ist.
  • Ein Getriebesystem für ein Hybridelektrofahrzeug umfasst auch eine oder mehrere Speichereinrichtungen für elektrische Energie. Die typische Einrichtung ist eine chemisch-elektrische Speicherbatterie, es können aber auch kapazitive oder mechanische Einrichtungen, wie etwa ein elektrisch angetriebenes Schwungrad, enthalten sein. Ein Speicher für elektrische Energie lässt zu, dass die mechanische Ausgangsleistung von dem Getriebesystem zu dem Fahrzeug von der mechanischen Eingangsleistung von der Maschine zu dem Getriebesystem abweichen kann. Die Batterie oder andere Einrichtung erlaubt auch das Starten der Maschine mit dem Getriebesystem und ein regeneratives Bremsen des Fahrzeugs.
  • Ein elektrisch verstellbares Getriebe in einem Fahrzeug kann einfach mechanische Leistung von einem Maschinenantrieb zu einem Achsantriebsausgang übertragen. Dazu gleicht die elektrische Leistung, die von einem Motor/Generator erzeugt wird, die elektrischen Verluste und die elektrische Leistung, die von dem anderen Motor/Generator verbraucht wird, aus. Durch die Verwendung der oben genannten elektrischen Speicherbatterie kann die elektrische Leistung, die von einem Motor/Generator erzeugt wird, größer oder geringer sein als die elektrische Leistung, die von dem anderen verbraucht wird. Elektrische Leistung von der Batterie kann manchmal zulassen, dass beide Motoren/Generatoren als Motoren wirken, insbesondere um die Maschine bei der Fahrzeugbeschleunigung zu unterstützen. Beide Motoren können manchmal als Generatoren wirken, um die Batterie wieder aufzuladen, insbesondere beim regenerativen Bremsen des Fahrzeugs.
  • Ein erfolgreicher Ersatz für das Reihenhybridgetriebe ist das elektrisch verstellbare Getriebe mit zwei Bereichen, Eingangsleistungsverzweigung und kombinierter Leistungsverzweigung (two-range, input-split and compound-split electrically variable transmission), das nun für Linienbusse hergestellt wird, wie es offenbart ist in U.S. Patent Nummer US 5 931 757 A offengelegt am 3. August 1999 erfunden durch Michael Roland Schmidt, das gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde und dessen Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist. Ein derartiges Getriebe benutzt ein Antriebsmittel, um Leistung von der Fahrzeugmaschine aufzunehmen, und ein Leistungsausgabemittel, um Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs abzugeben. Ein erster und zweiter Motor/Generator sind mit einer Energiespeichereinrichtung, wie einer Batterie, verbunden, so dass die Energiespeichereinrichtung Leistung von dem ersten und zweiten Motor/Generator aufnehmen und diesen Leistung zuführen kann. Eine Steuereinheit regelt den Leistungsfluss zwischen der Energiespeichereinrichtung und den Motoren/Generatoren sowie zwischen dem ersten und zweiten Motor/Generator.
  • Ein Betrieb in dem ersten oder zweiten Betriebsmodus mit variablem Drehzahlverhältnis kann selektiv unter Verwendung von Kupplungen in der Natur einer ersten und zweiten Drehmomentübertragungseinrichtung erreicht werden. In dem ersten Modus wird ein Drehzahlverhältnisbereich mit Eingangsleistungsverzweigung durch Einrücken der ersten Kupplung gebildet, und die Abtriebsdrehzahl des Getriebes ist proportional zu der Drehzahl von einem Motor/Generator. In dem zweiten Modus wird ein Drehzahlverhältnisbereich mit kombinierter Leistungsverzweigung durch das Einrücken der zweiten Kupplung gebildet, und die Abtriebsdrehzahl des Getriebes ist nicht proportional zu den Drehzahlen von einem der Motoren/Generatoren, sondern ist eine algebraische Lnearkombination der Drehzahlen der beiden Motoren/Generatoren. Ein Betrieb mit einem festen Getriebedrehzahlverhältnis kann selektiv durch das Einrücken beider Kupplungen erreicht werden. Ein Betrieb des Getriebes in einem neutralen Modus kann selektiv erreicht werden, indem beide Kupplungen gelöst werden, wobei die Maschine und beide Elektromotoren/Generatoren von dem Getriebeabtrieb entkoppelt werden. Das Getriebe umfasst mindestens einen mechanischen Punkt in seinem ersten Betriebsmodus und mindestens zwei mechanische Punkte in seinem zweiten Betriebsmodus.
  • U.S Patent Nr. US 6 527 658 B2 das am 4. März 2003 für Holmes et al. erteilt wurde, gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde und dessen Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist, offenbart ein elektrisch verstellbares Getriebe, das zwei Planetenradsätze, zwei Motoren/Generatoren und zwei Kupplungen benutzt, um Betriebsmodi mit Eingangsleistungsverzweigung (input-split), kombinierter Leistungsverzweigung (compound-split) sowie Neutral- und Rückwärtsbetriebsmodi bereitzustellen. Beide Planetenradsätze können einfach sein oder einer kann einzeln zusammengesetzt sein. Ein elektrisches Steuerelement regelt den Leistungsfluss zwischen einer Energiespeichereinrichtung und den beiden Motoren/Generatoren. Dieses Getriebe bietet zwei Bereiche oder Modi eines Betriebes eines elektrisch verstellbaren Getriebes (EVT), wobei es selektiv einen Drehzahlverhältnisbereich mit Eingangsleistungsverzweigung und einen Drehzahlverhältnisbereich mit kombinierter Leistungsverzweigung bereitstellt. Es kann auch selektiv ein festes Drehzahlverhältnis erreicht werden.
  • DE 10 2005 038 287 A1 offenbart ein elektrisch verstellbares Getriebe, bei dem das Eingangselement ständig mit einem Hohlrad eines Planetenradsatzes verbunden ist.
  • US 6,478,705 B1 offenbart ein elektrisch verstellbares Getriebe mit zwei Bereichen ohne Festgangmodi.
  • WO 2005/064 199 A1 offenbart eine Vielzahl von Hybridantriebssträngen und insbesondere einen, dessen Eingangselement selektiv mit zwei Elementen eines zusammengesetzten Planetenradsatzes in der Art eines Ravignaux-Zahnradsatzes verbindbar ist und der sieben Drehmomentübertragungseinrichtungen aufweist.
  • DE 10 2005 034 929 A1 offenbart ein elektrisch verstellbares Getriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den bestmöglichen Energiewirkungsgrad und die bestmöglichen Emissionen für eine gegebene Maschine bereitzustellen. Zusätzlich werden ein optimales Leistungsvermögen, eine optimale Kapazität, eine optimale Packungsgröße und eine optimale Übersetzungsverhältnisabdeckung für das Getriebe angestrebt.
  • Die Aufgabe wird durch ein elektrisch verstellbares Getriebe gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen des Getriebes sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Familie von elektrisch verstellbaren Getrieben bereit, die mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Automatikgetrieben zur Verwendung in Hybridfahrzeugen bietet, die ein verbessertes Leistungsvermögen der Fahrzeugbeschleunigung, eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit über ein regeneratives Bremsen und einen nur elektrischen Leerlauf und ein nur elektrisches Anfahren und ein attraktives Vermarktungsmerkmal umfassen.
  • Die elektrisch verstellbare Getriebefamilie der vorliegenden Erfindung stellt kostengünstige elektrisch verstellbare Getriebemechanismen mit geringem Inhalt bereit.
  • Die Drehmomentübertragungseinrichtungen, die Bremsen sind, können wie geeignet als herkömmliche, auf Reibung beruhende Bremsen, Klauenkupplungen, Einwege-Kupplungen oder auswählbare Einwege-Kupplungen implementiert sein. Die rotierenden Kupplungen können wie geeignet als herkömmliche, auf Reibung beruhende Kupplungen, Klauenkupplungen, Einweg-Kupplungen oder auswählbare Einwege-Kupplungen implementiert sein.
  • Der erste Motor/Generator ist an dem Getriebekasten montiert und ist ständig mit einem Element des ersten Planetenradsatzes oder selektiv über einer Klauenkupplung mit einem Element des ersten oder zweiten Planetenradsatzes verbunden. Der erste Motor/Generator kann auch eine versetzte Zahnradanordnung umfassen. Die Klauenkupplung, falls vorhanden, lässt zu, dass der erste Motor/Generator zwischen einem Paar Elementen an dem ersten oder zweiten Planetenradsatz umgeschaltet werden kann. Die Klauenkupplung kann Kupplungsrutschverluste vermindern und lässt einen Motor/Generator-Betrieb bei niedrigen Drehzahlen während des gesamten Betriebsbereiches des Getriebes zu. Die Klauenkupplung kann durch ein Paar herkömmliche Drehmomentübertragungseinrichtungen ersetzt sein.
  • Der zweite Motor/Generator ist an dem Getriebekasten montiert und ist ständig mit einem Element des ersten oder zweiten Planetenradsatzes verbunden. Die zweite Motor/Generator-Verbindung kann eine versetzte Zahnradanordnung umfassen.
