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Dokumentenidentifikation DE19717884C2 15.02.2001
Titel Lastabgabeeinrichtung
Anmelder Toyota Jidosha K.K., Toyota, Aichi, JP
Erfinder Morisawa, Kunio, Toyota, Aichi, JP;
Taga, Yutaka, Aichi, JP;
Nagano, Shuji, Toyota, Aichi, JP;
Matsui, Hideaki, Aichi, JP
Vertreter Tiedtke, Bühling, Kinne & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 28.04.1997
DE-Aktenzeichen 19717884
Offenlegungstag 19.02.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.02.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2001
IPC-Hauptklasse B60K 17/06
IPC-Nebenklasse B60K 6/02   B60K 23/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lastabgabeeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.

Bekannte Lastabgabeeinrichtungen für das Ausführen einer Drehmomentwandlung einer Last, die von einem Motor abgegeben wird und für das Ausgeben der umgewandelten Last auf eine Abtriebswelle umfassen eine Kombination aus einem fluidbasierenden Drehmomentwandler mit einem Gangschaltgetriebe. Bei dem Drehmomentwandler sind eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle nicht vollständig lastgekoppelt. Dies bewirkt ein Schlupfen zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle und führt zu einem Energieverlust entsprechend dem Schlupf. Der Energieverlust wird ausgedrückt durch das Produkt aus der Umdrehungsgeschwindigkeitsdifferenz zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle und dem Drehmoment, welches auf die Ausgangswelle übertragen wird und wird als Wärme verbraucht.

In einem Fahrzeug, welches solch eine Lastabgabeeinrichtung als dessen Energiequelle darin montiert hat, verringert zu dem Zeitpunkt, wenn eine signifikant große Last bzw. Leistung erforderlich ist, beispielsweise zum Zeitpunkt des Startens des Fahrzeugs oder des Bewegens des Fahrzeugs auf einer aufwärts gerichteten Kurve bei niedriger Geschwindigkeit, ein großer Energieverlust in dem Drehmomentwandler in unerwünschter Weise die Leistungs- bzw. Energieeffizienz. Selbst in einem stationären Antriebszustand beträgt die Effizienz der Lastübertragung in dem Drehmomentwandler nicht 100%, wobei die Kraftstoffverbrauchsrate in der bekannten Lastausgabeeinrichtung hierdurch niedriger wird als in einem manuellen Getriebe.

Um derartige Probleme zu lösen haben die Anmelder ein System bereits vorgeschlagen, welches keinen fluidbasierenden Drehmomentwandler umfaßt, sondern eine Antriebsmaschine, ein Planetengetriebe, zwei Motoren und eine Batterie hat und die Leistung bzw. die Last, welche von der Antriebsmaschine abgegeben wird, mittels des Planetengetriebes und der zwei Motoren regelt, um die regulierte Last oder Leistung an die Antriebswelle abzugeben (Japanische Offenlegungsschrift Nr. 50-30223). In dieser Druckschrift jedoch wird insbesondere keine Beschreibung bezüglich der Konfiguration der jeweiligen Bestandteile gegeben, wenn das System in einem begrenzten Raum wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug oder einem Boot installiert wird.

Die DE 41 24 479 A1 zeigt ebenfalls einen Hybridantrieb, dieser Gattung, insbesondere für Fahrzeuge, der aus folgenden Teilen besteht:

  • - eine Brennkraftmaschine und ein über eine Kupplung verbundenes, aus Elektromaschinen sowie einem dreiwelligen Leistungsverzweigungsgetriebe kombiniertes stufenloses Getriebe, dessen betriebspunktabhängig als Generator oder als Motor wirkende Elektromaschinen über eine Steuerleitung mit einem elektrischen Energiespeicher in Verbindung stehen, wobei eine der Elektromaschinen mit einer Reaktionswelle und die andere, im Motorbetrieb eine Zusatzleistung abgebenden und im Generatorbetrieb der Energierückgewinnung dienende Elektromaschine mit einer der übrigen beiden Getriebewellen, des Leistungsverzweigungsgetriebes -7- in Antriebsverbindung steht.

Des weiteren ist es aus dieser Offenlegungsschrift bekannt, dass die mit den Elektromaschinen in Antriebsverbindung stehenden Wellen des Leistungsverzweigungsgetriebes mittels einer ansteuerbaren Kupplung drehfest verbindbar sind derart, dass sämtliche Elektromaschinen über das verblockte Leistungsverzweigungsgetriebe einen gemeinsamen Antriebsmotor oder einen gemeinsamen Generator bilden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine effiziente Konfiguration der jeweiligen Bestandteile einer Lastausgabeeinrichtung zu realisieren, die in einem begrenzten Raum installiert ist, in dem die Größe der gesamten Lastausgabeeinrichtung möglichst reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Lastausgabeeinrichtung mit den Merkmaien des Patentanspruchs 1 bzw. 2 gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Konfiguration für eine Lastabgabeeinrichtung 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche in einem Kraftfahrzeug montiert ist,

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das in schematischer Weise den Aufbau der Lastabgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels illustriert,

