(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車両のための電気機械式変速機において、以下の構成要件を有すること：
ａ）遊星伝動装置（１３−１６）の入力シャフト（１２）が内燃機関のクランクシャフト（１１）と連結されていること、
ｂ）入力シャフト（１２）と、遊星伝動装置（１３−１６）の両方の出力シャフト（１７、１８）のうちの１つの出力シャフト又は両方の出力シャフトとが、電気駆動部の２つのロータ（２０、２１）であって変速機ケーシングに対しても互いに対しても相対的に回転可能なロータ（２０、２１）と直接的な接続状態にあり、両方のロータのうちの１つのロータ（２０）が、他方のロータ（２１）の駆動のために用いられる電気的な作動フィールドを生成するためのエネルギー供給部を有すること、
ｃ）前記のロータ（２０）には、生成される電磁的なフィールドを制御するための４クワドラント出力制御部（２２）が付設されていること、
ｄ）前記のロータ（２０）には、ジェネレータ稼動において生成される電気的なエネルギーを蓄積するための蓄積部（２３）が付設されていること、
ｅ）４クワドラント出力制御部（２２）には変速機制御装置（４３）が付設されていること、
ｆ）遊星伝動装置（１３−１６）の両方の出力シャフト（１７、１８）には、シフト伝動装置の２つの変速機シャフト（２８、２９）が付設されていて、複数の歯車ペア（２６／３２、２７／３３、２４／３０、２５／３１）が同時に噛合状態にあり、歯車ペアにおいて一方の歯車が付属のシャフトに相対回転不能に接続されていて、他方の歯車が付属のシャフトに回転可能に備えられていること、
ｇ）シフト手段（３４、３５）が、選択された歯車を付属のシャフトに相対回転不能に接続するために設けられていること、及び、
ｈ）従動シャフト（３９）が設けられていて、従動シャフト（３９）が平車ステージ（３６−３８）を介して両方の変速機シャフト（２８、２９）と連結されていること。
【請求項２】
遊星伝動装置の遊星車（１６）が段階車として形成されていて、これらの段階車が、入力シャフト（１２）と連結されている第１中央車（１３）と噛み合い、遊星伝動装置の出力シャフトの一方の出力シャフト（１８）と連結されている第２中央車（１５）と噛み合うこと、及び、遊星伝動装置のウェブ（１４）が他方の出力シャフト（１７）と連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の変速機。
【請求項３】
遊星伝動装置のウェブ（１４’）が入力シャフト（１２）と連結されていること、遊星伝動装置の中央車（１３’）が出力シャフトのうちの一方の出力シャフト（１７’）と連結されていて、遊星伝動装置の中空車（４１）が他方の出力シャフト（１８’）と連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の変速機。
【請求項４】
遊星伝動装置（１３−１６、１３’、１４’、１６’、４１）を遮断するためのクラッチ（４２）が設けられていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の変速機。
【請求項５】
両方のロータ（２０、２１）の夫々が、ディスク形状の支持部（１９、４０）を介して遊星伝動装置の両方の出力シャフト（１７、１７’、１８、１８’）のうちの１つの出力シャフトと相対回転不能に接続されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の変速機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車両のための電気機械式変速機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走行快適性の向上のためには自動変速機が知られていて、自動変速機ではギヤ段階の変更が運転者の関与を伴うことなく自動的に行われる。この種の自動変速機の短所は、高い製造コスト、重い重量、並びに大きな構成体積にある。自動車両にとって目下のところ通例である自動変速機に対する低コストのバリエーションとして所謂自動化シフト伝動装置が知られるようになった。しかしながら自動化シフト伝動装置は、シフトプロセス中に、推進力の遮断、即ち動力伝達の遮断が発生してしまうという短所を有する。