  • Die auswählbaren Drehmomentübertragungseinrichtungen werden in Kombinationen eingerückt, um ein EVT mit einem stufenlos verstellbaren Bereich von Drehzahlen (einschließlich rückwärts) und zumindest vier mechanisch festen Vorwärtsdrehzahlverhältnissen zu ergeben. Ein ”festes Drehzahlverhältnis” ist eine Betriebsbedingung, unter der der mechanische Leistungseingang in das Getriebe mechanisch auf den Abtrieb übertragen wird und kein Leistungsfluss in den Motoren/Generatoren vorhanden ist (d. h. beinahe null beträgt). Ein elektrisch verstellbares Getriebe, das selektiv mehrere feste Drehzahlverhältnisse für einen Betrieb in der Nähe voller Maschinenleistung erzielen kann, kann für eine gegebene maximale Kapazität kleiner und leichter sein. Ein Betrieb mit festem Verhältnis kann auch zu einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch führen, wenn unter Bedingungen gearbeitet wird, unter denen die Maschinendrehzahl sich ihrem Optimum nähern kann, ohne die Motoren/Generatoren zu verwenden. Dieser Betrieb mit festem Verhältnis ist nützlich, um Rückwärtssteigfähigkeitsanforderungen nachzukommen und auch für einen Betrieb bei kaltem Wetter, wenn aufgrund eines Betriebs mit schwacher Batterie möglicherweise keine elektrische Drehmomentunterstützung verfügbar ist. Eine Vielfalt von festen Drehzahlverhältnissen und variable Verhältnisspreizungen können durch geeignetes Wählen der Zähneverhältnisse der Planetenradsätze realisiert werden.
  • Die elektrisch verstellbaren Getriebe der vorliegenden Erfindung weisen eine Architektur mit kombinierter Leistungsverzweigung und Eingangsleistungsverzweigung auf. Kombinierte Leistungsverzweigung bedeutet, dass weder der Antrieb noch der Abtrieb des Getriebes direkt mit einem Motor/Generator verbunden ist. Dies erlaubt eine Verringerung der Größe und Kosten der Elektromotoren/Generatoren, die erforderlich sind, um das gewünschte Fahrzeugleistungsvermögen zu erreichen. Bei Konstruktionen mit Eingangsleistungsverzweigung ist einer der Motoren/Generatoren direkt mit dem Abtrieb verbunden.
  • Die vorgeschlagenen Konstruktionen sind alle Doppel- oder Dreifachmodus-Konstruktionen (oder Zwei- oder Dreibereichs-Konstruktionen), bei denen während des Betriebs EVT Vorwärts eine Drehmomentübertragungseinrichtung ausgerückt wird und eine andere eingerückt wird, um Modi oder Bereiche zu wechseln. Die Mehrmodus-Konstruktionen ermöglichen ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi (z. B. kombinierte Leistungsverzweigung zu Ausgangsleistungsverzweigung usw.), um sich Betriebsanforderungen besser anzupassen, während Lasten/Drehzahlen elektrischer Bauteile und die benutzte Energie minimiert werden.
  • Die Drehmomentübertragungseinrichtungen und der erste und zweite Motor/Generator sind betreibbar, um in dem elektrisch verstellbaren Getriebe fünf Betriebsmodi bereitzustellen, die einen Modus Batterie Rückwärts, einen Modus EVT Rückwärts, Modi Rückwärts und Vorwärtsanfahren, einen Modus mit stufenlos verstellbarem Getriebebereich und einen Modus mit festem Verhältnis umfassen.
  • Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung leicht deutlich werden, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird.
  • 1a ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs, der ein elektrisch verstellbares Getriebe umfasst und ein Familienmitglied der vorliegenden Erfindung enthält;
  • 1b ist eine Tabelle für Betriebsmodi und eine Tabelle für Modi mit festem Verhältnis, die einige der Betriebseigenschaften des in 1a gezeigten Antriebsstrangs darstellen;
  • 2a ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs mit einem nicht beanspruchten elektrisch verstellbaren Getriebe;
  • 2b ist eine Tabelle für Betriebsmodi und eine Tabelle für Modi mit festem Verhältnis, die einige der Betriebseigenschaften des in 2a gezeigten Antriebsstrangs darstellen;
  • 3a ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe, der ein anderes Familienmitglied der vorliegenden Erfindung enthält;
  • 3b ist eine Tabelle für Betriebsmodi und eine Tabelle für Modi mit festem Verhältnis, die einige der Betriebseigenschaften des in 3a gezeigten Antriebsstrangs darstellen;
  • 4a ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe, der ein anderes Familienmitglied der vorliegenden Erfindung enthält; und
  • 4b ist eine Tabelle für Betriebsmodi und eine Tabelle für Modi mit festem Verhältnis, die einige der Betriebseigenschaften des in 4a gezeigten Antriebsstrangs darstellen.
  • In 1a ist ein Antriebsstrang 10 gezeigt, der eine Maschine 12 umfasst, die mit einer bevorzugten Ausführungsform des verbesserten elektrisch verstellbaren Getriebes (EVT) verbunden ist, das allgemein mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet ist. Das Getriebe 14 ist konstruiert, um mindestens einen Teil seiner Antriebsleistung von der Maschine 12 aufzunehmen. Wie es gezeigt ist, weist die Maschine 12 eine Abtriebswelle auf, die als das Antriebselement 17 des Getriebes 14 dient. Es kann auch ein Dämpfer für transientes Drehmoment (der nicht gezeigt ist) zwischen der Maschine 12 und dem Antriebselement 17 des Getriebes eingesetzt werden.
  • In der gezeigten Ausführungsform kann die Maschine 12 eine Maschine für fossilen Brennstoff sein, wie etwa ein Dieselmotor, der einfach angepasst ist, um seinen verfügbaren Leistungsausgang typischerweise mit einer konstanten Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) abzugeben.
  • Ungeachtet des Mittels, durch das die Maschine 12 mit dem Getriebeantriebselement 17 verbunden ist, ist das Getriebeantriebselement 17 funktional mit einem Planetenradsatz in dem Getriebe 14 verbunden. Ein Abtriebselement 19 des Getriebes 14 ist mit einem Achsantrieb 16 verbunden.
  • Das Getriebe 14 benutzt zwei Differenzialzahnradsätze, vorzugsweise in der Natur von Planetenradsätzen 20 und 30. Der Planetenradsatz 20 wendet ein äußeres Zahnradelement 24 an, das typischerweise als das Hohlrad bezeichnet wird. Das Hohlrad 24 umgibt ein inneres Zahnradelement 22, das typischerweise als das Sonnenrad bezeichnet wird. Ein Träger 26 lagert drehbar mehrere Planetenräder 27, so dass jedes Planetenrad 27 kämmend mit sowohl dem äußeren Hohlrad 24 als auch dem inneren Sonnenrad 22 des ersten Planetenradsatzes 20 in Eingriff steht.
  • Der Planetenradsatz 30 weist auch ein äußeres Zahnradelement 34 auf, das häufig auch als das Hohlrad bezeichnet wird, welches ein inneres Zahnradelement 32 umgibt, das auch häufig als das Sonnenrad bezeichnet wird. Mehrere Planetenräder 37 sind auch drehbar in einem Träger 36 montiert, so dass jedes Planetenrad 37 gleichzeitig und kämmend mit sowohl dem äußeren Hohlrad 34 als auch dem inneren Sonnenrad 32 des Planetenradsatzes 30 in Eingriff steht.
  • Ein erstes Verbindungselement 70 verbindet das Hohlrad 24 des Planetenradsatzes 20 ständig mit dem Sonnenrad 32 des Planetenradsatzes 30.
  • Die erste bevorzugte Ausführungsform 10 umfasst auch einen ersten und zweiten Motor/Generator 80 bzw. 82. Der Stator des ersten Motors/Generators 80 ist an dem Getriebegehäuse 60 befestigt. Der Rotor des ersten Motors/Generators 80 ist an dem Sonnenrad 22 des Planetenradsatzes 20 befestigt.
  • Der Stator des zweiten Motors/Generators 82 ist auch an dem Getriebegehäuse 60 befestigt. Der Rotor des zweiten Motors/Generators 82 ist an dem Sonnenrad 32 des Planetenradsatzes 30 befestigt.
  • Eine erste Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Antriebskupplung 50, verbindet den Träger 26 des Planetenradsatzes 20 selektiv mit dem Antriebselement 17. Eine zweite Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 52, verbindet das Sonnenrad 22 des Planetenradsatzes 20 selektiv mit dem Hohlrad 34 des Planetenradsatzes 30. Eine dritte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Antriebskupplung 54, verbindet das Sonnenrad 22 selektiv mit dem Antriebselement 17. Eine vierte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie die Bremse 55, verbindet das Hohlrad 34 selektiv mit dem Getriebegehäuse 60. Eine fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Bremse 57, verbindet den Träger 26 selektiv mit dem Getriebegehäuse 60. Eine sechste Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Bremse 58, ist parallel zu dem Motor/Generator 82 geschaltet, um dessen Rotation selektiv zu bremsen. Die erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Drehmomentübertragungseinrichtung 50, 52, 54, 55, 57 und 58 werden angewandt, um bei der Auswahl der Betriebsmodi des Hybridgetriebes 14 zu helfen, wie es nachstehend ausführlicher erläutert wird.
  • Das Ausgangsabtriebselement 19 des Getriebes 14 ist an dem Träger 36 des Planetenradsatzes 30 befestigt.