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Planetengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110, das die Lastabgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels umfaßt,

Fig. 4 ist ein Nomogramm, welches die Beziehung zwischen der Umdrehungsgeschwindigkeit und des Drehmoments an den drei Wellen darstellt, die mit dem Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 gekoppelt sind,

Fig. 5 ist ein Nomogramm, daß die Beziehung zwischen der Umdrehungsgeschwindigkeit und dem Drehmoment an den drei Wellen darstellt, die mit dem Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 gekoppelt sind,

Fig. 6 ist ein Nomogramm, daß die Beziehung zwischen der Umdrehungsgeschwindigkeit und dem Drehmoment an den drei Wellen zeigt, die mit einem herkömmlichen Planetengetriebe 210 gekoppelt sind, das in die Lastausgabeeinrichtung 200 des Vergleichsbeispiels eingefügt ist,

Fig. 7 zeigt eine Konfiguration für eine Lastausgabeeinrichtung 300 als ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, welche in einem Kraftfahrzeug montiert ist,

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau der Lastausgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispiels illustriert und

Fig. 9 zeigt den Aufbau eines Planetengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110 und ein Untersetzungsgetriebe 310, welche in der Lastausgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispiels eingefügt sind.

Einige Modifikationen bezüglich der Ausführung der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend als bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Fig. 1 zeigt eine Konfiguration für eine Lastausgabeeinrichtung 100 als ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die in einem Kraftfahrzeug montiert ist; Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch den Aufbau der Lastausgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels zeigt und Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Planetengetriebes 110 der Doppelplanetenradbauart, welches von der Lastausgabeeinrichtung 100 des Ausführungsbeispieles mit umfaßt wird. Aus Gründen besserer Verständlichkeit wird die Konfiguration der Lastausgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels, welches in dem Kraftfahrzeug montiert ist, anhand der Zeichnung gemäß der Fig. 1 beschrieben, nachdem der Aufbau der Lastausgabeeinrichtung 100 anhand der Zeichnungen gemäß der Fig. 2 und 3 erklärt wurde.

Mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 umfaßt die Lastausgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels im wesentlichen einen Antriebsmotor 102, der mit Benzin als ein Kraftstoff angetrieben wird, ein Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 mit einem Ringrad 114, das mechanisch mit einer Kurbelwelle 104 des Motors 102 verbunden ist, ein erster Motor MG1, der mit einem Sonnenrad 112 des Planetengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110 verbunden ist, einen zweiten Motor MG2, der mit einem Planetenträger 126 des Planetengetriebes 110 der Doppelplanetenradbauart verbunden ist und einen Regler bzw. Kontroller 150 für das Regeln bzw. Steuern des Betriebs des Antriebsmotors 102 und für das Antreiben und Regeln des ersten Motors MG1 und des zweiten Motors MG2.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt wird, hat das Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 folgende Bauteile: das Sonnenrad 112, das mit einer hohlen Sonnenradwelle 122 verbunden ist, durch die eine Abtriebswelle 108 läuft, das Ringrad 114, das über ein Schwungrad 106, einen Dämpfer 107 und eine Ringradwelle 124 mit der Kurbelwelle 104 verbunden ist, die koaxial zur Abtriebswelle 108 verläuft, eine Mehrzahl von Paaren Planetenräder 116 und 118, die zwischen dem Sonnenrad 112 und dem Ringrad 114 angeordnet sind (jedes Paar Planetenräder 116 und 118 wird nachfolgend als das "Doppelplanetenrad 115" bezeichnet) und den Planetenträger 126, der mit einem Ende der Abtriebswelle 108 verbunden ist, um die Drehwellen der Doppelplanetenräder 115 abzustützen und mit einer Trägerwelle 128 über die Doppelplanetenräder 115 angelenkt ist. Ein Planetenrad 116 in jedem Paar ist mit dem Sonnenrad 112 wirkverbunden, wohingegen das andere Planetenrad 118 mit dem Ringrad 114 wirkverbunden ist. Die Paare Planetenräder sind miteinander wirkverbunden, um das Sonnenrad 112 zu drehen, während sie sich um ihre Achse drehen. In diesem Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 sind die Sonnenradwelle 112, die Ringradwelle 124 und die Abtriebswelle 108 jeweils mit dem Sonnenrad 112, dem Ringrad 114 und dem Planetenträger 126 verbunden und wirken als die Eingangs- und Ausgangswellen der Last bzw. der Leistung. Die Bestimmung der Last, die eingegeben wird zu und ausgegeben wird von irgend zwei Wellen unter den drei Wellen bestimmt automatisch die Last, welche eingegeben wird zu und ausgegeben wird von der übriggebliebenen Welle. Die Einzelheiten bezüglich der Eingabe und Ausgabebetriebe der Last zu und von den drei Wellen des Planetengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110 wird nachfolgend beschrieben.

