DE60223632T2

DE60223632T2 - Stufenloses elektrisches Verzweigungsgetriebe mit unabhängiger Gangschaltung

Info

Publication number: DE60223632T2
Application number: DE60223632T
Authority: DE
Inventors: Alan G. Fishers Holmes
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-08-13
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2022-06-04
Also published as: US20030032515A1; DE60223632D1; EP1286082A3; US6540631B2; EP1286082B1; EP1286082A2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft ein elektrisch variables Getriebe für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs und insbesondere ein elektrisch variables Getriebe, das ein Eingangsverzweigungsdifferentialgetriebe mit einem variablen Übersetzungsverhältnis und unabhängig geschaltete Energiepfade durch das Getriebe aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein elektrisch variables Getriebe (EVT) verwendet eine oder mehrere elektrische Maschinen (welche als Motoren oder Generatoren betrieben werden können) und eine Differentialgetriebeanordnung, um einen Antrieb mit einem kontinuierlich variablen Übersetzungsverhältnis zwischen Antrieb und Abtrieb bereitzustellen. Ein EVT ist besonders nützlich bei hybridelektrischen Fahrzeugantriebssträngen, die einen Verbrennungsmotor umfassen, welche mit dem Getriebeantrieb direkt gekoppelt ist, und die auch eine elektrische Speicherbatterie umfassen, die zur Bereitstellung von Energie für den Vortrieb und zur Rückgewinnung von Energie aus dem Bremsen verwendet wird. Ein EVT ist auch bei einem Verbrennungsmotor besonders nützlich, die für einen Betrieb bei einer konstanten Drehzahl konzipiert ist.
Ein derartiger Antriebsstrang ist in dem US-Patent Nr. 5,931,757 gezeigt und beschrieben, das am 3. August 1999 an Schmidt erteilt wurde und dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört. Bei Schmidt sind die elektrischen Maschinen mit einem zusammengesetzten Planetendifferentialzahnradsatz in geeigneter Weise an einer gemeinsamen Achse angeord net, und ein Betrieb über einen weiten Abtriebsdrehzahlbereich wird erreicht, ohne dass unerwünscht hohe Drehzahlen der elektrischen Maschine benötigt werden, indem mehrere Reibungskupplungen verwendet werden, um die Betriebsart des Zahnradsatzes bei einer Abtriebsdrehzahl in einem mittleren Bereich umzukonfigurieren oder zu schalten. Ein Erhöhen der Betriebsartenanzahl wird den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs verbessern und die Kapazität, die Kosten und das Gewicht der elektrischen Maschinen minimieren. Bei EVT-Konfigurationen nach Stand der Technik wurde die Anzahl der Betriebsarten aufgrund von Überlegungen bezüglich der Kosten, der Getriebekomplexität, der Größe, des Gewichts und so weiter jedoch minimiert.
Um die Kupplungsenergie und Störungen des Abtriebsdrehmoments beim Schalten zu minimieren, werden die Kupplungen bei der Schmitt-Konfiguration synchron betrieben – das heißt mit einer relativen Drehzahl von im Wesentlichen Null zwischen den zwei Seiten eines jeden Kupplungsmechanismus. Ein anderer Weg zur Minimierung der Kupplungsenergie besteht in einer Unterbrechung des Energieflusses durch das Getriebe, wie sie bei Kraftfahrzeugschaltgetrieben und bei dem automatisierten Schaltgetriebe (AMT) sehr gut bekannt ist. Um ein Unterbrechen des Energieflusses zu vermeiden, kann ein AMT mit mehreren Energiepfaden konfiguriert sein, wobei ein Energiepfad aktiv bleibt, während der andere schaltet; derartige Konfigurationen erfordern jedoch typischerweise eine Duplizierung vieler Teile.
DE 199 03 936 A1 offenbart ein Getriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches zwei parallele Drehmomentpfade umfasst, und eine Klauenkupplung wird geschaltet, während die Energie durch den anderen Pfad übertragen wird.
Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente EVT-Konfiguration mit mehreren Energiepfaden und mehreren Betriebsarten bereitzustellen, welche kleiner und weniger teuer und weniger komplex als gegenwärtig bekannte EVT-Konfigurationen ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine verbesserte EVT-Konfiguration gerichtet, die einen mechanischen Energiepfad vom Antrieb zum Abtrieb durch ein Eingangsverzweigungsdifferentialgetriebe, eine erste elektrische Maschine, die das Übersetzungsverhältnis zwischen Antrieb und Abtrieb regelt, einen teilweise elektrischen Energiepfad an den Abtrieb und eine zweite elektrische Maschine umfasst, die als ein elektrischer Energieausgleich funktioniert. Beide Energiepfade sind unabhängig rekonfigurierbar, um mehrere Betriebsarten zur Verringerung der Drehmoment- und Drehzahlanforderungen an die zweite elektrische Maschine bereitzustellen, und um eine Energieunterbrechung während eines Schaltens zu verhindern. Beispielsweise kann während einer Rekonfiguration des mechanischen Energiepfads eine externe elektrische Quelle, wie z. B. eine Speicherbatterie, durch die zweite elektrische Maschine den Abtrieb mit Drehmoment versorgen.
Eine Rekonfiguration des elektrischen Energiepfads wird vorzugsweise durchgeführt, wenn das von der zweiten elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment im Wesentlichen Null ist. Wenn elektrische Energie weder aus dem EVT entzogen noch dem EVT bereitgestellt wird, wird die zweite Maschine ein Nulldrehmoment erzeugen, wenn die Drehzahl der ersten elektrischen Maschine im Wesentlichen Null ist. Wenn elektrische Energie aus einer Speicherbatterie oder einer anderen externen Quelle gezogen oder von dieser bereitgestellt wird, wird die zweite elektrische Maschine ein Nulldrehmoment erzeugen, wenn die von der ersten elektrischen Maschine benötigte Energie gleich der Energie ist, die von der externen Quelle bereitgestellt werden kann.
Eine Rekonfiguration der Energiepfade wird vorzugsweise durch Kupplungen erreicht, die Gleitkeile oder andere kompakte Mittel aufweisen, welche man typischerweise bei dem Schaltgetriebe und bei dem AMT findet. Bei der dargestellten Ausführungsform wird ein System von überlappenden Gleitkeilen verwendet, um alle Konfigurationen von Differentialgetrieben zu wählen, die von einem einzigen Planetengetriebe bereitgestellt werden.
Bei einer bevorzugten Implementierung umfasst das EVT der vorliegenden Erfindung erste und zweite unabhängig rekonfigurierbare Zahnradsätze mit mehreren Betriebsarten, die durch eine Verbindungswelle seriell gekoppelt sind, und es weist ein automatisiertes Schaltgetriebegetriebe mit verringerten Kosten, verringerter Größe und verringerter Komplexität auf. Der erste Zahnradsatz koppelt einen Antrieb und die erste elektrische Maschine differentiell mit der Verbindungswelle, und der zweite Zahnradsatz koppelt die Verbindungswelle mit einem Abtrieb. Die zweite elektrische Maschine ist mit dem zweiten Zahnradsatz über ein AMT-Getriebe mit mehreren Betriebsarten gekoppelt, um einen Energieausgleich bereitzustellen, und ein unabhängiges Rekonfigurieren der Zahnradsätze und der Kopplung der zweiten Maschine multipliziert die Anzahl der Gesamtgetriebebetriebsarten, um einen verbesserten Wirkungsgrad ohne eine wesentliche Erhöhung der Kosten, der Größe und der Komplexität des Getriebes bereitzustellen, und ohne die Vorteile bekannter EVT-Konfigurationen aufzugeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A, 1B, 1C, 1D, 1E und 1F sind schematische Darstellungen eines EVTs, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung ausführt und das verschiedene mögliche EVT-Betriebsarten erläutert.
2 ist ein Diagramm, welches das EVT dieser Erfindung angewandt auf einen hybridelektrischen Fahrzeugantriebsstrang erläutert.
3, Graphen A–D stellen einen repräsentativen Betrieb des EVTs von 1 dar. Graphen A, B und C stellen verschiedene Betriebsarten des EVTs relativ zu der Abtriebsdrehzahl dar, und Graph D stellt verschiedene Drehzahlen der EVT-Welle relativ zu der Abtriebsdrehzahl dar.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Auf 1 Bezug nehmend bezeichnet das Bezugszeichen 10 allgemein eine Ausführungsform eines Getriebes mit einer elektrisch variablen Übersetzung (EVT) eines Kraftfahrzeugs gemäß dieser Erfindung. Das EVT 10 weist eine Antriebswelle 12 auf, die vorzugsweise von einem Verbrennungsmotor entweder direkt oder über eine Antriebskupplung angetrieben wird. Der Motor kann eine Vielzahl verschiedener Formen annehmen und treibt die Antriebswelle 12 bei einem typischen hybriden Antriebsstrang im Anschluss an eine Fahrzeugstartphase während einer Fahrzeugvorwärtsbewegung mit einer konstanten Drehzahl an. Eine Abtriebswelle 14 des EVT 10 kann mit Antriebsrädern des Fahrzeugs durch einen herkömmlichen (nicht gezeigten) Differentialzahnradsatz gekoppelt sein.