  • Kehren wir nun zu der Beschreibung der Leistungsquellen zurück, sollte aus der vorstehenden Beschreibung und mit besonderem Bezug auf 1a ersichtlich sein, dass das Getriebe 14 selektiv Leistung von der Maschine 12 aufnimmt. Das Hybridgetriebe nimmt auch Leistung von einer elektrischen Leistungsquelle 86 auf, die funktional mit einem Controller 88 verbunden ist. Die elektrische Leistungsquelle 86 kann eine oder mehrere Batterien sein. Andere elektrische Leistungsquellen, wie Brennstoffzellen, die die Fähigkeit haben, elektrische Leistung bereitzustellen oder zu speichern und abzugeben, können anstelle von Batterien verwendet werden, ohne die Konzepte der vorliegenden Erfindung zu verändern.
  • Allgemeine Betriebserwägungen
  • Eine der primären Steuereinrichtungen ist eine allgemein bekannte Fahrbereichswähleinrichtung (die nicht gezeigt ist), die eine elektronische Steuereinheit (die ECU 88) anweist, das Getriebe für die Bereiche Parken, Rückwärts, Neutral oder Vorwärtsfahrt zu konfigurieren. Die zweite und dritte primäre Steuereinrichtung bilden ein Gaspedal (das nicht gezeigt ist) und ein Bremspedal (das ebenfalls nicht gezeigt ist). Die Informationen, die von der ECU von diesen drei primären Steuerquellen erhalten werden, werden als die ”Bedieneranforderung” bezeichnet. Die ECU erhält auch Informationen von mehreren Sensoren (Antrieb sowie Abtrieb) im Hinblick auf den Zustand der Drehmomentübertragungseinrichtungen (entweder eingerückt oder ausgerückt); das Maschinenabtriebsdrehmoment; das vereinigte Kapazitätsniveau der Batterie oder Batterien; und die Temperaturen von ausgewählten Fahrzeugkomponenten. Die ECU stellt fest, was erforderlich ist, und betätigt dann die selektiv betriebenen Komponenten des Getriebes, oder die diesem zugeordneten Komponenten geeignet, um auf die Bedieneranforderung zu antworten.
  • Die Erfindung kann einfache oder zusammengesetzte Planetenradsätze verwenden. In einem einfachen Planetenradsatz ist ein einzelner Satz von Planetenrädern normal zur Drehung an einem Träger gelagert, der selbst drehbar ist.
  • Wenn in einem einfachen Planetenradsatz das Sonnenrad feststehend gehalten wird und Leistung auf das Hohlrad eines einfachen Planetenradsatzes aufgebracht wird, rotieren die Planetenräder in Ansprechen auf die auf das Hohlrad aufgebrachte Leistung und ”laufen” somit in Umfangsrichtung um das festgelegte Sonnenrad um, um eine Drehung des Trägers in der gleichen Richtung wie die Richtung, in der das Hohlrad rotiert wird, zu bewirken.
  • Wenn irgendwelche zwei Elemente eines einfachen Planetenradsatzes in der gleichen Richtung und mit der gleichen Drehzahl rotieren, wird das dritte Element gezwungen, mit der gleichen Drehzahl und in der gleichen Richtung zu rotieren. Wenn beispielsweise das Sonnenrad und das Hohlrad in der gleichen Richtung und mit der gleichen Drehzahl rotieren, rotieren die Planetenräder nicht um ihre eigenen Achsen, sondern wirken vielmehr als Keile, um die gesamte Einheit miteinander zu sperren und somit einen sogenannten direkten Antrieb zu bewirken. Das heißt der Träger rotiert mit den Sonnen- und Hohlrädern.
  • Wenn jedoch die beiden Zahnradelemente in der gleichen Richtung aber mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren, kann die Richtung, in der das dritte Zahnradelement rotiert, häufig einfach durch Sichtanalyse bestimmt werden, aber in vielen Situationen wird die Richtung nicht offensichtlich sein und kann nur durch die Kenntnis der Anzahl von Zähnen, die an allen Zahnradelementen des Planetenradsatzes vorhanden ist, genau bestimmt werden.
  • Jedes Mal dann, wenn der Träger daran gehindert wird, frei umzulaufen, und Leistung auf entweder das Sonnenrad oder das Hohlrad aufgebracht wird, wirken die Planetenräder als Zwischenräder. Auf diese Weise wird das angetriebene Element in der dem treibenden Element entgegengesetzten Richtung rotiert. In vielen Getriebeanordnungen wird somit, wenn der Rückwärtsfahrbereich ausgewählt ist, eine Drehmomentübertragungseinrichtung, die als Bremse dient, über Reibung betätigt, um mit dem Träger in Eingriff zu gelangen und diesen dadurch an einer Drehung zu hindern, so dass Leistung, die auf das Sonnenrad aufgebracht wird, das Hohlrad in der entgegengesetzten Richtung drehen wird. Wenn somit das Hohlrad funktional mit den Antriebsrädern eines Fahrzeuges verbunden ist, ist eine solche Anordnung in der Lage, die Drehrichtung der Antriebsräder und dadurch die Richtung des Fahrzeugs selbst umzukehren.
  • In einem einfachen Satz von Planetenrädern kann, wenn irgendwelche zwei Drehzahlen des Sonnenrads, des Planetenträgers und des Hohlrads bekannt sind, dann die Drehzahl des dritten Elements unter Anwendung einer einfachen Regel festgestellt werden. Die Drehzahl des Trägers ist immer proportional zu den Drehzahlen der Sonne und des Rings, gewichtet mit deren jeweiligen Zähnezahlen. Beispielsweise kann ein Hohlrad doppelt so viele Zähne wie das Sonnenrad in dem gleichen Satz aufweisen. Die Drehzahl des Trägers ist dann die Summe von zwei Dritteln der Drehzahl des Hohlrads und einem Drittel der Drehzahl des Sonnenrads. Wenn eines dieser drei Elemente in einer entgegengesetzten Richtung rotiert, ist das arithmetische Vorzeichen für die Drehzahl dieses Elements bei den mathematischen Berechnungen negativ.
  • Das Drehmoment an dem Sonnenrad, dem Träger und dem Hohlrad kann auch einfach miteinander in Beziehung gebracht werden, wenn dies ohne Berücksichtigung der Massen der Zahnräder, der Beschleunigung der Zahnräder oder der Reibung innerhalb des Zahnradsatzes vorgenommen wird, die alle einen relativ geringfügigen Einfluss in einem gut konstruierten Getriebe haben. Das Drehmoment, das auf das Sonnenrad eines einfachen Planetenradsatzes aufgebracht wird, muss das Drehmoment, das auf das Hohlrad aufgebracht wird, proportional zu der Zähnezahl an jedem dieser Zahnräder ausgleichen. Beispielsweise muss das Drehmoment, das auf ein Hohlrad mit doppelt so viel Zähnen wie an dem Sonnenrad in diesem Satz aufgebracht wird, das Doppelte von dem auf das Sonnenrad aufgebrachten betragen, und es muss in der gleichen Richtung aufgebracht werden. Das auf den Träger aufgebrachte Drehmoment muss die gleiche Größe und die entgegengesetzte Richtung zu der Summe aus dem Drehmoment an dem Sonnenrad und dem Drehmoment an dem Hohlrad betragen.
  • In einem zusammengesetzten Planetenradsatz bewirkt die Benutzung von inneren und äußeren Sätzen von Planetenrädern einen Austausch der Rollen des Hohlrads und des Planetenträgers im Vergleich mit einem einfachen Planetenradsatz. Wenn beispielsweise das Sonnenrad feststehend gehalten wird, wird der Planetenträger in der gleichen Richtung wie das Hohlrad rotieren, aber der Planetenträger wird sich mit inneren und äußeren Sätzen von Planetenrädern schneller als das Hohlrad statt langsamer bewegen.
  • In einem zusammengesetzten Planetenradsatz, der kämmende innere und äußere Sätze von Planetenrädern aufweist, ist die Drehzahl des Hohlrads proportional zu den Drehzahlen des Sonnenrads und des Planetenträgers, gewichtet mit der Zähnezahl an dem Sonnenrad bzw. der Zähnezahl, die durch die Planetenräder gefüllt wird. Beispielsweise könnte die Differenz zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenrad, die durch die Planetenräder gefüllt wird, genauso viel Zähne sein, wie sich an dem Sonnenrad in dem gleichen Satz befinden. In dieser Situation wäre die Drehzahl des Hohlrads die Summe aus zwei Dritteln der Drehzahl des Trägers und einem Drittel der Drehzahl der Sonne. Wenn das Sonnenrad oder der Planetenträger in einer entgegengesetzten Richtung rotiert, ist das arithmetische Vorzeichen für diese Drehzahl bei den mathematischen Berechnungen negativ.
  • Wenn das Sonnenrad feststehend gehalten wird, dann wird ein Träger mit inneren und äußeren Sätzen von Planetenrädern in der gleichen Richtung wie das rotierende Hohlrad dieses Satzes drehen. Wenn andererseits das Sonnenrad feststehend gehalten wird und der Träger angetrieben wird, dann rollen Planetenräder in dem inneren Satz, die mit dem Sonnenrad in Eingriff stehen, entlang des Sonnenrads oder ”laufen” um dieses um, wobei sie sich in der gleichen Richtung drehen, in der der Träger rotiert. Planetenräder in dem äußeren Satz, die mit Planetenrädern in dem inneren Satz kämmen, werden sich in der entgegengesetzten Richtung drehen, wodurch ein kämmendes Hohlrad in die entgegengesetzte Richtung gezwungen wird, aber nur in Bezug auf die Planetenräder, mit denen das Hohlrad kämmend in Eingriff steht. Die Planetenräder in dem äußeren Satz werden in der Richtung des Trägers entlang transportiert. Die Wirkung der Drehung der Planetenräder in dem äußeren Satz auf ihren eigenen Achsen und die größere Wirkung der Orbitalbewegung der Planetenräder in dem äußeren Satz aufgrund der Bewegung des Trägers sind kombiniert, so dass das Hohlrad in der gleichen Richtung wie der Träger aber nicht so schnell wie der Träger rotiert.