Sowohl der erste Motor MG1 als auch der zweite Motor MG2 sind als Synchronmotor-Generatoren konstruiert. Der Motor MG1 (MG2) hat einen Rotor 132 (142) mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten 135 (145), die an dessen Umfangsfläche montiert sind und einen Stator 133 (143) um den drei-Phasen-Spulen 134 (144), welche ein Rotationsmagnetfeld erzeugen, gewickelt sind. Der Rotor 132 des ersten Motors MG1 ist an die Sonnenradwelle 122 angeschlossen, welche mit dem Sonnenrad 112 des Planetengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110 wirkverbunden ist, wohingegen der Rotor 142 des zweiten Motors MG2 an die Trägerwelle 128 angeschlossen ist, die mit dem Planetenträger 126 des Plantengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110 wirkverbunden ist.

Obgleich Einzelheiten der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 150 nicht weiter dargestellt werden so hat die Regeleinrichtung 150 zwei Inverterkreise für das Erzeugen elektrischer Ströme von Quasisinuswellen, welche zu den drei-Phasen-Spulen 134 und 144 des ersten Motors MG1 und des zweiten Motors MG2 geleitet werden, eine Batterie, die über zwei Inverterkreise geladen und entladen wird, eine Motorsteuerung CPU für das Steuern der Schaltbetriebe der zwei Inverterkreise und eine Motorsteuerung CPU für das Steuern des Betriebs des Antriebsmotors 102. Die Steuereinrichtung 150 empfängt eine Vielzahl von Signalen, die von zahlreichen Sensoren für das Messen des Zustands des ersten Motors MG1, des zweiten Motors MG2 und des Antriebsmotors 102 ausgegeben werden und steuert die Betriebe des ersten Motors MG1, des zweiten Motors MG2 und des Antriebsmotors 102 basierend auf diesen Eingabesignalen. Der Steuerungsvorgang, welcher durch die Steuereinrichtung 150 durchgeführt wird, ist für das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung nicht von Bedeutung und wird daher im nachfolgenden nicht im einzelnen beschrieben.

Die Lastausgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels, welche derart konstruiert ist, ist in einem Fahrzeug entsprechend der Konfiguration montiert, wie sie in der Fig. 1 gezeigt wird. Mit Bezug auf die Fig. 1 sind der Antriebsmotor 102, der zweite Motor MG2, das Planetengetriebe der Doppelplanentenradbauart 110 und der erste Motor MG1, die in der Lastausgabeeinrichtung 100 mit eingeschlossen sind, in dieser Reihenfolge entlang der Achse angeordnet, welche von dem Bug bis zum Heck des Fahrzeugs verläuft. In der Zeichnung gemäß der Fig. 1 wird lediglich die obere Hälfte um die Kurbelwelle 104 und die Abtriebswelle 108 dargestellt, da die untere Hälfte spiegelsymmetrisch ist. Ein Gehäuse 101, in dem der zweite Motor MG2, das Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 und erste Motor MG1 untergebracht sind, stellt den allgemeinen Raum für das Aufnehmen eines Fluid-basierenden Drehmomentwandlers eines Getriebes in einem herkömmlichen frontgetriebenen Fahrzeug dar. Die Lastausgabeeinrichtung, welche durch das Gehäuse 101 aufnehmbar ist, kann folglich in einem herkömmlichen Fahrzeug anstelle des Drehmomentwandlers und des Getriebes montiert werden. Die Baugröße des ersten Motors MG1 und des zweiten Motors MG2 sowie deren Konfiguration bestimmen, ob oder nicht die Lastausgabeeinrichtung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in dem vorgegebenen Raum aufnehmbar ist. Die Baugrößen des ersten Motors MG1 und des zweiten Motors MG2 hängen von deren auszuführenden Funktionen als Motor oder Generator ab. Der Freiheitsgrad der Konfiguration ist abhängig von der Wirkverbindung zwischen dem Planetengetriebe der Doppel-Planetenradbauart 110 mit den drei Wellen, d. h. mit der Sonnenradwelle 122, der Ringradwelle 124 und der Abtriebswelle 108. Das Nachfolgende beschreibt zuerst die auszuführenden Funktionen, welche für den ersten Motor MG1 und den zweiten Motor MG2 bei dem Betrieb der Lastausgabeeinrichtung 100 einschließlich des Planetengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110 erforderlich sind und anschließend die Konfiguration des ersten Motors MG1 und des zweiten Motors MG2.

Die Lastausgabeeinrichtung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel arbeitet in der nachfolgenden Weise. Es wird angenommen, daß der Motor 102 bei einem Antriebspunkt P1 definiert durch eine Umdrehungsgeschwindigkeit NE und ein Drehmoment Te betrieben wird und daß die Abtriebswelle 108 bei einem Antriebspunkt P2 definiert durch eine Umdrehungsgeschwindigkeit Nd und ein Drehmoment Td betrieben wird, die jeweils unterschiedlich von der Umdrehungsgeschwindigkeit Ne und dem Drehmoment Te sind, jedoch eine identische Energie zu der Energie Pe abgeben, die von dem Antriebsmotor 102 abgegeben wird. Die Last bzw. Leistung, welche von dem Antriebsmotor 102 abgegeben wird, wird nämlich einer Drehmomentwandlung unterzogen, bevor sie an der Antriebswelle 108 angelegt wird.