推進力の遮断を伴わない選択肢として、別個の２つのカウンタシャフトを有するダブルクラッチ伝動装置が開発されている。この場合の短所は、クラッチにおける高い機械負荷と高い熱負荷、並びに、スムーズなシフトプロセスのための高価な制御装置である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の基礎を成す課題は、推進力の遮断を伴うことなく自動シフトプロセスを可能とし、様々なシフト方式の幅広い多様性を可能とする、自動車両のための変速機を創作することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
それらの要求に対応する電気機械式変速機は、特許請求項１において特徴付けられている。
【０００５】
本発明による電気機械式変速機では、内燃機関とシフト伝動装置との間で制御されるクラッチが無くてもよく、シフトプロセスが推進力の遮断を伴うことなく実施され得る。遊星伝動装置の入力シャフトは内燃機関のクランクシャフトと接続されている。遊星伝動装置の両方の出力シャフトは、シフト伝動装置の２つのカウンタシャフトとも電気駆動部の２つのロータとも接続されていて、これらのロータはモータとして及びジェネレータとして作動し得る。従ってこれらの両方のロータは、従来のスタータとジェネレータの機能を担い、接続されているシフト伝動装置部分のシフトプロセスの制御を可能にする。本発明による電気機械式変速機は小さな重量と小さな構成サイズにより傑出している。
【０００６】
本発明の合目的な他の構成は、従属項に記載されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図面には本発明の幾つかの有利な実施形態が示されていて、次にそれらについて説明する。
【０００８】
図１には、内燃機関と連結されている電気機械式変速機の全体図が示されている。図２には、図１に描かれた変速機と類似するがクラッチを有する変形例が示されている。図３には、内燃機関とシフト伝動装置の間に配設されている遊星伝動装置の２つの実施形態が示されている。図４には、図２に従って可能なギヤ段を有する電気機械式変速機の機能接続図が示されている。図５には、より高い次のギヤ段に向かうシフトプロセスを示す、遊星伝動装置のシャフトの回転数ノモグラムが示されている。図６には、内燃機関のスタートプロセスを示す、図５に類似するノモグラムが示されている。図７には、自動車両の発進プロセスを示す、図５に類似するノモグラムが示されている。
【０００９】
本発明による電気機械式変速機は、主として、ロータを有する遊星伝動装置、シフト伝動装置、出力制御部、蓄積部、及び、変速機制御装置から構成されている。図１からも見て取れるように、断続的な輪郭線で示唆されている内燃機関においてフライホイール１０の設けられているクランクシャフト１１は遊星伝動装置の入力シャフト１２と接続されている。係合車としての歯車、摩擦車などで実現化される遊星伝動装置は、入力シャフト１２と接続されている第１中央車１３、ウェブ１４、第２中央車１５を含む。遊星車１６は段階車として形成されていて、これらの段階車は第１中央車１３及び第２中央車１５と噛み合う。遊星伝動装置の第１出力シャフト１７はウェブ１４と接続されていて、中空シャフトとして形成されている第２出力シャフト１８は第２中央車１５と接続されている。第２出力シャフト１８にはロータ２０の支持部１９が固定されている。ウェブ１４には第２ロータ２１が固定されている。これらの両方のロータは、共同で電気駆動部を形成する意味に即して互いに配設されていて、この際、両方のロータのうちの１つは電気的な作動フィールドを生成するためのエネルギー供給部を有する。図示されている実施形態のロータ２０は、スリップリングロータとして形成されているフィールドロータであり、それに対し、ロータ２１は永久磁石又は篭形ロータである。この配置は同様の機能で交換もされ得る。即ち、その場合にはロータ２１がフィールドロータを形成し、ロータ２０が篭形ロータを形成する。図１に示されている実施形態においてロータ２０には出力制御部２２が付設されていて、この出力制御部２２は所謂４クワドラント制御部である。ロータ２０には更に蓄積部２３が付設されていて、この蓄積部２３は電気エネルギーをロータ２０に提供する或いはロータ２０内に生成された電気エネルギーを蓄積することができる。４クワドラント出力制御部２２には変速機制御装置４３が付設されている。