  • Wenn der Träger in einem derartigen zusammengesetzten Planetenradsatz feststehend gehalten wird und das Sonnenrad gedreht wird, dann wird das Hohlrad mit weniger Drehzahl und in der gleichen Richtung wie das Sonnenrad rotieren. Wenn das Hohlrad eines einfachen Planetenradsatzes feststehend gehalten wird und das Sonnenrad gedreht wird, dann wird der Träger, der einen einzigen Satz von Planetenrädern trägt, mit weniger Drehzahl und in der gleichen Richtung wie das Sonnenrad rotieren. Somit kann man leicht den Austausch der Rollen zwischen dem Träger und dem Hohlrad beobachten, der durch die Verwendung von inneren und äußeren Sätzen von Planetenrädern, die miteinander kämmen, im Vergleich mit der Verwendung eines einzigen Satzes von Planetenrädern in einem einfachen Planetenradsatz hervorgerufen wird.
  • Die normale Wirkung eines elektrisch verstellbaren Getriebes ist, mechanische Leistung von dem Antrieb auf den Abtrieb zu übertragen. Als Teil dieser Übertragungswirkung wirkt einer von seinen beiden Motoren/Generatoren als Generator für elektrische Leistung. Der andere Motor/Generator wirkt als Motor und verwendet diese elektrische Leistung. Wenn die Drehzahl des Abtriebs von null bis auf eine hohe Drehzahl zunimmt, tauschen die zwei Motoren/Generatoren 80, 82 allmählich die Rollen von Generator und Motor, und können dies mehr als einmal vornehmen. Diese Austausche finden um mechanische Punkte herum statt, an denen im Wesentlichen die gesamte Leistung von dem Antrieb auf den Abtrieb mechanisch übertragen wird und keine wesentliche Leistung elektrisch übertragen wird.
  • In einem hybriden elektrisch verstellbaren Getriebesystem kann die Batterie 86 dem Getriebe auch Leistung zuführen, oder das Getriebe kann der Batterie Leistung zuführen. Wenn die Batterie dem Getriebe wesentlich elektrische Leistung zuführt, wie etwa zur Fahrzeugbeschleunigung, dann können beide Motoren/Generatoren als Motoren wirken. Wenn das Getriebe der Batterie elektrische Leistung zuführt, wie etwa für ein regeneratives Bremsen, können beide Motoren/Generatoren als Generatoren wirken. Sehr nahe bei den mechanischen Arbeitspunkten können beide Motoren/Generatoren auch als Generatoren mit kleinen elektrischen Ausgangsleistungen wegen der elektrischen Verluste in dem System wirken.
  • Im Gegensatz zu der normalen Wirkung des Getriebes kann das Getriebe tatsächlich verwendet werden, um mechanische Leistung von dem Abtrieb auf den Antrieb zu übertragen. Dies kann in einem Fahrzeug vorgenommen werden, um die Fahrzeugbremsen zu unterstützen und das regenerative Bremsen des Fahrzeugs zu verbessern oder zu unterstützen, insbesondere auf langen Gefällen. Wenn der Leistungsfluss durch das Getriebe auf diese Weise umgekehrt wird, dann werden die Rollen der Motoren/Generatoren gegenüber jenen bei normaler Wirkung umgekehrt.
  • Spezifische Betriebserwägungen
  • Jede der hierin beschriebenen Ausführungsformen weist siebzehn Funktionsanforderungen auf (die den 17 Zeilen jeder in den Figuren gezeigten Tabelle für Betriebsmodi entsprechen), die zu fünf Betriebsmodi gruppiert werden können. Diese fünf Betriebsmodi werden nachstehend beschrieben und können am besten durch Bezugnahme auf die jeweilige Tabelle für Betriebsmodi verstanden werden, die jedes Getriebestickdiagramm begleitet, wie die Tabellen für Betriebsmodi der 1b, 2b, 3b usw.
  • Der erste Betriebsmodus ist der ”Modus Batterie Rückwärts”, der der ersten Zeile (BATT RW) jeder Tabelle für Betriebsmodi, wie etwa jener von 1b, entspricht. In diesem Modus ist die Maschine aus und das Getriebeelement, das mit der Maschine verbunden ist, wird nicht von dem Maschinendrehmoment gesteuert, obwohl es ein gewisses Restdrehmoment aufgrund der Rotationsträgheit der Maschine geben kann. Das EVT wird von einem der Motoren/Generatoren unter Verwendung von Energie von der Batterie angetrieben, was bewirkt, dass sich das Fahrzeug rückwärts bewegt. Abhängig von der kinematischen Konfiguration kann der andere Motor/Generator in diesem Modus rotieren oder nicht rotieren und kann Drehmoment übertragen oder nicht übertragen. Wenn er rotiert, wird er dazu verwendet, Energie zu erzeugen, die in der Batterie gespeichert wird. In der Ausführungsform von 1b sind in dem Modus Batterie Rückwärts beispielsweise die Kupplung 50 und die Bremse 55 eingerückt, der Generator 80 weist ein Drehmoment von Null auf, der Motor 82 weist ein Drehmoment von –1,00 auf und es wird ein Drehmomentverhältnis von –2,88 erreicht. In jeder Tabelle für Betriebsmodi gibt ein (M) neben einem Drehmomentwert in den Motor/Generator-Spalten 80 und 82 an, dass der Motor/Generator als Motor wirkt, und das Fehlen eines (M) gibt an, dass der Motor/Generator als Generator wirkt.
  • Der zweite Betriebsmodus ist der ”Modus EVT Rückwärts” (oder der Modus mechanisch Rückwärts), der der zweiten Zeile (EVT RW) jeder Tabelle für Betriebsmodi, wie etwa jener von 1b, entspricht. In diesem Modus wird das EVT von der Maschine und von einem der Motoren/Generatoren angetrieben. Der andere Motor/Generator arbeitet im Generatormodus und überträgt 100% der erzeugten Energie zurück zu dem antreibenden Motor. Der Nettoeffekt ist, dass das Fahrzeug rückwärts angetrieben wird. Nach 1b sind beispielsweise in dem Modus EVT Rückwärts die Kupplung 50 und die Bremse 55 eingerückt, der Generator 80 weist ein Drehmoment von –0,35 Einheiten auf, der Motor 82 weist ein Drehmoment von –3,55 Einheiten auf, und es wird ein Abtriebsdrehmoment von –8,33 erreicht, das einem Maschinendrehmoment von 1 Einheit entspricht.
  • Der dritte Betriebsmodus umfasst die ”Modi Rückwärts- und Vorwärtsanfahren” (auch bezeichnet als ”Modi Drehmomentwandler Rückwärts und Vorwärts”), die der dritten und vierten Zeile (DW RW und DW VW) jeder Tabelle für Betriebsmodi, wie etwa jener von 1b, entsprechen. In diesem Modus wird das EVT von der Maschine und von einem der Motoren/Generatoren angetrieben. Ein auswählbarer Bruchteil der Energie, die in der Generatoreinheit erzeugt wird, wird in der Batterie gespeichert, wobei die restliche Energie auf den Motor übertragen wird. In 1 beträgt dieser Bruchteil etwa 99%. Das Verhältnis von Getriebeabtriebsdrehzahl zu Maschinendrehzahl (Getriebedrehzahlverhältnis) beträgt etwa +/–0,001 (das positive Vorzeichen gibt an, dass das Fahrzeug vorwärts kriecht, und das negative Vorzeichen gibt an, dass das Fahrzeug rückwärts kriecht). Nach 1b sind in dem Modus DW Rückwärts die Kupplung 50 und die Bremse 55 eingerückt, der Motor/Generator 80 wirkt als Generator mit –0,35 Einheiten Drehmoment, der Motor/Generator 82 wirkt als Motor mit –3,09 Einheiten Drehmoment, und es wird ein Drehmomentverhältnis von –7,00 erreicht. In dem Modus DW Vorwärts sind die Kupplung 50 und die Bremse 55 eingerückt, der Motor/Generator 80 wirkt als Generator mit –0,35 Einheiten Drehmoment, der Motor/Generator 82 wirkt als Motor mit 0,98 Einheiten Drehmoment, und es wird ein Drehmomentverhältnis von 4,69 erreicht.
  • Der vierte Betriebsmodus ist ein ”Modus mit stufenlos verstellbarem Getriebebereich”, der die Arbeitspunkte Bereich 1.1, Bereich 1.2, Bereich 1.3, Bereich 1.4, Bereich 2.1, Bereich 2.2, Bereich 2.3 und Bereich 2.4 umfasst, die den Zeilen 5–12 jeder Arbeitspunkttabelle, wie etwa jener von 1b, entsprechen. In diesem Modus wird das EVT von der Maschine sowie von einem der Motoren/Generatoren, der als Motor arbeitet, angetrieben. Der andere Motor/Generator arbeitet als Generator und überträgt 100% der erzeugten Energie zurück zu dem Motor. Die Arbeitspunkte, die durch Bereich 1.1, 1.2, ... usw. dargestellt sind, sind diskrete Punkte in dem Kontinuum von Vorwärtsdrehzahlverhältnissen, die von dem EVT bereitgestellt werden. Beispielsweise wird in 1b bei eingerückter Kupplung 50 und Bremse 55 ein Bereich von Drehmomentverhältnissen von 4,69 bis 1,86 erreicht. Es wird bei eingerückten Kupplungen 50 und 52 ein Bereich von Drehmomentverhältnissen von 1,36 bis 0,54 erreicht.