Entsprechend der Mechanik kann die Beziehung zwischen der Umdrehungsgeschwindigkeit und dem Drehmoment an den drei Wellen in dem Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 (d. h. an der Sonnenradwelle 122, der Ringradwelle 124 und der Abtriebswelle 108) als Nomograme ausgedrückt werden, wie sie in den Fig. 4 und 5 gezeigt und geometrisch berechnet sind. Die Beziehung zwischen der Umdrehungsgeschwindigkeit und dem Drehmoment an den drei Wellen des Planetengetriebes der Doppelplanetenbauart 110 kann numerisch berechnet werden durch Berechnung der Energien der jeweiligen Wellen ohne die Verwendung der Nomograme. Aus Gründen der besseren Verständlichkeit der Erklärung werden jedoch die Nomograme in diesem Ausführungsbeispiel verwendet.

Bei dem Nomogram gemäß der Fig. 4 ist die Umdrehungsgeschwindigkeit der drei Wellen als Ordinate und das Positionsverhältnis der Koordinatenachsen der drei Wellen als Abszisse ausgedruckt. Wenn die Koordinatenachsen S und R jeweils die Sonnenradwelle 122 und die Ringradwelle 124 darstellen, dann wird die Koordinatenachse C der Abtriebswelle 108 angegeben als eine äußere Teilung der Achsen S und R bei dem Verhältnis von 1 zu ρ, wobei ρ ein Verhältnis der Anzahl der Zähne des Sonnenrads 112 und jene des Ringrads 114 repräsentiert und als Gleichung (1) wie nachfolgend ausgedrückt wird:

ρ = Anzahl der Zähne des Sonnenrads/Anzahl der Zähne des Ringrads

Gemäß vorstehender Beschreibung wird der Antriebsmotor 102 betrieben bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit Ne, wohingegen die Abtriebswelle 108 bei der Umdrehungsgeschwindigkeit Nd betrieben wird. Die Umdrehungsgeschwindigkeit Ne des Motors 102 kann folglich auf der Koordinatenachse R der Ringradwelle 124 ausgedruckt werden, die mit der Kurbelwelle 104 des Antriebsmotors 102 wirkverbunden ist, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit Nd auf der Koordinatenachse C der Abtriebswelle 108 gedruckt wird. Eine Gerade, die durch die beiden Punkte läuft wird eingezeichnet, wobei eine Umdrehungsgeschwindigkeit Ns der Sonnenradwelle 122 dann angegeben wird als der Schnittpunkt dieser Geraden mit der Koordinatenachse S. Die Gerade wird nachfolgend als eine dynamische kolineare Linie bezeichnet. Die Umdrehungsgeschwindigkeit Ns der Sonnenradwelle 122 kann aus der Umdrehungsgeschwindigkeit Ne des Antriebsmotors 102 und der Umdrehungsgeschwindigkeit Nd der Abtriebswelle 108 entsprechend einer Proportinalgleichung gemäß der Gleichung (2) wie nachfolgend berechnet werden. Bei dem Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 resultiert die Bestimmung der Umdrehungen der zwei Zahnräder unter dem Sonnenrad 112, dem Ringrad 114 und dem Planetenträger 126 in einem automatischen Einstellen der Umdrehung des übrigen Zahnrads.



Ns = Nd - (Nd - Ne)/ρ (2)

Das Drehmoment Te des Antriebsmotors 102 wird anschließend aufwärts verlegt (in der Zeichnung) auf die dynamische kolineare Linie an der Koordinatenachse R der Ringradwelle 24 die als Betriebslinie dient. Die dynamische kolineare Linie kann gegenüber dem Drehmoment als ein steifer Körper betrachtet werden, an den eine Kraft als ein Vektor angelegt wird. Basierend auf der Technik des Teilens der Kraft in unterschiedliche Wirkungslinien mit der gleichen Richtung wird das Drehmoment Te, die auf die Koordinatenachse R einwirkt in ein Drehmoment Tes auf der Koordinatenachse S und ein Drehmoment Te auf der Koordinatenachse C unterteilt. Die Werte der Drehmomente Tes und Tee werden durch die Gleichungen (3) und (4) wie nachfolgend definiert:



Tes = Te × ρ (3)



Tee = Te × (1 - ρ) (4)