Das EVT 10 umfasst erste und zweite Planetenzahnradsätze 16, 18, die durch eine Verbindungswelle 20 seriell gekoppelt sind, und zwei elektrische Maschinen 22, 24, wobei die Maschinen 22, 24 wie gezeigt mit den Zahnradsätzen 16, 18 koaxial ausgerichtet sind. Die Maschinen 22, 24 können entweder in Motor- oder in Generatorbetriebsarten betrieben werden und sind vorzugsweise als Induktionsmaschinen konfiguriert, obwohl andere Konfigurationen möglich sind. Die Maschine 22 umfasst einen gewickelten Stator 22a und einen Rotor 22b, und die Maschine 24 umfasst einen gewickelten Stator 24a und einen Rotor 24b. Der Rotor 22a ist zur Drehung an Hohlwellen 26a, 26b montiert, und der Rotor 24a ist zur Drehung an Hohlwellen 28a, 28b montiert.
Auf herkömmliche Weise umfasst jeder Planetenzahnradsatz 16, 18 ein äußeres (Hohl-)Rad, das ein inneres (Sonnen-)Rad umgibt, und mehrere Planetenräder, die an einem Träger derart drehbar montiert sind, dass jedes Planetenrad sowohl in das äußere Zahnrad als auch das innere Zahnrad kämmend eingreift. Auf diese Weise umfasst der Zahnradsatz 16 ein Hohlrad 30, ein Sonnenrad 32 und einen Satz von Planetenrädern 34, die an einem Träger 36 montiert sind; der Zahnradsatz 18 umfasst ein Hohlrad 38, ein Sonnenrad 40 und einen Satz von Planetenrädern 42, die an einem Träger 44 montiert sind.
Die Sonnen-, Träger- und Hohlräder 32, 36, 30 des Zahnradsatzes 16 sind durch eine Getriebeanordnung eines automatisierten Schaltgetriebes (AMT) mit der Antriebswelle 12, dem Rotor 22b und der Verbindungswelle 20 rekonfigurierbar gekoppelt, bei welcher Anordnung der Zahnradsatz 16 mit Bezug auf axial feststehende Keile 46, 48, 50, 52 axial verschiebbar ist, welche mit der Antriebswelle 12, den Hohlwellen 26a, 26b bzw. der Verbindungswelle 20 gekoppelt sind, um eine gewünschte Konfiguration zu schaffen. 1A–1F stellen sechs verschiedene Konfigurationen dar, welche vier Vorwärtskonfigurationen und zwei Rückwärtskonfigurationen umfassen, von denen jede eine Eingangsverzweigung zwischen der Verbindungswelle 20 und dem Rotor 22b bereitstellt. 1A stellt eine erste Konfiguration des Zahnradsatzes 16 dar, bei welcher die Antriebswelle 12 mit dem Sonnenrad 32 gekoppelt ist, die Verbindungswelle 20 mit dem Träger 36 gekoppelt ist und der Rotor 22b über die Hohlwelle 26b mit dem Hohlrad 30 gekoppelt ist, wodurch eine maximale Vorwärtsdrehzahlverringerung der Verbindungswelle 20 bezüglich der Antriebswelle 12 geschaffen wird. 1B stellt eine zweite Konfiguration dar, bei welcher die Antriebswelle 12 mit dem Hohlrad 30 gekoppelt ist, die Verbindungswelle 20 mit dem Träger 36 gekoppelt ist und der Rotor 22b über die Hohlwelle 26b mit dem Sonnenrad 32 gekoppelt ist, wodurch eine minimale Vorwärtsdrehzahlverringerung der Verbindungswelle 20 bezüglich der Antriebswelle 12 geschaffen wird. 1C stellt eine dritte Konfiguration dar, bei welcher die Antriebswelle 12 mit dem Träger 36 gekoppelt ist, die Verbindungswelle 20 mit dem Hohlrad 30 gekoppelt ist und der Rotor 22b über die Hohlwelle 26a mit dem Sonnenrad 32 gekoppelt ist, wodurch ein minimaler Vorwärts-Overdrive der Verbindungswelle 20 bezüglich der Antriebswelle 12 geschaffen wird. 1D stellt eine vierte Konfiguration dar, bei welcher