  • Der fünfte Betriebsmodus umfasst die Modi mit ”festem Verhältnis” (R1, F1, F2, F3 und F4), die Zeilen 13–17 jeder Tabelle für Betriebsmodi (d. h. Betriebsmodustabelle), wie jener von 1b entsprechen. In diesem Modus arbeitet das Getriebe wie ein herkömmliches Automatikgetriebe, wobei drei Drehmomentübertragungseinrichtungen eingerückt sind, um ein diskretes Getriebeübersetzungsverhältnis zu schaffen. Die Kuppeltabelle, die jede Figur begleitet, zeigt nur vier Vorwärtsgänge mit festem Verhältnis und einen Rückwärtsgang mit festem Verhältnis, aber es können zusätzliche feste Verhältnisse verfügbar sein. Nach 1b sind in dem festen Verhältnis R1, einem festen Rückwärtsverhältnis, die Kupplung 54 und die Bremsen 55, 57 eingerückt, um ein festes Drehmomentverhältnis von –5,32 zu erreichen. In dem festen Verhältnis F1 sind die Kupplungen 50, 54 und die Bremse 55 eingerückt, um ein festes Drehmomentverhältnis von 2,86 zu erreichen. In dem festen Verhältnis F2 sind die Kupplungen 50, 52 und die Bremse 55 eingerückt, um ein festes Verhältnis von 1,86 zu erreichen. In dem festen Verhältnis F3 sind die Kupplungen 50, 52 und 54 eingerückt, um ein festes Verhältnis von 1,00 zu erreichen. In dem festen Verhältnis F4 sind die Kupplungen 50, 52 und die Bremse 58 eingerückt, um ein festes Verhältnis von 0,53 zu erreichen. Dementsprechend gibt jedes ”X” in der Spalte von Motor/Generator 82 in 1b an, dass die Bremse 58 eingerückt ist und der Motor/Generator 82 nicht rotiert.
  • Der Antriebsstrang 10 kann auch in einem ”Ladungsentleerungsmodus” arbeiten. Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung ist ein ”Ladungsentleerungsmodus” ein Modus, bei dem das Fahrzeug primär durch einen Elektromotor/Generator mit Leistung beaufschlagt wird, so dass die Batterie 86 entleert oder nahezu entleert ist, wenn das Fahrzeug sein Ziel erreicht. Mit anderen Worten wird die Maschine 12 während des Ladungsentleerungsmodus nur bis zu dem Ausmaß betrieben, das notwendig ist, um sicherzustellen, dass die Batterie 86 nicht vor Erreichen des Ziels entleert ist. Ein herkömmliches Hybridfahrzeug arbeitet in einem ”Ladungshaltemodus”, bei dem, wenn das Batterieladeniveau unter ein vorbestimmtes Niveau (z. B. 25%) abfällt, die Maschine automatisch laufen gelassen wird, um die Batterie wieder aufzuladen. Indem das Hybridfahrzeug in einem Ladungsentleerungsmodus betrieben wird, kann es daher etwas oder den gesamten Kraftstoff einsparen, der ansonsten verbraucht werden würde, um das Batterieladeniveau von 25% in einem herkömmlichen Hybridfahrzeug aufrechtzuerhalten. Es ist festzustellen, dass der Fahrzeugantriebsstrang bevorzugt nur dann in dem Ladungsentleerungsmodus betrieben wird, wenn die Batterie 86 nach Erreichen des Ziels wieder aufgeladen werden kann, indem sie an eine Energiequelle (die nicht gezeigt ist) angeschlossen wird.
  • Die Maschine 12 kann auch unter Verwendung verschiedener Arten von Kraftstoff mit Leistung beaufschlagt werden, um den Wirkungsgrad und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit einer besonderen Anwendung zu verbessern. Derartige Kraftstoffe können beispielsweise Benzin, Diesel, Ethanol, Diethylether usw. umfassen.
  • Das Getriebe 14 ist in der Lage, in sogenannten Einzel- oder Doppelmodi (oder Bereichen) zu arbeiten. Im Einzelmodus bleibt die eingerückte Drehmomentübertragungseinrichtung für das vollständige Kontinuum von Vorwärtsdrehzahlverhältnissen (die durch die diskreten Punkte: Bereiche 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 dargestellt sind) die gleiche. Im Doppelmodus wird die eingerückte Drehmomentübertragungseinrichtung bei irgendeinem Zwischendrehzahlverhältnis umgeschaltet (z. B. Bereich 2.1 in 1b). Das Getriebe von 4A umfasst die Fähigkeit zu einem Dreifachmodus. Im Dreifachmodus werden die eingerückten Drehmomentübertragungseinrichtungen bei einem zusätzlichen Zwischendrehzahlverhältnis (z. B. Bereich 3.1 in 4b) umgeschaltet. Abhängig von der mechanischen Konfiguration hat diese Änderung in der Einrückung der Drehmomentübertragungseinrichtung Vorteile bei der Verringerung der Elementdrehzahlen in dem Getriebe.
  • Wie es oben ausgeführt wurde, ist der Einrückplan für die Drehmomentübertragungseinrichtungen in der Tabelle für Betriebsmodi und der Tabelle für Modi mit festem Verhältnis der 1b gezeigt. 1b liefert auch ein Beispiel von Drehmomentverhältnissen, die unter Verwendung der beispielhaft in 1b angegebenen Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnisse verfügbar sind. Der NR1/NS1-Wert ist das Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 20; und der NR2/NS2-Wert ist das Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 30. Das Schaubild von 1b beschreibt auch die Verhältnisstufen, die unter Verwendung des angegebenen Beispiels von Zähneverhältnissen erzielt werden. Beispielsweise beträgt das Stufenverhältnis zwischen dem festen Rückwärtsdrehmomentverhältnis und dem ersten festen Vorwärtsdrehmomentverhältnis –1,86, das Stufenverhältnis zwischen dem ersten und zweiten festen Vorwärtsdrehmomentverhältnis beträgt 1,54, das Stufenverhältnis zwischen dem zweiten und dritten festen Vorwärtsdrehmomentverhältnis beträgt 1,86, das Stufenverhältnis zwischen dem dritten und vierten festen Vorwärtsdrehmomentverhältnis beträgt 1,86 und die Verhältnisspreizung beträgt 5,40.
  • In 2a ist ein Antriebsstrang 110 gezeigt, der eine Maschine 12 umfasst, die mit einem nicht beanspruchten elektrisch verstellbaren Getriebe verbunden ist, das allgemein mit dem Bezugszeichen 114 bezeichnet ist. Das Getriebe 114 ist konstruiert, um mindestens einen Teil seiner Antriebsleistung von der Maschine 12 aufzunehmen.
  • Die Maschine 12 kann auch eine Maschine für fossilen Brennstoff sein, wie etwa ein Dieselmotor, der einfach angepasst ist, um seine verfügbare Ausgangsleistung typischerweise mit einer konstanten Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) abzugeben. Wie es gezeigt ist, weist die Maschine 12 eine Abtriebswelle auf, die als das Antriebselement 17 des Getriebes 14 dient. Es kann auch ein Dämpfer für transientes Drehmoment (der nicht gezeigt ist) zwischen der Maschine 12 und dem Antriebselement 17 des Getriebes eingesetzt werden.
  • Ungeachtet des Mittels, durch das die Maschine 12 mit dem Getriebeantriebselement 17 verbunden ist, ist das Getriebeantriebselement 17 funktional mit einem Planetenradsatz in dem Getriebe 114 verbunden. Ein Abtriebselement 19 des Getriebes 114 ist mit einem Achsantrieb 16 verbunden.
  • Das Getriebe 114 benutzt zwei Differenzialzahnradsätze, vorzugsweise in der Natur von Planetenradsätzen 120 und 130. Der Planetenradsatz 120 wendet ein äußeres Zahnradelement 124 an, das typischerweise als das Hohlrad bezeichnet wird. Das Hohlrad 124 umgibt ein inneres Zahnradelement 122, das typischerweise als das Sonnenrad bezeichnet wird. Ein Träger 126 lagert drehbar mehrere Planetenräder 127, so dass jedes Planetenrad 127 kämmend mit sowohl dem äußeren Hohlrad 124 als auch dem inneren Sonnenrad 122 des ersten Planetenradsatzes 120 in Eingriff steht.
  • Der Planetenradsatz 130 weist auch ein äußeres Zahnradelement 134 auf, das häufig auch als das Hohlrad bezeichnet wird, welches ein inneres Zahnradelement 132 umgibt, das auch häufig als das Sonnenrad bezeichnet wird. Mehrere Planetenräder 137 sind auch drehbar in einem Träger 136 montiert, so dass jedes Planetenrad 137 gleichzeitig und kämmend mit sowohl dem äußeren Hohlrad 134 als auch dem inneren Sonnenrad 132 des Planetenradsatzes 130 in Eingriff steht.
  • Das Getriebeantriebselement 17 ist mit dem Träger 126 des Planetenradsatzes 120 verbunden. Das Getriebeabtriebselement 19 ist mit dem Träger 136 des Planetenradsatzes 130 verbunden.