Das Gleichgewicht der Kräfte an der dynamischen kolinearen Linie ist wesentlich für den stabilen Zustand der dynamischen kolinearen Linie. In Übereinstimmung mit einer festen Prozedur wird ein Drehmoment Tm1 mit dem gleichen Wert wie, jedoch in entgegengesetzter Richtung zu dem Drehmoment Tes an die Koordinatenachse S angelegt, wohingegen ein Drehmoment Tm2 mit dem gleichen Wert wie, jedoch in entgegengesetzter Richtung zu einer resultierenden Kraft des Drehmoments Te und das Drehmoment, welches den gleichen Wert wie, jedoch die entgegengesetzte Richtung zu dem Drehmoment Td hat, das an die Abtriebswelle 108 ausgegeben wird, an die Koordinatenachse C angelegt wird. Das Drehmoment Tm1 wird erzeugt durch den ersten Motor MG1, wobei das Drehmoment Tm2 durch den zweiten Motor MG2 erzeugt wird, dessen Rotor 142 an der Trägerwelle 128 angebracht ist. Der erste Motor MG1 legt das Moment Tm1 entgegengesetzt zu seiner Umdrehung an und arbeitet hierdurch als ein Generator, um eine elektrische Energie Pm1 zu erzeugen, die ausgedrückt wird als das Produkt aus dem Drehmoment Tm1 und der Umdrehungsgeschwindigkeit Ns der Sonnenradwelle 122. Der zweite Motor MG2 legt das Drehmoment Tm2 in die Richtung seiner Rotation an und arbeitet hierdurch als ein Motor, um eine elektrische Energie Pm2, die ausgedrückt wird als das Produkt des Drehmoments Tm2 und der Umdrehungsgeschwindigkeit Nd als eine Last an die Abtriebswelle 108 über die Trägerwelle 128 und den Planetenträger 126 auszugeben.

In dem Fall, daß die elektrische Energie Pm1 identisch ist mit der elektrischen Energie Pm2, kann die gesamte elektrische Leistung, welche durch den zweiten Motor MG2 verbraucht wurde reerzeugt und durch den ersten Motor MG1 zugeführt werden. Um einen solchen Zustand zu erhalten, sollte die gesamte Eingangsenergie ausgegeben werden, d. h., die Energie Pe, die von dem Antriebsmotor 102 abgegeben wird, sollte gleich einer Energie Pd sein, die an die Abtriebswelle 108 abgegeben wird. Die Energie Pe wird nämlich ausgedrückt als das Produkt des Drehmoments Te und der Umdrehungsgeschwindigkeit Ne mit der Energie Pd vergleichmäßigt, welche als das Produkt des Drehmoments Td und der Umdrehungsgeschwindigkeit Nd ausgedrückt wird.

Obgleich die Umdrehungsgeschwindigkeit Ns der Sonnenradwelle 122 in dem Nomogram gemäß der Fig. 4 positiv ist, so kann sie auch entsprechend der Umdrehungsgeschwindigkeit Ne des Antriebsmotors 102 sowie der Umdrehungsgeschwindigkeit Nd der Abtriebswelle 108 negativ sein, wie in dem Nomogram gemäß der Fig. 5 gezeigt wird. In dem letzteren Fall legt der erste Motor MG1 das Drehmoment in der Richtung seiner Umdrehung an und arbeitet hierdurch als ein Motor, um die elektrische Energie Pm1 zu verbrauchen, die als das Produkt aus dem Drehmoment Tm1 und der Umdrehungsgeschwindigkeit Ns angegeben wird. Der zweite Motor MG2 legt andererseits das Drehmoment in die entgegengesetzte Richtung von dessen Umdrehung an, um hierdurch als ein Generator zu arbeiten, um die elektrische Energie Pm2 zu erzeugen, die als das Produkt aus dem Drehmoment Tm2 und der Umdrehungsgeschwindigkeit Nd der Trägerwelle 128 angegeben wird. Im Falle, daß die elektrische Energie Pm1, die durch den ersten Motor MG1 verbraucht wird, bezüglich der elektrischen Energie Pm2 vergleichmäßigt wird, die durch den zweiten Motor MG2 unter solchen Bedingungen erzeugt wird, dann kann die gesamte elektrische Energie, welche durch den ersten Motor MG1 verbraucht wird, durch den zweiten Motor MG2 zugeführt werden.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Grundbetrieb in welchem die gesamte Last, welche von dem Antriebsmotor 102 ausgegeben wird, an dem Drehmomentwandler angelegt und an die Abtriebswelle 108 ausgegeben wird. Die Lastausgabeeinrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiels kann einen weiteren Betrieb ausführen, in welchem die Summe der Last, die von dem Antriebsmotor 102 ausgegeben wird und die Last, die auf der elektrischen Leistung basiert, die von der Batterie (nicht gezeigt) abgegeben wird, welche in der Regeleinrichtung 150 enthalten ist, an die Abtriebswelle 108 abgegeben wird. Dieser Betrieb wird realisiert durch Einstellen des Drehmoments Tm2 des zweiten Motors MG2 derart, daß es größer ist als das berechnete Drehmoment (Td - Tee), welches in der Fig. 4 und 5 angegeben wird. Dieser Betrieb ermöglicht der Last, die größer ist als die Ausgangslast des Antriebsmotors 102, an die Abtriebswelle 108 abgegeben zu werden. Ein klein bauender Antriebsmotor, der lediglich die Last abgeben kann, die kleiner ist als die erforderliche Last ist folglich für den Antriebsmotor 102 anwendbar. In diesem Fall kann die Leistung des Antriebsmotors 102 bestimmt werden durch Auswählen einer besten Kombination der Leistungen des zweiten Motors MG2 und der Batterie, wodurch die höchstmögliche Effizienz erhalten wird.