【００１０】
図示されている遊星伝動装置は分割伝動装置であり、この分割伝動装置は２つの出力シャフト１７及び１８に対して出力分岐を生じさせる。第１出力シャフト１７には２つの歯車２４及び２５が、第２出力シャフト１８には２つの歯車２６及び２７が相対回転不能に夫々配設されている。同軸の両方の出力シャフト１７、１８には２つの変速機シャフト２８及び２９が平行に配設されている。両方の変速機シャフト２８、２９には夫々に２つの歯車３０、３１或いは歯車３２、３３が回転可能に備えられている。更に両方の変速機シャフト２８、２９の夫々には、両方の歯車のうちの１つの歯車を該当する変速機シャフトと相対回転不能に接続するために、シフトスリーブ３４、３５が軸方向に変位可能に備えられている。更に両方の変速機シャフト２８及び２９には歯車３６或いは３７が相対回転不能に配設されている。両方の歯車３６及び３７は歯車３８と噛み合い、歯車３８は従動シャフト３９と相対回転不能に接続されている。遊星伝動装置を介して両方の出力シャフト１７、１８に分割される内燃機関の駆動出力は歯車ペア３６、３８及び３７、３８を介して従動シャフト３９に集約される。両方の出力シャフト１７、１８及び両方の変速機シャフト２８、２９に配設されている歯車は４つの異なる歯車ペアを形成し、これらの歯車ペアは、図２に示されている実施形態のクラッチ４２と関連し、７段階に至るまでの異なる変速機段階を可能とする（図４参照）。また、前記のそれらの歯車は、係合車として、摩擦車などであってもよい。
【００１１】
シフトのためには、変速機制御装置４３によってもたらされるシフトスリーブ３４又は３５の変位により、所望の歯車ペアが該当する変速機シャフト２８或いは２９と連結される。変速機制御装置４３は、入力情報として、クランクシャフト１１の回転数、変速機出力シャフト３９の回転数、内燃機関の実際の負荷、蓄積部２３の実際の充電バランス、及び、運転者によって選択されている変速機プログラムを処理する。変速機制御装置４３はシフトプロセス中に要求される同期回転数を計算し、４クワドランド出力制御部２２の稼動モード、シフトスリーブ３４及び３５の機能、クラッチ４２、並びに、内燃機関の要求される稼動負荷のための情報を制御する。図示されている実施形態では４つの歯車ペアが設けられているが、この種の変速機がより多くの歯車ペア又はより少ない歯車ペアでも設計され得ることは当業者にとって認識可能である。リバースギア段のための歯車ペアは図面の簡素化のために省略されている。
【００１２】
図１に示されている実施形態において、走行稼動中には両方の出力シャフト１７、１８が２つの異なる歯車ペアを介して変速機シャフト２８及び２９と連結されている。内燃機関の出力は、変速機入力部において遊星伝動装置を介して変速機シャフト２８、２９の歯車ペアへと分岐され、変速機出力部において歯車ペア３６、３８及び３７、３８を介して従動シャフト３９へと再び集約される。シフト伝動装置の両方の歯車ペアの異なる伝達比（歯車比）により、遊星伝動装置の出力シャフト１７、１８において従ってウェブ１４及びディスク１９において異なる回転数が発生し、その結果、ロータ２０、２１はジェネレータとして使用され得て、オルタネータの形式で電気出力が生成される。
【００１３】
図５は、遊星伝動装置のシャフト１２、１７、１８の回転数ノモグラムであり、より高い次のギヤ段に向かうシフトプロセスを具体的に示している。シフトのためには、遊星伝動装置の両方の出力シャフト１７、１８のうちの１つの出力シャフトのモーメントが、２つのロータ２０、２１によって形成されている電気駆動部により次のように援助される。即ち、シャフトにおいて噛合状態にある歯車ペア、例えば第１出力シャフト１７において噛合状態にある歯車ペアが力のかからない状態となり、シフトスリーブ３４を外すことによってギヤ段が解除され得るようにである。電気駆動部２０、２１は、今ではフリーの状態の出力シャフト１７の回転数を、変速機シャフト２８においてより高い次の歯車ペアの同期目標回転数へと制動して減少させるので、この歯車ペアはシフトスリーブ３４と動力伝達状態にもたらされ得る。このプロセス中には、内燃機関の負荷状態に依存し、電気駆動部２０、２１が先ずはジェネレータ稼動で作動し、引き続いてモータ稼動で作動する又はその逆であるということが要求され得る。個々のギヤ段のシフトアップにおけるシフトステップは、変速機シャフト２８−２９−２８−２９において交互に実施される。前述したプロセスがより低い次のギヤ段に向かうシフトに対しても同様に該当することが当業者には認識可能である。