  • Das Getriebe 114 umfasst auch einen ersten und zweiten Motor/Generator 180 bzw. 182. Der Stator des ersten Motors/Generators 180 ist an dem Getriebegehäuse 160 befestigt. Der Rotor des ersten Motors/Generators 180 ist an dem Sonnenrad 122 des Planetenradsatzes 120 befestigt.
  • Der Stator des zweiten Motors/Generators 182 ist auch an dem Getriebegehäuse 160 befestigt. Der Rotor des zweiten Motors/Generators 182 ist an dem Sonnenrad 132 des Planetenradsatzes 130 befestigt.
  • Eine erste Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 150, verbindet das Sonnenrad 122 des Planetenradsatzes 120 selektiv mit dem Hohlrad 134 des Planetenradsatzes 130. Eine zweite Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 152, verbindet das Hohlrad 124 des Planetenradsatzes 120 selektiv mit dem Sonnenrad 132 des Planetenradsatzes 130. Eine dritte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 154, verbindet das Sonnenrad 122 des Planetenradsatzes 120 selektiv mit dem Sonnenrad 132 des Planetenradsatzes 130. Eine vierte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie die Bremse 155, verbindet das Hohlrad 134 des Planetenradsatzes 130 selektiv mit dem Getriebegehäuse 160. Eine fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie die Bremse 157, verbindet das Hohlrad 124 des Planetenradsatzes 120 selektiv mit dem Getriebegehäuse 160. Die erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung 150, 152, 154, 155 und 157 werden angewandt, um bei der Auswahl der Betriebsmodi des Hybridgetriebes 114 zu helfen.
  • Kehren wir nun zu der Beschreibung der Leistungsquellen zurück, ist aus der vorstehenden Beschreibung und mit besonderem Bezug auf 2a ersichtlich, dass das Getriebe 114 selektiv Leistung von der Maschine 12 aufnimmt. Das Hybridgetriebe tauscht auch Leistung mit einer elektrischen Leistungsquelle 186 aus, die funktional mit einem Controller 188 verbunden ist. Die elektrische Leistungsquelle 186 kann eine oder mehrere Batterien sein. Andere elektrische Leistungsquellen, wie Brennstoffzellen, die die Fähigkeit haben, elektrische Leistung bereitzustellen oder zu speichern und abzugeben, können anstelle von Batterien verwendet werden, ohne die Konzepte der vorliegenden Erfindung zu verändern.
  • Wie es zuvor beschrieben wurde, gibt es siebzehn Funktionsanforderungen (die den 17 Zeilen jeder in den Figuren gezeigten Tabelle für Betriebsmodi entsprechen), die zu fünf Betriebsmodi gruppiert werden können. Der erste Betriebsmodus ist der ”Modus Batterie Rückwärts”, der der ersten Zeile (BATT RW) der Tabelle für Betriebsmodi von 2b entspricht. In diesem Modus ist die Maschine aus und das Getriebeelement, das mit der Maschine verbunden ist, kann effektiv freilaufen, wobei es dem Trägheitsmoment der Maschine ausgesetzt ist. Das EVT wird von einem der Motoren/Generatoren unter Verwendung von Energie von der Batterie angetrieben, was bewirkt, dass sich das Fahrzeug rückwärts bewegt. Der andere Motor/Generator kann in diesem Modus rotieren oder nicht rotieren. Wie es in 2b gezeigt ist, ist in diesem Modus beispielsweise die Bremse 155 eingerückt, der Generator 180 weist ein Drehmoment von Null auf, der Motor 182 weist ein Drehmoment von –1,00 Einheiten auf, und es wird ein Abtriebsdrehmoment von –2,88 erreicht.
  • Der zweite Betriebsmodus ist der ”Modus EVT Rückwärts” (oder der Modus mechanisch Rückwärts), der der zweiten Zeile (EVT RW) der Tabelle für Betriebsmodi von 2b entspricht. In diesem Modus wird das EVT von der Maschine und von einem der Motoren/Generatoren angetrieben. Der andere Motor/Generator arbeitet im Generatormodus und überträgt 100% der erzeugten Energie zurück zu dem antreibenden Motor. Der Nettoeffekt ist, dass das Fahrzeug rückwärts angetrieben wird. In diesem Modus sind die Kupplung 152 und die Bremse 155 eingerückt, der Generator 180 weist ein Drehmoment von –0,35 Einheiten auf, der Motor 182 weist ein Drehmoment von –3,55 Einheiten auf, und es wird ein Abtriebsdrehmoment von –8,33 erreicht, das einem Antriebsdrehmoment von 1 Einheit entspricht.
  • Der dritte Betriebsmodus umfasst die ”Modi Rückwärts- und Vorwärtsanfahren”, die der dritten und vierten Zeile (DW RW und DW VW) jeder Tabelle für Betriebsmodi, wie etwa jener von 2b, entsprechen. In diesem Modus wird das EVT von der Maschine und von einem der Motoren/Generatoren angetrieben. Ein auswählbarer Bruchteil der Energie, die in der Generatoreinheit erzeugt wird, wird in der Batterie gespeichert, wobei die restliche Energie auf den Motor übertragen wird. In DW RW sind die Kupplung 152 und die Bremse 155 eingerückt, der Motor/Generator 180 wirkt als Generator mit –0,35 Einheiten Drehmoment, der Motor/Generator 182 wirkt als Motor mit –3,09 Einheiten Drehmoment und es wird ein Drehmomentverhältnis von –7,00 erreicht. In DW VW sind die Kupplung 152 und die Bremse 155 eingerückt, der Motor/Generator 180 wirkt als Generator mit –0,35 Einheiten Drehmoment, der Motor/Generator 182 wirkt als Motor mit 0,98 Einheiten Drehmoment und es wird ein Drehmomentverhältnis von 4,69 erreicht. Für diese Drehmomentverhältnisse werden ungefähr 99% der Generatorenergie in der Batterie gespeichert.
  • Der vierte Betriebsmodus umfasst die Modi ”Bereich 1.1, Bereich 1.2, Bereich 1.3, Bereich 1.4, Bereich 2.1, Bereich 2.2, Bereich 2.3 und Bereich 2.4”, die den Zeilen 5–12 der Tabelle für Betriebsmodi von 2b entsprechen. In diesem Modus wird das EVT von der Maschine sowie von einem der Motoren/Generatoren, der als Motor arbeitet, angetrieben. Der andere Motor/Generator arbeitet als Generator und überträgt 100% der erzeugten Energie zurück zu dem Motor. Die Arbeitspunkte, die durch Bereich 1.1, 1.2, ... usw. dargestellt sind, sind diskrete Punkte in dem Kontinuum von Vorwärtsdrehzahlverhältnissen, die von dem EVT bereitgestellt werden. Beispielsweise wird in 2b bei eingerückter Kupplung 152 und Bremse 155 ein Bereich von Verhältnissen von 4,69 bis 1,86 erreicht, und bei eingerückten Kupplungen 150 und 152 wird ein Bereich von Verhältnissen von 1,36 bis 0,54 erreicht.
  • Der fünfte Betriebsmodus umfasst die Modi mit festem ”Verhältnis” (F1, F2, F3, F4 und F5), die Zeilen 13–17 der Tabelle für Betriebsmodi von 2b entsprechen. In diesem Modus arbeitet das Getriebe wie ein herkömmliches Automatikgetriebe, wobei eine Drehmomentübertragungseinrichtung eingerückt ist, um ein diskretes Getriebeübersetzungsverhältnis zu schaffen. In dem festen Verhältnis F1 sind die Kupplungen 152, 154 und die Bremse 155 eingerückt, um ein festes Verhältnis von 2,82 zu erreichen. In dem festen Verhältnis F2 sind die Kupplungen 150, 152 und die Bremse 155 eingerückt, um ein festes Verhältnis von 1,74 zu erreichen. In dem festen Verhältnis F3 sind die Kupplungen 150, 152 und 154 eingerückt, um ein festes Verhältnis von 1,00 zu erreichen. In dem festen Verhältnis F4 sind die Kupplungen 150, 152 und die Bremse 157 eingerückt, um ein festes Verhältnis von 0,60 zu erreichen. In dem festen Verhältnis F5 sind die Kupplungen 150, 154 und die Bremse 157 eingerückt, um ein festes Verhältnis von 0,39 zu erreichen.
  • Wie es oben ausgeführt wurde, ist der Einrückplan für die Drehmomentübertragungseinrichtungen in der Tabelle für Betriebsmodi und der Tabelle für Modi mit festem Verhältnis der 2b gezeigt. 2b liefert auch ein Beispiel von Drehmomentverhältnissen, die unter Verwendung der beispielhaft in 2b angegebenen Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnisse verfügbar sind. Der NR1/NS1-Wert ist das Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 120; und der NR2/NS2-Wert ist das Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 130. Das Schaubild von 2b beschreibt auch die Verhältnisstufen, die unter Verwendung des angegebenen Beispiels von Zähneverhältnissen erzielt werden. Beispielsweise beträgt das Stufenverhältnis zwischen dem ersten und zweiten festen Vorwärtsdrehmomentverhältnis 1,63, und die Verhältnisspreizung beträgt 7,32.