Die Lastabgabeeinrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiels kann ferner einen weiteren Betrieb durchführen, wonach lediglich die Last basierend auf der elektrischen Energie, welche von der Batterie abgegeben wird, an die Abtriebswelle 108 abgegeben wird, während der Antriebsmotor 102 sich in gestopptem Zustand befindet. Der zweite Motor MG2 gibt unmittelbar die Last an die Abtriebswelle 108 über die Trägerwelle 128 und den Planetenträger 126 ab, um diesen Betrieb zu realisieren. In diesem Fall ist das Drehmoment Tm1 des ersten Motors MG1 gleich 1. Dieser Betrieb ermöglicht ein Fahren, das im wesentlichen keine Verschmutzung verursacht, in Gebieten, welche die strengeren Umweltschutzauflagen erfordern.

Die Lastabgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels kann ferner eine Vielzahl anderer Funktionen und Betriebsweisen ausführen. Beispielsweise wird ein Teil der Last, die von dem Antriebsmotor 102 abgegeben wird, an den Drehmomentwandler angelegt und an die Antriebswelle 108 abgegeben, wohingegen die übrige Last entweder durch den ersten Motor MG1 oder den zweiten Motor MG2 reerzeugt und dazu verwendet wird, die Batterie aufzuladen. Als ein weiteres Beispiel wird die gesamte Last oder Leistung, die von dem Antriebsmotor 102 abgegeben wird, durch den ersten Motor MG1 reerzeugt und dazu verwendet, die Batterie aufzuladen, während der zweite Motor MG2 die Trägerwelle 128 in dem gesperrten Zustand hält. Als ein noch weiteres Beispiel kurbelt der Motor MG1 den Antriebsmotor 102 an, während der zweite Motor MG2 die Trägerwelle 128 in dem verriegelten Zustand hält.

Wie aus der Beschreibung dieser zahlreichen Funktions- und Wirkungsweisen klar zu entnehmen ist, ist für den zweiten Motor MG2 erforderlich, daß dieser die Leistung hat, um das Fahrzeug selbst antreiben zu können. Der zweite Motor MG2 ist folglich baugrößer als der erste Motor MG1 für den erforderlich ist, daß er eine Leistung hat, welche das Gleichgewicht an der dynamischen kolinearen Linie gewährleisten und den Motor 102 ankurbeln kann. Das Drehmoment, welches von dem Motor abgegeben wird, ist proportional zu der axialen Länge des Motors sowie zu der zweiten Last des Durchmessers des Motors. Es ist folglich vorteilhaft, daß der zweite Motor MG2 an einer Stelle angeordnet ist, die einen Spielraum in der diametralen Richtung hat.

Nachfolgend wird die Konfiguration des ersten Motors MG1 und des zweiten Motors MG2 beschrieben. In dem Fall, daß das Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 verwendet wird als die Lasteingabe/Abgabevorrichtung der Dreiwellenbauart, wie die Lastabgabeeinrichtung 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel, ist es wünschenswert, daß die Ringradwelle 124, welche mit dem Ringrad 114 verbunden ist, mit der Kurbelwelle 104 des Antriebsmotors 102 wirkverbunden wird. Dies wird den Wirkungen auf die dynamischen kolinearen Linien wie sie in den Fig. 4 und 5 beschrieben werden, sowie der Tatsache zugeschrieben, daß die Last, welche von der Lastabgabeeinrichtung 100 an die Abtriebswelle 108 abgegeben wird, im wesentlichen durch den Antriebsmotor 102 erzeugt wird und daß der Motor 102 nicht in die rückwärtige Richtung gedreht werden kann. Falls angenommen wird, daß die Abtriebswelle 108, die Sonnenradwelle 122, die Ringradwelle 124 und die Trägerwelle 128 insgesamt koaxial angeordnet sind, dann besteht eine mögliche Konfiguration in der Anordnung des Antriebsmotors 102, des zweiten Motors MG2, des Planetengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110 und des ersten Motors MG1 in dieser Reihenfolge wie die Lastabgabeeinrichtung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Weitere mögliche Konfigurationen umfassen eine Anordnung des Antriebsmotors 102, des Planetengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110, des zweiten Motors MG2 und des ersten Motors MG1 in dieser Reihenfolge sowie eine weitere Anordnung des Motors 102, des zweiten Motors MG2, des ersten Motors MG1 und des Planetengetriebes der Doppelplanetenbauart 110 in dieser Reihenfolge. Die Konfiguration der Lastabgabeeinrichtung 100 gemäß dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, wonach der Antriebsmotor 102, der zweite Motor MG2, das Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 und der erste Motor MG1 in dieser Reihenfolge angeordnet sind, ist unter den möglichen Konfigurationen unter Inbetrachtziehung der Leistung des zweiten Motors MG2 und der Form des Gehäuses 101 besonders vorteilhaft.