die Antriebswelle 12 mit dem Träger 36 gekoppelt ist, die Verbindungswelle 20 mit dem Sonnenrad 32 gekoppelt ist und der Rotor 22b über die Hohlwelle 26a mit dem Hohlrad 30 gekoppelt ist, wodurch ein maximaler Vorwärts-Overdrive der Verbindungswelle 20 bezüglich der Antriebswelle 12 geschaffen wird. 1E stellt eine fünfte Konfiguration dar, bei welcher die Antriebswelle 12 mit dem Sonnenrad 32 gekoppelt ist, die Verbindungswelle 20 mit dem Hohlrad 30 gekoppelt ist und der Rotor 22b über die Hohlwelle 26a mit dem Träger 36 gekoppelt ist, wodurch eine minimale Rückwärtsdrehzahlverringerung der Verbindungswelle 20 bezüglich der Antriebswelle 12 geschaffen wird. Schließlich stellt 1F eine sechste Konfiguration dar, bei welcher die Antriebswelle 12 mit dem Hohlrad 30 gekoppelt ist, die Verbindungswelle 20 mit dem Sonnenrad 32 gekoppelt ist und der Rotor 22b über die Hohlwelle 26b mit dem Träger 36 gekoppelt ist, wodurch ein Rückwärts-Overdrive der Verbindungswelle 20 bezüglich der Antriebswelle 12 geschaffen wird. Selbstverständlich steuert bei jeder Konfiguration ein Betreiben der Maschine 22 zum Variieren der Drehzahl des Rotors 22b das tatsächliche Übersetzungsverhältnis zwischen der Antriebswelle 12 und der Verbindungswelle 20 elektrisch, und der "mechanische Punkt" der Konfiguration ist als das Übersetzungsverhältnis definiert, das aktiv ist, wenn die Drehzahl des Rotors 22b Null ist.
Der zweite Planetenzahnradsatz 18 koppelt die Verbindungswelle 20 rekonfigurierbar mit der Abtriebswelle 14. Die Abtriebswelle 14 ist mit dem Träger 44 gekoppelt und das Sonnenrad 40 ist wie gezeigt mit Masse verbunden. Der Träger und das Hohlrad 44, 38 sind mit der Verbindungswelle 20 durch eine Getriebeanordnung eines automatisierten Schaltgetriebes (AMT) rekonfigurierbar gekoppelt, bei welcher der Zahnradsatz 18 bezüglich der axial festen Keile 54, welche mit der Verbindungswelle 20 gekoppelt sind, axial verschiebbar ist, um eine gewünschte Konfiguration zu schaffen. 1A, 1C, 1D und 1E stellen eine erste Konfiguration dar, bei welcher die Verbindungswelle 20 mit dem Träger 44 gekoppelt ist (der auch mit der Abtriebswelle 14 verbunden ist), wodurch ein Vorwärtsdirekt- oder 1:1-Antrieb zwischen der Verbindungswelle 20 und der Abtriebswelle 14 geschaffen wird. 1B und 1F stellen eine zweite Konfiguration dar, bei welcher die Verbindungswelle 20 mit dem Hohlrad 38 gekoppelt ist, wodurch eine feste Drehzahlverringerung der Abtriebswelle 14 bezüglich der Verbindungswelle 20 geschaffen wird.
Der Rotor 24b der Maschine 24 ist mit dem Träger und dem Hohlrad 44, 38 des Zahnradsatzes 18 durch eine Getriebeanordnung eines AMT rekonfigurierbar gekoppelt, bei welcher ein Keil 56, der mit dem Innenumfang des Rotors 24b gekoppelt ist, bezüglich des Zahnradsatzes 18 axial verschoben wird, um die gewünschte Konfiguration zu schaffen. 1A, 1C, 1D und 1E stellen eine Konfiguration dar, bei welcher der Rotor 24b mit dem Hohlrad 38 gekoppelt ist, was es der Maschine 24 ermöglicht, die Abtriebswelle 14 mit einer verringerten Drehzahl bezüglich der Drehzahl des Rotors 24b zu betreiben. 1B und 1F stellen eine Konfiguration dar, bei welcher der Rotor 24b direkt mit dem Träger 36 und der Abtriebswelle 14 gekoppelt ist.