  • In 3a ist ein Antriebsstrang 210 gezeigt, der eine Maschine 12 umfasst, die mit einer anderen Ausführungsform des verbesserten elektrisch verstellbaren Getriebes verbunden ist, das allgemein mit dem Bezugszeichen 214 bezeichnet ist. Das Getriebe 214 ist konstruiert, um mindestens einen Teil seiner Antriebsleistung von der Maschine 12 aufzunehmen. Wie es gezeigt ist, weist die Maschine 12 eine Abtriebswelle auf, die als das Antriebselement 17 des Getriebes 214 dient. Es kann auch ein Dämpfer für transientes Drehmoment (der nicht gezeigt ist) zwischen der Maschine 12 und dem Antriebselement 17 des Getriebes 214 eingesetzt werden.
  • Ungeachtet des Mittels, durch das die Maschine 12 mit dem Getriebeantriebselement 17 verbunden ist, ist das Getriebeantriebselement funktional mit einem Planetenradsatz in dem Getriebe 214 verbunden. Ein Abtriebselement 19 des Getriebes 214 ist mit einem Achsantrieb 16 verbunden.
  • Das Getriebe 214 benutzt zwei Differenzialzahnradsätze, vorzugsweise in der Natur von Planetenradsätzen 220 und 230. Der Planetenradsatz 220 wendet ein äußeres Zahnradelement 224 an, das typischerweise als das Hohlrad bezeichnet wird. Das Hohlrad 224 umgibt ein inneres Zahnradelement 222, das typischerweise als das Sonnenrad bezeichnet wird. Ein Träger 226 lagert drehbar mehrere Planetenräder 227, 228, so dass jedes Planetenrad 227 kämmend mit dem inneren Sonnenrad 222 in Eingriff steht und jedes Planetenrad 228 gleichzeitig und kämmend mit sowohl dem äußeren Hohlrad 224 als auch dem jeweiligen Planetenrad 227 des ersten Planetenradsatzes 220 in Eingriff steht.
  • Der Planetenradsatz 230 weist auch ein äußeres Hohlrad 234 auf, das ein inneres Sonnenrad 232 umgibt. Mehrere Planetenräder 237 sind auch drehbar in einem Träger 236 montiert, so dass jedes Planetenrad 237 gleichzeitig und kämmend mit sowohl dem äußeren Hohlrad 234 als auch dem inneren Sonnenrad 232 des Planetenradsatzes 230 in Eingriff steht.
  • Das Getriebeabtriebselement 19 ist mit dem Träger 236 verbunden.
  • Das Getriebe 214 umfasst auch einen ersten und zweiten Motor/Generator 280 bzw. 282. Der Stator des ersten Motors/Generators 280 ist an dem Getriebegehäuse 260 befestigt. Der Rotor des ersten Motors/Generators 280 ist an dem Sonnenrad 222 befestigt. Der Stator des zweiten Motors/Generators 282 ist auch an dem Getriebegehäuse 260 befestigt. Der Rotor des zweiten Motors/Generators 282 ist an dem Sonnenrad 232 befestigt.
  • Eine erste Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Antriebskupplung 250, verbindet das Hohlrad 224 selektiv mit dem Antriebselement 17. Eine zweite Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 252, verbindet das Sonnenrad 222 selektiv mit dem Hohlrad 234. Eine dritte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Antriebskupplung 254, verbindet das Sonnenrad 222 selektiv mit dem Antriebselement 17. Eine vierte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie die Bremse 255, verbindet das Hohlrad 234 selektiv mit dem Getriebegehäuse 260. Eine fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Bremse 257, verbindet das Hohlrad 224 selektiv mit dem Getriebegehäuse 260. Eine sechste Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Bremse 258, ist parallel zu dem Motor/Generator 282 geschaltet, um dessen Rotation selektiv zu bremsen. Die erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Drehmomentübertragungseinrichtung 250, 252, 254, 255, 257 und 258 werden angewandt, um bei der Auswahl der Betriebsmodi des Hybridgetriebes 214 zu helfen.
  • Das Hybridgetriebe 214 nimmt Leistung von der Maschine 12 und auch von einer elektrischen Leistungsquelle 286 auf, die funktional mit einem Controller 288 verbunden ist.
  • Die Tabelle für Betriebsmodi von 3b veranschaulicht die Kupplungseinrückungen, die Motor/Generator-Bedingungen und die Abtrieb/Antrieb-Verhältnisse für die fünf Betriebsmodi des Getriebes 214. Diese Modi umfassen den ”Modus Batterie Rückwärts” (BATT RW), den ”Modus EVT Rückwärts” (EVT RW), ”Modi Rückwärts- und Vorwärtsanfahren” (DW RW und DW VW), ”Modi Bereich 1.1, 1.2, 1.3 und ”Modi mit festem Verhältnis” (R1, F1, F2, F3 und F4), wie es zuvor beschrieben wurde.
  • Wie es oben ausgeführt wurde, ist der Einrückplan für die Drehmomentübertragungseinrichtungen in der Tabelle für Betriebsmodi und der Tabelle für Modi mit festem Verhältnis von 3b gezeigt. 3b liefert auch ein Beispiel von Drehmomentverhältnissen, die unter Verwendung der beispielhaft in 3b angegebenen Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnisse verfügbar sind. Der NR1/NS1-Wert ist das Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 220; und der NR2/NS2-Wert ist das Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 230. Das Schaubild von 3b beschreibt auch die Verhältnisstufen, die unter Verwendung des angegebenen Beispiels von Zähneverhältnissen erzielt werden. Beispielsweise beträgt das Stufenverhältnis zwischen dem ersten und zweiten festen Vorwärtsdrehmomentverhältnis 1,54, und die Verhältnisspreizung beträgt 5,40.
  • In 4a ist ein Antriebsstrang 310 gezeigt, der eine Maschine 12 umfasst, die mit einer anderen Ausführungsform des verbesserten elektrisch verstellbaren Getriebes verbunden ist, das allgemein mit dem Bezugszeichen 314 bezeichnet ist. Das Getriebe 314 ist konstruiert, um mindestens einen Teil seiner Antriebsleistung von der Maschine 12 aufzunehmen.
  • Wie es gezeigt ist, weist die Maschine 12 eine Abtriebswelle auf, die als das Antriebselement 17 des Getriebes 314 dient. Es kann auch ein Dämpfer für transientes Drehmoment (der nicht gezeigt ist) zwischen der Maschine 12 und dem Antriebselement 17 des Getriebes eingesetzt werden.
  • Ungeachtet des Mittels, durch das die Maschine 12 mit dem Getriebeantriebselement 17 verbunden ist, ist das Getriebeantriebselement 17 funktional mit einem Planetenradsatz in dem Getriebe 314 verbunden. Ein Abtriebselement 19 des Getriebes 314 ist mit einem Achsantrieb 16 verbunden.
  • Das Getriebe 314 benutzt zwei Planetenradsätze 320 und 330. Der Planetenradsatz 320 wendet ein äußeres Hohlrad 324 an, das ein inneres Sonnenrad 322 umgibt. Ein Träger 326 lagert drehbar mehrere Planetenräder 327, so dass jedes Planetenrad 327 kämmend mit sowohl dem äußeren Hohlrad 324 als auch dem inneren Sonnenrad 322 des ersten Planetenradsatzes 320 in Eingriff steht.
  • Der Planetenradsatz 330 weist auch ein äußeres Hohlrad 334 auf, das ein inneres Sonnenrad 332 umgibt. Ein Träger 336 lagert drehbar mehrere Planetenräder 337, 338, so dass jedes Planetenrad 337 kämmend mit dem äußeren Hohlrad 324 in Eingriff steht und jedes Planetenrad 338 gleichzeitig und kämmend mit sowohl dem inneren Sonnenrad 332 als auch dem jeweiligen Planetenrad 337 des Planetenradsatzes 330 in Eingriff steht.
  • Das Getriebeabtriebselement 19 ist mit dem Hohlrad 334 verbunden.
  • Das Getriebe 314 umfasst auch einen ersten und zweiten Motor/Generator 380 bzw. 382. Der Stator des ersten Motors/Generators 380 ist an dem Getriebegehäuse 360 befestigt. Der Rotor des ersten Motors/Generators 380 ist selektiv mit dem Hohlrad 334 oder dem Sonnenrad 322 über die Klauenkupplung 392 verbindbar, die jeweils zwischen Positionen A bzw. B abwechselt. Der Rotor des ersten Motors/Generators 380 ist mit der Klauenkupplung 392 über eine versetzte Zahnradanordnung 394 verbunden. Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung könnte ein Paar Drehmomentübertragungseinrichtungen verwendet werden, um die selektive Einrückung zu bewerkstelligen, wie sie durch die Klauenkupplung 392 erreicht wird, wie es Fachleute verstehen werden.
  • Der Stator des zweiten Motors/Generators 382 ist auch an dem Getriebegehäuse 360 befestigt. Der Rotor des zweiten Motors/Generators 382 ist an dem Sonnenrad 332 befestigt.
  • Eine erste Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Antriebskupplung 350, verbindet den Träger 326 selektiv mit dem Antriebselement. Eine zweite Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Kupplung 352, verbindet das Sonnenrad 322 selektiv mit dem Träger 336. Eine dritte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Antriebskupplung 354, verbindet das Sonnenrad 322 selektiv mit dem Antriebselement 17. Eine vierte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Bremse 355, verbindet den Träger 336 selektiv mit dem Getriebegehäuse 360. Eine fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung, wie Bremse 357, verbindet den Träger 326 selektiv mit dem Getriebegehäuse 360. Eine sechste Drehmomentübertragungseinrichtung, wie die Bremse 358, ist parallel zu dem Motor/Generator 382 geschaltet, um dessen Rotation selektiv zu bremsen. Die erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Drehmomentübertragungseinrichtung 350, 352, 354, 355, 357 und 358 und die Klauenkupplung 392 werden angewandt, um bei der Auswahl der Betriebsmodi des Getriebes 314 zu helfen.