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß der Aufbau der Lastabgabeeinrichtung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, d. h., die Anwendung des Planetengetriebes der Doppelplanetenbauart 110 als die Lasteingabe/Abgabe-Vorrichtung der Dreiwellenbauart und die Konfiguration des Antriebsmotors 102, des zweiten Motors MG2, des Planetengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110 sowie des ersten Motors MG1 in dieser Reihenfolge vorteilhaft ist.

Die Lastabgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels umfaßt das Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 als die Lasteingabe/Abgabe-Vorrichtung der Dreiwellenbauart. Diese Struktur ermöglicht, daß der größer bauende zweite Motor MG2 unter den zwei Motoren MG1 und MG2, der erforderlich ist, um ein größeres Drehmoment abzugeben, an der Stelle angeordnet werden kann, die näher zu dem Antriebsmotor 102 ist, wodurch dieser einen ausreichenden Spielraum in der diametrischen Richtung hat. Dies verbessert die Beschaffenheit der Konfiguration in der Lastabgabeeinrichtung 100 und ermöglicht, daß die Lastabgabeeinrichtung 100 leichter in dem Fahrzeug montiert werden kann. Die Lastabgabeeinrichtung 100 kann in einem herkömmlichen Hohlraum aufgenommen werden, in welchem der fluidbasierende Drehmomentwandler und das Getriebe in dem herkömmlichen frontgetriebenen Kraftfahrzeug aufgenommen sind. Die Lastabgabeeinrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiels kann folglich in einem Kraftfahrzeug montiert werden, ohne daß irgendeine Modifikation des Designs sowie des Hohlraums erforderlich ist.

Bei der Lastabgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels werden Synchronmotoren der permanent Magnet-(PM)- Bauart für den ersten Motor MG1 und den zweiten Motor MG2 verwendet. Jede andere Motorenart jedoch, welche sowohl den reerzeugenden Betrieb als auch den Leistungsbetrieb ausführen kann wie beispielsweise Synchronmotoren der variablen Widerstands- (VR)-Bauart, Vernier-Motoren, D.C.-Motoren, Induktionsmotoren, Superconductionsmotoren, und Schrittmotoren können entsprechend den Erfordernissen verwendet werden.

Eine weitere Lastabgabeeinrichtung 300 wird als ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung nachfolgend beschrieben. Die Fig. 7 zeigt eine Konfiguration für die Lastabgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispiels, welche in einem Fahrzeug montiert ist, die Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Struktur der Lastabgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispiels darstellt und die Fig. 9 zeigt die Struktur eines Planetengetriebes der Doppelplanentenradbauart 110 und ein Untersetzungsgetriebe 310, die in der Lastabgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispiels mit umfaßt werden. Die Lastabgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispiels hat einen gleichen Aufbau wie jener der Lastabgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels mit Ausnahme, daß die Lastabgabeeinrichtung 300 das Untersetzungsgetriebe 310 und einen Motor MG5 anstelle des zweiten Motors MG2 hat. Die gleichen Bestandteile in der Lastabgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispiels wie jene in der Lastabgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels werden durch die gleichen Bezugszeichen und Symbole gekennzeichnet und nachfolgend nicht im einzelnen beschrieben.

Das Untersetzungsgetriebe 310 das von der Lastabgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispiels mit umfaßt wird, ist aufgebaut als ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad 312, einem Ringrad 314 und einem Planetenrad 316, wie in der Fig. 10 gezeigt wird. Eine Sonnenradwelle 322 fixiert das Sonnenrad 312 in dem Untersetzungsgetriebe 310 an das Gehäuse 101, derart, daß keine Umdrehung des Sonnenrads 312 zugelassen wird. Das Planetenrad 316 in dem Untersetzungsgetriebe ist mit der Trägerwelle 128 in Wirkeingriff, die an dem Planetenträger 126 über die Doppelplanetenräder 115 des Planetengetriebes der Doppelplanetenradbauart 110 angeschlossen ist. Das Ringrad 314 in dem Untersetzungsgetriebe 310 ist an einen Rotor 342 des Motors MG5 durch eine Ringradwelle 324 angekoppelt. Wenn das Getriebeverhältnis des Untersetzungsgetriebes 310, welches als das Planetengetriebe aufgebaut ist, gleich ρ ist (= die Anzahl der Zähne des Sonnenrads/die Anzahl der Zähne des Ringrads), dann wird die Umdrehung des Motors MG5 als die Rotation von 1/(1 + ρ) an die Trägerwelle 128 abgegeben. Das Drehmoment, welches von dem Motor MG5 abgegeben wird, wird folglich als das (1 + ρ)-Zweitmoment an die Trägerwelle 128 abgegeben. Die erforderliche Baugröße für den Motor MG5 ist folglich kleiner als jene für den zweiten Motor MG2 bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Beispielsweise hat der Motor MG5 eine geringere Axiallänge bezüglich des gleichen Durchmessers. Der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels einschließlich des Untersetzungsgetriebes 310 kann folglich in dem Gehäuse 101 des ersten Ausführungsbeispiels aufgenommen werden.