【００１４】
この電気機械式変速機の本質的な長所は、電気駆動部のロータ２０、２１の相対回転数が、内燃機関の回転数には依存しないので、常に現在のギヤ段と次のギヤ段との間の隔たりだけに対応するということである。従って、シフトプロセス中の同期のために必要とされる電気駆動部の出力は少なくて済む。全負荷におけるシフトプロセスでは、内燃機関の半分のトルクと、以前の伝達比と新たな伝達比との間の回転数の隔たりとの積に出力が比例する。
【００１５】
他の長所として、ほぼ同じ部分に対するシフトプロセス中には電気駆動部がジェネレータモード及びモータモードで作動し、それにより、生成された電気エネルギーを短期間の中間蓄積の後に引き続いてモータ稼動に再び還元するということが挙げられる。それにより、蓄積部２３、例えばコンデンサバッテリは小さい容量で済む。前述した電気機械式変速機は、変速機制御装置４３を介し、運転者命令に応じ、又は異なるシフト特性、例えば「快適性重視」又は「スポーティ」として自動式で同期を制御する。更にこの電気機械式変速機は、電気的な出力伝達及び中間蓄積における損失の他に損失を伴うことはない。従ってこの電気機械式変速機は、ハイドロリックトルクコンバータを有する従来の段階式自動変速機の全ての機能を満たすが、その損失を伴うことはなく、それ故、全効率の明らかな改善が果たされる。
【００１６】
推進力の遮断を伴わないシフトプロセスはハイブリッド稼動状態を意味し、この稼動状態は、快適なシフト動作に対する要求に応じ、異なる長さで持続し得る。この状態は、変速機制御装置４３と蓄積部２３の適切な設計により、各ギヤ段階において内燃機関と電気駆動部のハイブリッド継続稼動として意識的に作動され得て、この際、電気駆動部はジェネレータモードでもモータモードでも稼動され得る。
【００１７】
図６には内燃機関のスタートプロセスが描かれている。機関スタートは、最も低いギヤ段が入れられていてブレーキのかけられている車両において行われ、この際、両方の変速機シャフト２８、２９のうちの１つの変速機シャフトだけ（図６では変速機シャフト２８）が噛合状態にある。この際、両方のロータ２０、２１によって形成されている電気駆動部は、内燃機関をアイドリング回転数に作動させることにより、スタータの機能を有する。引き続き、車両は、ブレーキのかけられた状態で機関アイドリング状態にあり、電気駆動部がジェネレータとして使用される。
【００１８】
図７には発進プロセスが描かれている。最も低いギヤ段が入れられていてブレーキのかけられている車両における機関アイドリング状態から出発し、発進プロセスは、車両ブレーキの解除後、より高い次のギヤ段に向かうシフトプロセスに対応する。この場合にも、電気駆動部は、先ずはジェネレータ稼動で作動し、引き続き、噛合状態にない変速機シャフト、例えば変速機シャフト２９の歯車ペア、例えば歯車ペア２６／３２の同期回転数が到達されるまで、モータ稼動で作動する。次に、この変速機シャフトでは、付設されているシフトスリーブを用い、対応する歯車ペアが噛合状態にもたらされる。全負荷における発進プロセスでは損失を伴うことは殆どない。
【００１９】
図２には、図１に示されている遊星伝動装置の実施形態の変形例が描かれている。この変形例はクラッチ４２を有し、このクラッチ４２は、遊星伝動装置が遮断されて無効とされることを可能にする。クラッチ４２は有利には中央車１３とウェブ１４との間に配設されている。クラッチ４２は、特に、推進力の遮断を伴わないシフトプロセスの要求が無い場合に有利である。この際、ロータ２０、２１によって形成されている電気駆動部における始動モーメント及びモーメント特性曲線に関する設計、並びに電気駆動部の出力制御部２２及び蓄積部２３の設計は、内燃機関のスタートプロセス時に要求されるトルクによって決定される。クラッチ４２は遊星伝動装置の遮断をもたらし、クラッチ４２が電気駆動部のジェネレータ制動モーメントに対して援助しながら作用することにより、全負荷のもとの発進プロセスのための発進補助部を表す。更に、クラッチ４２を閉じることにより、変速機シャフト２８か又は変速機シャフト２９を介して１つのギヤ段階だけが噛合状態にあるという伝達比が可能である。