Die Getriebeanordnungen des AMT, welche die Verbindungswelle 20 mit der Antriebswelle 12 und der Abtriebswelle 14 koppeln, werden unabhängig rekonfiguriert, um die Anzahl von mechanischen Punkten zwischen der Antriebswelle 12 und der Abtriebswelle 14 zu multiplizieren. Bei der dargestellten Ausführungsform, bei welcher der Zahnradsatz 16 konfiguriert sein kann, um vier verschiedene Eingangsverzweigungs-Vorwärtsübersetzungsverhältnisse und zwei verschiedene Eingangsverzweigungs-Rückwärtsübersetzungsverhältnisse zu schaffen, und der Zahnradsatz 18 konfiguriert sein kann, um zwei verschiedene Vorwärtsübersetzungsverhältnisse zu schaffen, ist das EVT 10 in der Lage, zwölf verschiedene Drehzahlübersetzungsverhältnisse bereitzustellen: acht vorwärts und vier rückwärts. Die Kopplung zwischen der Maschine 24 und dem Zahnradsatz 18 ist ebenfalls zu einer unabhängigen Konfiguration in der Lage, wird aber vorzugsweise während eines Betriebs der Maschine 24 mit einem Nulldrehmoment rekonfiguriert. Bei einer bevorzugten Implementierung wird die Maschine 24 primär in einer Motorbetriebsart betrieben, um den Verbrennungsmotor zu unterstützen und die Abtriebswelle 14 während einer Rekonfiguration (eines Schaltens) der Zahn radsätze 16 und 18 mit Drehmoment zu versorgen, und die Maschine 22 wird abwechselnd in einer Generatorbetriebsart, um elektrische Energie zur Befriedigung der Energieanforderungen der Maschine 24 zu entwickeln, und in einer Motorbetriebsart betrieben, die von der Maschine 24 versorgt wird. Falls keine elektrische Energiequelle verfügbar ist, treten die Punkte der Maschine 24 mit einem Nulldrehmoment an den mechanischen Punkten des Zahnradsatzes 16 auf, wenn die Maschine 22 nicht in der Lage ist, Energie zum Betreiben der Maschine 24 zu erzeugen. Wenn andererseits eine externe elektrische Energiequelle verfügbar ist, um die Maschine 24 mit Energie zu versorgen, müssen die Punkte mit einem Nulldrehmoment nicht mit den mechanischen Punkten des Zahnradsatzes 16 übereinstimmen, und sie treten stattdessen auf, wenn die von der Maschine 22 benötigte Energie gleich der Energie ist, die von der externen Quelle bereitgestellt werden kann.
Das Blockdiagramm von 2 stellt das EVT 10 in dem Kontext eines hybridelektrischen Fahrzeugantriebsstrangs dar. Der Zahnradsatz 16 ist als Differentialgetriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis bezeichnet, wobei die Maschine 22 das Übersetzungsverhältnis steuert, und der Zahnradsatz 18 ist als Getriebe mit variablem (schaltbarem) Übersetzungsverhältnis bezeichnet. Wie voranstehend erläutert, ist ein Verbrennungsmotor 60 (Antrieb) durch die Zahnradsätze 16 und 18 mit den Rädern 64 (Abtrieb) gekoppelt, und die Maschine 24 ist durch den Zahnradsatz 18 ebenfalls mit den Rädern 64 gekoppelt. Alternativ kann die Maschine 24 selbstverständlich durch einen anderen Zahnradsatz, der zusammen mit oder entfernt von dem Zahnradsatz 18 eingebaut ist, mit den Rädern 64 (entweder den gleichen Rädern oder unterschiedlichen Rädern) gekoppelt sein. Schließlich sind beide Maschinen 22 und 24 mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 62 elektrisch gekoppelt, welche sowohl zum Versorgen der Maschinen 22, 24 mit elektrischer Energie als auch zur Aufnahme von elektrischer Energie in der Lage ist, welche von den Maschinen 22, 24 erzeugt wird.