Die Lastabgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispiels umfaßt das Untersetzungsgetriebe 310, das zwischen dem Motor MG5 und dem Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 angeordnet ist. Dieser Aufbau verringert die Baugröße des Motors MG5. Der Freiheitsgrad bezüglich der Auswahl für den Motor MG5 kann vergrößert werden durch Einstellen des Übersetzungsverhältnisses des Untersetzungsgetriebes 210. Bei der Lastabgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispieles ist das Untersetzungsgetriebe 310 angrenzend an das Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 plaziert, so daß eine gemeinsame Zuführvorrichtung für ein Schmiermittel für das Untersetzungsgetriebe 310 und das Planetengetriebe der Doppelplanetenradbauart 110 verwendet werden kann. Diese Struktur verringert weiter die Baugröße der gesamten Lastabgabeeinrichtung 300. Die Lastabgabeeinrichtung 300 des zweiten Ausführungsbeispiels besitzt die gleichen Wirkungen wie jene der Lastabgabeeinrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels.

Die vorliegende Erfindung ist folglich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es können zahlreiche Modifikationen, Änderungen und Abweichungen vorgenommen werden, ohne von dem Umfang und Kern der Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es sollte daher klargestellt werden, daß die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele in jeder Hinsicht lediglich illustrativ und nicht restriktiv zu erachten sind. Der Umfang und Kern der vorliegenden Erfindung wird lediglich durch den Wortlaut der anliegenden Ansprüche begrenzt.


Anspruch[de]
  1. 1. Lastabgabeeinrichtung für ein Fahrzeug mit
    1. - einem Verbrennungsmotor (102), dessen Kurbelwelle (104) über ein Planetengetriebe (110) mit einer Abtriebswelle (108) wirkverbunden ist,
    2. - einem ersten elektrischen Motor (MG1) für das Übertragen und Aufnehmen eines Drehmoments an oder von einer ersten Antriebswelle (122) des Planetengetriebes (110) und
    3. - einem zweiten elektrischen Motor (MG2) für das Übertragen und Aufnehmen eines Drehmoments an oder von einer zweiten Antriebswelle (128) des Planetengetriebes (110),
    dadurch gekennzeichnet, daß

    der zweite elektrische Motor (MG2) als ausschließlicher Antriebsmotor im elektrischen Fahrbetrieb ausgebildet ist, wofür dessen zweite Antriebswelle (128) direkt mit der Abtriebswelle (108) gekoppelt ist,

    der erste elektrische Motor (MG1) ausschließlich als Drehmoment-Ausgleichsmotor/-generator und Kurbelmotor für den Verbrennungsmotor (102) baukleiner als der zweite elektrische Motor (MG2) ausgebildet ist, wofür dessen erste Antriebswelle (122) über das Planetengetriebe (110) mit der Kurbelwelle (104) des Verbrennungsmotors (102) wirkverbunden ist

    und der Verbrennungsmotor (102), der zweite elektrische Motor (MG2), das Planetengetriebe (110) sowie der erste elektrische Motor (MG1) in dieser Reihenfolge coaxial angeordnet sind.
  2. 2. Lastabgabeeinrichtung für ein Fahrzeug mit
    1. - einem Verbrennungsmotor (102), dessen Kurbelwelle (104) über ein Planetengetriebe (110) mit einer Abtriebswelle (108) wirkverbunden ist,
    2. - einem ersten elektrischen Motor (MG1) für das Übertragen und Aufnehmen eines Drehmoments an oder von einer ersten Antriebswelle (122) des Planetengetriebes (110) und
    3. - einem zweiten elektrischen Motor (MG5) für das Übertragen und Aufnehmen eines Drehmoments an oder von einer zweiten Antriebswelle (324) des Planetengetriebes (110),
    dadurch gekennzeichnet, daß

    der zweite elektrische Motor (MG5) als ausschließlicher Antriebsmotor im elektrischen Fahrbetrieb ausgebildet ist, wofür dessen zweite Antriebswelle (324) über ein Übersetzungsgetriebe (310) mit der Abtriebswelle (108) gekoppelt ist, der erste elektrische Motor (MG1) ausschließlich als Drehmoment-Ausgleichsmotor/-generator und Kurbelmotor für den Verbrennungsmotor (102) baukleiner als der zweite elektrische Motor (MG5) ausgebildet ist, wofür dessen erste Antriebswelle (122) über das Planetengetriebe (110) mit der Kurbelwelle (104) des Verbrennungsmotors (102) wirkverbunden ist und der Verbrennungsmotor (102), der zweite elektrische Motor (MG5), das Planetengetriebe (110) sowie der erste elektrische Motor (MG1) in dieser Reihenfolge coaxial angeordnet sind.
  3. 3. Lastabgabeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsgetriebe (310) räumlich zwischen dem zweiten elektrischen Motor (MG5) und dem Planetengetriebe (110) angeordnet ist.
  4. 4. Lastabgabeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsgetriebe (310) coaxial zu den elektrischen Motoren (MG1, MG5) und dem Planetengetriebe (110) ausgerichtet ist.






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