  • Das Hybridgetriebe 314 nimmt Leistung von der Maschine 12 auf und tauscht auch Leistung mit einer elektrischen Leistungsquelle 386 aus, die funktional mit einem Controller 388 verbunden ist.
  • Die Tabelle für Betriebsmodi von 4b veranschaulicht die Kupplungseinrückungen, die Motor/Generator-Bedingungen und die Abtrieb/Antrieb-Verhältnisse für die fünf Betriebsmodi des Getriebes 314. Diese Modi umfassen den ”Modus Batterie Rückwärts” (BATT RW), den ”Modus EVT Rückwärts” (EVT RW), ”Modi Rückwärts- und Vorwärtsanfahren” (DW RW und DW VW), ”Modi mit stufenlos verstellbarem Getriebebereich” (Bereich 1.1, 1.2, 1.3, ...) und ”Modi mit festem Verhältnis” (R1, F1, F2, F3 und F4), wie es zuvor beschrieben wurde.
  • Wie es oben ausgeführt wurde, ist der Einrückplan für die Drehmomentübertragungseinrichtungen in der Tabelle für Betriebsmodi und der Tabelle für Modi mit festem Verhältnis der 4b gezeigt. 4b liefert auch ein Beispiel von Drehmomentverhältnissen, die unter Verwendung der beispielhaft in 4b angegebenen Hohlrad/Sonnenrad-Zähneverhältnisse verfügbar sind. Der NR1/NS1-Wert ist das Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 320; und der NR2/NS2-Wert ist das Zähneverhältnis des Planetenradsatzes 330. Das Schaubild von 4b beschreibt auch die Verhältnisstufen, die unter Verwendung des angegebenen Beispiels von Zähneverhältnissen erzielt werden. Beispielsweise beträgt das Stufenverhältnis zwischen dem ersten und zweiten festen Vorwärtsdrehmomentverhältnis 1,54, und die Verhältnisspreizung beträgt 5,40.
  • In den Ansprüchen bezieht sich der Wortlaut ”ständig verbunden” oder ”verbindet ständig” auf eine direkte Verbindung oder eine proportional übersetzte Verbindung, wie etwa eine Zahnradanordnung an einer versetzten Achse. Auch kann das ”feststehende Element” oder ”Masse” das Getriebegehäuse (Kasten) oder irgendeine andere nicht rotierende Komponente oder Komponenten umfassen. Auch wenn gesagt wird, dass ein Drehmomentübertragungsmechanismus etwas mit einem Element eines Zahnradsatzes verbindet, kann er auch mit einem Verbindungselement verbunden sein, das ihn mit diesem Element verbindet.

Claims (9)

  1. Elektrisch verstellbares Getriebe (14; 214; 314), umfassend: ein Antriebselement (17) zur Aufnahme von Leistung von einer Maschine (12); ein Abtriebselement (19); einen ersten und zweiten Motor/Generator (MG1; MG2); einen ersten und zweiten Planetenradsatz (20, 30; 220, 230; 320, 330), die jeweils ein erstes, zweites und drittes Element (22, 24, 26, 32, 34, 36; 222, 224, 226, 232, 234, 236; 322, 324, 326, 332, 334, 336) aufweisen, die jeweils ein Sonnenrad (22, 32; 222, 232; 322, 332), ein Hohlrad (24, 34; 224, 234; 324, 334) und einen Träger (26, 36; 226, 236; 326, 33) des jeweiligen Planetenradsatzes (20, 30; 220, 230; 320, 330) bilden; wobei das Abtriebselement (19) ständig mit einem Element (36; 236; 334) des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator (MG1) ständig mit einem Element (22; 222; 322) des ersten Planetenradsatzes (20, 220) verbunden ist oder selektiv über eine Klauenkupplung (392) mit einem Element (322, 334) des ersten oder zweiten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der zweite Motor/Generator (MG2) ständig mit einem Element (24; 226; 324) des ersten oder zweiten Planetenradsatzes (20; 220; 320) verbunden ist; und eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung (50, 52, 54, 55, 57; 250, 252, 254, 255, 257; 350, 352, 354, 355, 357) zum selektiven Verbinden der Elemente des ersten und zweiten Planetenradsatzes mit dem Antriebselement (17), mit einem feststehenden Element (60; 260; 360) oder mit anderen Elementen der Planetenradsätze, wobei die erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung einrückbar sind, um ein elektrisch verstellbares Getriebe mit einem stufenlos verstellbaren Bereich von Drehzahlverhältnissen (Bereiche 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 2.1, 2.2, 2.3, 3.4) und zumindest vier festen Vorwärtsdrehzahlverhältnissen (F1, F2, F3, F4) zwischen dem Antriebselement (17) und dem Abtriebselement (19) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmomentübertragungseinrichtung (54; 254; 354) der fünf Drehmomentübertragungseinrichtungen das Antriebselement (17) selektiv mit dem Sonnenrad (22; 222; 322) des ersten Planetenradsatzes (20; 220; 320) verbindet und eine weitere Drehmomentübertragungseinrichtung (50; 250; 350)) der fünf Drehmomentübertragungseinrichtungen das Antriebselement (17) selektiv mit dem Träger (26; 326) oder dem Hohlrad (224) des ersten Planetenradsatzes verbindet, wobei die beiden Drehmomentübertragungseinrichtungen (50, 54; 250; 350, 354) parallel geschaltet sind.
  2. Elektrisch verstellbares Getriebe (14; 214; 314) nach Anspruch 1, wobei Träger (26, 36; 236; 326) von jedem der Planetenradsätze (20, 30; 230; 320) Einzelplanetenträger sind.
  3. Elektrisch verstellbares Getriebe (14; 214; 314) nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Träger (226; 336) der Planetenradsätze (220; 330) ein Doppelplanetenträger ist.
  4. Elektrisch verstellbares Getriebe (14; 214; 314) nach Anspruch 1, wobei die erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung (50, 52, 54, 55, 57; 250, 252, 254, 255, 257; 350, 352, 354, 355, 357) und der erste und zweite Motor/Generator (MG1, MG2) betreibbar sind, um in dem elektrisch verstellbaren Getriebe fünf Betriebsmodi bereitzustellen, die einen Modus Batterie Rückwärts (BATT RW), einen Modus EVT Rückwärts (EVT RW), Modi Rückwärts- und Vorwärtsanfahren (DW RW, DW VW), einen Modus mit stufenlos verstellbarem Getriebebereich (Bereiche 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 2.1, 2.2, 2.3, 3.4) und einen Modus mit festem Verhältnis (F1, F2, F3, F4) umfassen.
  5. Elektrisch verstellbares Getriebe (14; 214; 314) nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Verbindungselement (70), das das Hohlrad (24) des ersten Plantenradsatzes (20) ständig mit dem Sonnenrad (32) des zweiten Plantenradsatzes (30) verbindet.
  6. Elektrisch verstellbares Getriebe (14; 214; 314) nach Anspruch 5, ferner umfassend: eine sechste Drehmomentübertragungseinrichtung (58; 160; 258; 358), die parallel zu einem von dem ersten und zweiten Motor/Generator (MG2) geschaltet ist, um dessen Rotation selektiv zu verhindern; und wobei die erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Drehmomentübertragungseinrichtung (50, 52, 54, 55, 57, 58; 250, 252, 254, 255, 257, 258; 350, 352, 354, 355, 357, 350) und der erste und zweite Motor/Generator (MG1, MG2) betreibbar sind, um in dem elektrisch verstellbaren Getriebe fünf Betriebsmodi bereitzustellen, die einen Modus Batterie Rückwärts, (BATT RW) einen Modus EVT Rückwärts (EVT RW), Modi Rückwärts- und Vorwärtsanfahren (DW RW, DW VW), einen Modus mit stufenlos verstellbarem Getriebebereich (Bereiche 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 2.1, 2.2, 2.3, 3.4) und einen Modus mit festem Verhältnis (F1, F2, F3, F4, R1) einschließlich eines mechanischen Rückwärtsverhältnisses (R1) umfassen.
  7. Elektrisch verstellbares Getriebe (14; 214; 314) nach Anspruch 1, wobei die zweite Drehmomentübertragungseinrichtung (52; 252; 352) das Hohlrad (34; 234) oder den Träger (336) des zweiten Planetenradsatzes (30; 230; 330) selektiv mit dem Sonnenrad (22; 222; 322) des ersten Planetenradsatzes (20; 220; 320) verbindet.
  8. Elektrisch verstellbares Getriebe (14; 214; 314) nach Anspruch 1, wobei die vierte Drehmomentübertragungseinrichtung (55, 255; 355) das Hohlrad (34; 234) oder den Träger (336) des zweiten Planetenradsatzes (30; 230; 330) selektiv mit dem feststehenden Element (60; 260; 360) verbindet.
  9. Elektrisch verstellbares Getriebe (14; 214; 314) nach Anspruch 1, wobei die fünfte Drehmomentübertragungseinrichtung (57, 257; 357) den Träger (26; 326) oder das Hohlrad (224) des ersten Planetenradsatzes (20; 220; 320) selektiv mit dem feststehenden Element (60; 260; 360) verbindet.
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