Die Graphen A–D von 3 stellen einen Vorwärtsbetrieb des EVT 10 bei voller Leistung ohne eine externe elektrische Energiequelle bei einer Implementierung mit sechs Drehzahlen dar, die drei Vorwärtskonfigurationen des Zahnradsatzes 16 und die zwei Konfigurationen des Zahnradsatzes 18 und eine selektive Konfiguration der Maschine 24 verwendet. Die drei Vorwärtskonfigurationen des Zahnradsatzes 16 umfassen die in 1B dargestellte Anordnung mit minimaler Drehzahlverringerung (MIN-RED), die in 1C dargestellte Anordnung mit minimalem Overdrive (MIN-OD) und die in 1D dargestellte Anordnung mit maximalem Overdrive (MAX-CD), und die gewählte Konfiguration ist in Graph A als eine Funktion der Abtriebswellendrehzahl dargestellt. Auf ähnliche Weise stellt Graph B die gewählte Konfiguration – Verringerung (RED) oder 1:1 – des Zahnradsatzes 18 dar, und Graph C stellt die gewählte Konfiguration – Verringerung (RED) oder 1:1 – der Maschine 24 dar, beide als eine Funktion der Abtriebswellendrehzahl. Graph D stellt die Antriebswellendrehzahl (IN) und die entsprechenden Drehzahlen des Rotors 22b (M1), des Rotors 24b (M2) und der Verbindungswelle 22 (CS) dar.
Bei niedrigen Vorwärtsabtriebsdrehzahlen ist der Zahnradsatz 16 in der Betriebsart MIN-RED konfiguriert, der Zahnradsatz 18 ist in der Betriebsart RED konfiguriert und der Rotor 24b ist mit dem Hohlrad 38 gekoppelt (Betriebsart RED), wie jeweils in den Graphen A, B und C angegeben ist. Bei einer Abtriebsdrehzahl von Null wird die Verbindungswelle 20 stationär gehalten und ein Verbrennungsmotor treibt die Antriebswelle 12 mit einer Leerlaufdrehzahl Nil an; in diesem Zustand treibt die Antriebswelle 12 den Rotor 22b rückwärts mit einer Leerlaufdrehzahl von -Ni2 an. Um das Fahrzeug losfahren zu lassen, erhöht der Verbrennungsmotor 60 die Antriebsdrehzahl IN fortschreitend auf eine stationäre Laufdrehzahl Nss; die Maschine 22 (M1) wird in einer Generatorbetriebsart betrieben und die entwickelte Energie wird zum Antreiben der Maschine 24 (M2) in der Motorbetriebsart verwendet, um den Verbrennungsmotor 60 zu unterstützen. Sobald die Antriebsdrehzahl IN Nss erreicht, wird die Drehzahl der Maschine 22 (M1) auf Null verringert und dann wie gezeigt in eine positive Richtung erhöht, um die Drehzahl der Verbindungswelle 20 (CS) weiter zu erhöhen. Bei einer Abtriebsdrehzahl OS1 wird der Zahnradsatz 18 in die direkte oder 1:1 Betriebsart rekonfiguriert, was erfordert, dass sich die Verbindungswelle 20 auf die Abtriebsdrehzahl verringert, was wiederum den Rotor 22b der Maschine 22 in eine negative Richtung treibt. Von diesem Punkt an wird die Drehzahl der Maschine 22 (M1) auf Null verringert und dann wie gezeigt in eine positive Richtung erhöht, um die Drehzahl der Verbindungswelle 20 (CS) weiter zu erhöhen. Bei einer Abtriebsdrehzahl OS2 wird der Zahnradsatz 16 in die Betriebsart MIN-OD rekonfiguriert, und der Zahnradsatz 18 wird in die Betriebsart RED rekonfiguriert; beide Rekonfigurationen erfordern einen Drehzahlanstieg der Verbindungswelle 20, und die Drehzahl der Maschine 22 ist nicht betroffen. An einem derartigen Punkt wird die Drehzahl der Maschine 22 (M1) auf Null verringert und dann wie gezeigt in eine negative Richtung erhöht, um die Drehzahl der Verbindungswelle 20 (CS) weiter zu erhöhen. Bei einer Abtriebsdrehzahl OS3 wird der Zahnradsatz 18 in die direkte oder 1:1-Betriebsart rekonfiguriert, was erfordert, dass sich die Verbindungswelle 20 auf die Abtriebsdrehzahl verringert, was wiederum den Rotor 22b der Maschine 22 wie gezeigt in eine positive Richtung treibt. Die Drehzahl der Maschine 22 (M1) wird dann auf Null verringert und in eine positive Richtung erhöht, um die Drehzahl der Verbindungswelle 20 (CS) weiter zu erhöhen. Bei einer Abtriebsdrehzahl OS4, wenn die Drehzahl der Maschine 22 Null ist (d. h. an dem mechanischen Punkt des Zahnradsatzes 16), wird die Maschine 24 in die direkte oder 1:1-Betriebsart rekonfiguriert, bei welcher der Rotor 24b direkt mit dem Träger 44 und der Abtriebswelle 14 gekoppelt ist; dies erfordert, dass die Drehzahl des Rotors 24b wie gezeigt auf die Abtriebsdrehzahl abnimmt. Bei einer Abtriebsdrehzahl OS5 wird der Zahnradsatz 16 in die Betriebsart MAX-OD rekonfiguriert und der Zahnradsatz 18 wird in die Betriebsart RED rekonfiguriert; dies