【００２０】
図３の左側の図面半分には、ポジティブの停止伝達比(Standuebersetzung)を有する遊星伝動装置が描かれていて、これは図２による実施形態に対応するものである。図３の右側の図面半分には、ネガティブの停止伝達比を有する遊星伝動装置の構成形態が描かれていて、この遊星伝動装置は、機能においても効果においても図３の左側の図面半分に描かれた遊星伝動装置と同一である。これらの構成形態１及び２では停止伝達比が反対であるにもかかわらず、回転方向状況は同一である。それに対してトルク特性は同一ではない。構成形態１では内燃機関のトルクは同じように両方の出力シャフト上に分配されるが、構成形態２では同じではない分配が行われる。構成形態２の実施形態において、入力シャフト１２は遊星伝動装置のウェブ１４’と接続されている。ウェブ１４’に備えられている遊星車１６’は中央車１３’及び中空車４１と噛み合う。中央車１３’は第１出力シャフト１７’と接続されていて、中空車４１は、中空シャフトとして形成されている第２出力シャフト１８’と接続されている。第１出力シャフト１７’にはディスク状の支持部４０が固定されていて、この支持部４０は、篭形ロータとして形成されている電気駆動部のロータ２１を支持している。ロータ２１に対して同軸に配設されていてスリップリングロータとして形成されている電気駆動部のロータ２０は中空車４１に固定されている。両方のロータ２０及び２１によって形成されている電気駆動部には４クワドラント出力制御部２２及び蓄積部２３が付設されている。両方の出力シャフト１７’及び１８’は、図１に示されている実施形態に応じ、出力シャフト１７及び１８に対応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関と連結されている電気機械式変速機の全体図を示す図である。
【図２】図１に描かれた変速機と類似するがクラッチを有する変形例を示す図である。
【図３】内燃機関とシフト伝動装置の間に配設されている遊星伝動装置の２つの実施形態を示す図である。
【図４】図２に従って可能なギヤ段を有する電気機械式変速機の機能接続図を示す図である。
【図５】より高い次のギヤ段に向かうシフトプロセスを示す、遊星伝動装置のシャフトの回転数ノモグラムを示す図である。
【図６】内燃機関のスタートプロセスを示す、図５に類似するノモグラムを示す図である。
【図７】自動車両の発進プロセスを示す、図５に類似するノモグラムを示す図である。
【符号の説明】
１０          フライホイール
１１          クランクシャフト
１２          入力シャフト
１３          第１中央車（第１セントラルギヤ）
１４          ウェブ（スパイダ）
１５          第２中央車（第２セントラルギヤ）
１６          遊星車（プラネタリギヤ）
１７          第１出力シャフト
１８          第２出力シャフト
１９          支持部
２０          ロータ（スリップリングロータ）
２１          ロータ（篭形ロータ）
２２          出力制御部
２３          蓄積部
２４−２７    歯車
２８、２９    変速機シャフト
３０−３３    歯車
３４、３５    シフトスリーブ
３６−３８    歯車
４０          支持部
４１          中空車（リングギヤ）
４２          クラッチ
４３          変速機制御装置
【図１】
0003786627.tif 000002
【図２】
0003786627.tif 000003
【図３】
0003786627.tif 000004
【図４】
0003786627.tif 000005
【図５】
0003786627.tif 000006
【図６】
0003786627.tif 000007
【図７】
0003786627.tif 000008