erfordert, dass die Drehzahl der Verbindungswelle auf die Drehzahl des Hohlrads 38 ansteigt, was wie gezeigt den Rotor 22b in eine positive Richtung treibt. An einem derartigen Punkt wird die Drehzahl der Maschine 22 (M1) auf Null verringert und dann wie gezeigt in eine negative Richtung erhöht, um die Drehzahl der Verbindungswelle 20 (CS) weiter zu erhöhen. Schließlich wird bei einer Abtriebsdrehzahl OS6 der Zahnradsatz 18 in die direkte oder 1:1-Betriebsart rekonfiguriert, was erfordert, dass die Verbindungswelle 20 auf die Abtriebsdrehzahl abnimmt, was wiederum den Rotor 22b der Maschine 22 in eine positive Richtung treibt. Danach wird die Drehzahl der Maschine 22 (M1) auf Null verringert und dann wie gezeigt in eine negative Richtung erhöht, um die Drehzahl der Verbindungswelle 20 (CS) weiter zu erhöhen.
Bei der voranstehenden Darstellung wird die Maschine 22 abwechselnd in der Generatorbetriebsart, wobei die erzeugte elektrische Energie zum Betreiben der Maschine 24 in der Motorbetriebsart verwendet wird, und in der Motorbetriebsart mit elektrischer Energie von der Maschine 24 in der Generatorbetriebsart betrieben. Entsprechend wird die Maschine 24 an den mechanischen Punkten des Zahnradsatzes 16 (d. h. an den Punkten mit einer Nulldrehzahl der Maschine 22) nicht mit Energie versorgt und die Kopplung der Maschine 24 mit dem Zahnradsatz 18 wird an einem derartigen Punkt rekonfiguriert, um die Schaltenergie zu minimieren.
Zusammengefasst stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte EVT-Konfiguration mit Eingangsverzweigung bereit, die erste und zweite unab hängig rekonfigurierbare Zahnradsätze 16, 18 mit mehreren Betriebsarten, die durch eine Verbindungswelle 20 seriell gekoppelt sind, umfasst und ein Getriebe für ein automatisiertes Schaltgetriebe (AMT) bei verringerten Kosten, verringerter Größe und verringerter Komplexität aufweist. Die Fähigkeit einer unabhängigen Rekonfiguration der Zahnradsätze 16, 18 und der Maschine 24 mit einem AMT-Getriebe multipliziert die Anzahl der Gesamtgetriebebetriebsarten, um einen verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen, ohne die Kosten, die Größe und die Komplexität des EVTs wesentlich zu erhöhen und ohne die Vorteile bekannter EVT-Konfigurationen, wie z. B. die Beseitigung einer Eingangskupplung, aufzugeben.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die dargestellte Ausführungsform beschrieben wurde, wird selbstverständlich erwartet, dass Fachleuten verschiedene Modifikationen zusätzlich zu den voranstehend erwähnten einfallen werden. Obwohl beispielsweise der Betrieb des EVT 10 in dem Kontext einer Fahrzeugbeschleunigung dargestellt wurde, ist es offensichtlich, dass das EVT 10 (und der Verbrennungsmotor 60) auch zur Unterstützung eines Fahrzeugbremsens verwendet werden können, wobei die Maschinen 22, 24 als Generatoren betrieben werden, um ein Rückwärtsdrehmoment auf die Räder 64 aufzubringen, und um bei dem Vorgang die Energiespeichereinrichtung 62 mit elektrischer Energie zu versorgen. Auch können anstelle des Planetenzahnradsatzes 16 herkömmliche differentielle Kegelzahnräder oder gerade Differentialzahnräder verwendet werden, und verschiedene Planetenkonfigurationen sind ebenfalls möglich. Es ist daher zu verstehen, dass elektrisch variable Getriebe, welche diese und andere Modifikationen umfassen, in den Schutzumfang dieser Erfindung fallen können, welcher durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Elektrisch variables Getriebe (10), das einen Drehantrieb (12) mit einem Drehabtrieb (14) koppelt, welches in einer Kombination umfasst: ein Differenzialgetriebe (16), das den Antrieb (12), den Abtrieb (14) und eine erste elektrische Maschine (22) verbindet; und eine zweite elektrische Maschine (24), die mit dem Abtrieb (14) bei mindestens zwei mechanischen Übersetzungsverhältnissen (RED, 1:1) selektiv gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalten zwischen den Übersetzungsverhältnissen durch ein axiales Verschieben eines Planetenradsatzes (18) mit einem variablen Übersetzungsverhältnis erreicht wird, während der Abtrieb (14) durch das Differenzialgetriebe (16) mit Energie versorgt wird und ein von der zweiten elektrischen Maschine (24) erzeugtes Drehmoment im Wesentlichen Null ist.
Elektrisch variables Getriebe (10) nach Anspruch 1, wobei die zweite elektrische Maschine (24) und das Differenzialgetriebe (16) jeweils selektiv und unabhängig mit dem Abtrieb (14) gekoppelt sind und wobei das Differenzialgetriebe (16) mit dem Abtrieb (14) bei zwei oder mehr Übersetzungsverhältnissen gekoppelt ist.
Elektrisch variables Getriebe (10) nach Anspruch 1, wobei die zweite elektrische Maschine (24) und das Differenzialgetriebe (16) jeweils selektiv und unabhängig mit dem Abtrieb (14) ge koppelt sind und wobei das Differenzialgetriebe (16) mit dem Abtrieb (14) bei zwei oder mehr Übersetzungsverhältnissen durch ein oder mehrere Zahnradelemente gekoppelt ist, welche gemeinsam mit der zweiten elektrischen Maschine (24) gekoppelt sind.
Elektrisch variables Getriebe (10) nach Anspruch 1, wobei das Differenzialgetriebe (16) aus einem Planetenradsatz (16) besteht, der Sonnenrad-, Hohlrad- und Planetenträgerelemente (32, 30, 36) aufweist, die in zwei oder mehr differenziellen Konfigurationen mit dem Antrieb (12), dem Abtrieb (14) und der ersten elektrischen Maschine (22) selektiv gekoppelt sind.
Elektrisch variables Getriebe (10) nach Anspruch 4, wobei die Sonnenrad-, Hohlrad- und Planetenträgerelemente (32, 30, 36) des Planetenradsatzes (16) mit dem Antrieb (12), dem Abtrieb (14) und der ersten elektrischen Maschine (22) in einer ausgewählten der folgenden Kombinationen gekoppelt sind: (1) das Planetenträgerelement (36) mit dem Antrieb (12), das Sonnenradelement (32) mit der ersten elektrischen Maschine (24), das Hohlradelement (30) mit dem Abtrieb (14); (2) das Hohlradelement (30) mit dem Antrieb (12), das Sonnenradelement (32) mit der ersten elektrischen Maschine (24), das Planetenträgerelement (36) mit dem Abtrieb (14); und (3) das Planenträgerelement (36) mit dem Antrieb (12), das Hohlradelement (30) mit der ersten elektrischen Maschine (22), das Sonnenradelement (32) mit dem Abtrieb (14).
Antriebsstrang eines Hybridelektrofahrzeugs mit einer Maschine (60), Rädern (64) und einer elektrischen Speichereinrichtung (62), umfassend: das elektrisch variable Getriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalten zwischen den mechanischen Übersetzungsverhältnissen ausgeführt wird, wenn die Maschine (60) die Räder (64) mit Energie versorgt und eine der zweiten elektrischen Maschine (24) aus einer Kombination der ersten elektrischen Maschine (22) und der elektrischen Speichereinrichtung (62) zur Verfügung stehende elektrische Energie im Wesentlichen Null ist.
Antriebsstrang eines Hybridelektrofahrzeugs nach Anspruch 6, wobei das Differenzialgetriebe (16) einen Planetenradsatz (16) umfasst, der Elemente aufweist, die in zwei oder mehr differenziellen Konfigurationen mit der Maschine (60), den Rädern (64) und der ersten elektrischen Maschine (22) selektiv gekoppelt sind.
Antriebsstrang eines Hybridelektrofahrzeugs nach Anspruch 7, wobei die elektrische Speichereinrichtung (62) die zweite elektrische Maschine (24) mit Energie versorgt, um während einer Rekonfiguration des Differenzialgetriebes (16) einen Energiepfad an die Räder (64) aufrecht zu erhalten.