DE10035028A1

DE10035028A1 - Kraftfahrzeug-Antriebsstrang

Info

Publication number: DE10035028A1
Application number: DE10035028A
Authority: DE
Inventors: Wolf Boll
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2002-01-31

Abstract

Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit einer auf eine Antriebswelle (6) aufgesteckten und an einem Maschinengehäuse (2) angeflanschten elektrischen Maschine (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein solcher Kraftfahrzeug-Antriebsstrang ist aus der DE 197 09 134 A1, insbesondere Spalte 3, Zeilen 40-50, bekannt.

Die Erfindung bezieht sich somit auf Kraftfahrzeug-Antriebe, welche zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor mindestens eine elektrische Maschine enthalten oder durch eine solche ergänzt werden sollen. Solche Fahrantriebe sind auch als Hybridantrieb bekannt. Das Problem dieser Hybridantriebe liegt weniger in der Technik als in den hohen Kosten für die zusätzliche Anordnung einer elektrischen Maschine.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine preiswerte Möglichkeit zu schaffen, durch welche nicht nur neu konstruierte Kraftfahrzeug-Antriebsstränge, sondern auch bereits existierende Konstruktionen von Antriebssträngen zusätzlich mit einer elektrischen Maschine versehen werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Durch die Erfindung können auch bereits vorhandene Fahrantriebsstränge zusätzlich mit einer elektrischen Maschine ergänzt werden, welche gemäß der Erfindung als Aufsteckeinheit ausgebildet ist. Die elektrische Maschine ist derart gestaltet, daß sie zur Abstützung ihres Rotors die Lagerung des bereits vorhandenen Antriebsstranges mitbenutzt.

Dadurch werden Kosten und Gewicht für einen Teil der Lagerung der elektrischen Maschine gespart. Ferner wird eine Verbindungskupplung zwischen dem vorhandenen Antriebsstrang und der elektrischen Maschine eingespart, die häufig benötigt wird, um Herstellungstoleranzen auszugleichen.

Die Erfindung ermöglicht es, einen vorhandenen Antriebsflansch an einer Abtriebswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes oder an der Abtriebswelle bzw. der Kurbelwelle des Motors zu ersetzen durch eine Steckkupplungs-Verzahnungsanordnung. Der entfernte Anschlußflansch kann am Abtriebsende der elektrischen Maschine wieder verwendet werden zum Anschluß einer Kardanwelle oder einer Zwischenwelle, falls nicht eine Verbindungswelle, welche mit der Antriebswelle oder dem Rotor der elektrischen Maschine drehfest verbunden ist, bereits als Kardanwelle verwendet werden kann aufgrund der axialen Fahrzeugabmessungen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiel beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen axialen Ausschnitt aus einem Kraftfahrzeug- Antriebsstrang mit einer gemäß der Erfindung aufgesteckten elektrischen Maschine,

Fig. 2 schematisch eine besondere Ausführungsform eines Kraftfahrzeug-Antriebsstranges nach der Erfindung,

Fig. 3 schematisch eine Seitenansicht einer nochmals weiteren Ausführungsform eines Kraftfahrzeug- Antriebsstranges nach der Erfindung.

Der in Fig. 1 gezeigte Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach der Erfindung enthält ein nicht rotierendes Antriebsgehäuse 2 mit einem Antriebsgehäuseflansch 4. Eine von einem nicht gezeigten Fahrantriebsmotor, z. B. Verbrennungsmotor, antreibbare Antriebswelle 6 ist in dem Antriebsgehäuse 2 durch mindestens ein erstes Lager 8 radial gelagert.

Eine elektrische Maschine 10 weist einen mit der Antriebswelle 6 drehfest gekoppelten Rotor 12 und einen mit dem Antriebsgehäuse 2 verbundenen oder verbindbaren Stator 14 auf.

Das Antriebsgehäuse 2 kann das Gehäuse eines Getriebes oder eines Fahrantriebsmotors, z. B. Verbrennungsmotors, sein. Demgemäß ist die Antriebswelle 6 eine Getriebe-Abtriebswelle oder eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors oder eine Zwischenwelle zwischen Fahrantriebsmotor und Getriebe. Für die Beschreibung der Erfindung wird angenommen, daß das Antriebsgehäuse 2 ein Getriebegehäuse und die Antriebswelle 6 eine Getriebeabtriebswelle ist.

Die elektrische Maschine 10 kann ein elektrischer Motor oder ein Generator oder eine wahlweise als elektrischer Motor oder Generator betreibbare Maschine sein.

Die elektrische Maschine 10 hat ein antriebsseitiges Ende 16 und ein abtriebsseitiges Ende 18.

Der Stator 14 ist am antriebsseitigen Ende 16 mit dem Antriebsgehäuse 2 bzw. dessen Flansch 4 lösbar verbunden. Der Rotor 12 ist an dem antriebsseitigen Ende 16 mit dem ihm benachbarten Antriebswellenende 20 drehfest verbunden oder verbindbar an einer Stelle, die zwischen dem ersten Lager 8 und der elektrischen Maschine 10 liegt.

Das Antriebswellenende 20 ist mit einer Verbindungswelle 22 drehfest verbunden oder verbindbar, die nach der Antriebswelle 6 axial zu dieser angeordnet ist und sich axial durch die elektrische Maschine 10 erstreckt.

Die Verbindungswelle 22 ist am abtriebsseitgen Ende 18 der elektrischen Maschine 10 durch ein zweites Lager 24 im Stator 14 drehbar radial gelagert.

Zur drehfesten Verbindung oder Kupplung von Rotationselementen stehen dem Fachmann viele Möglichkeiten zur Verfügung, z. B. Flanschverbindungen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind jedoch an den nachfolgend beschriebenen Stellen jeweils Steckkupplungs-Verzahnungen vorgesehen. Diese ermöglichen eine einfache und schnelle Montage sowie eine klapperfreie Drehverbindung und eine gute radiale Zentrierung.

Der Rotor 12 ist am antriebsseitigen Ende 16 der elektrischen Maschine 10 über eine Steckkupplungs-Verzahnungsanordnung 26, 28, 30, 32, 34 auf das Antriebswellenende 20 aufgesteckt und damit drehfest verbunden. Dies kann durch eine einzige Kupplungsverzahnungs-Paarung erfolgen oder gemäß der Erfindung durch zwei Steckkupplungs-Verzahnungspaarungen 28, 30 und 32, 34. Hierzu enthält die Steckkupplungs-Verzahnungsanordnung einen Kupplungsflansch 26, welcher an seinem Innenumfang eine erste Steckkupplungs-Verzahnung 28 aufweist, die auf eine Steckkupplungs-Verzahnung 30 am Außenumfang des Antriebswellenendes 20 axial aufsteckbar ist, und welcher an seinem Außenumfang eine zweite Steckkupplungs-Verzahnung 32 aufweist, auf welche der Rotor 12 mit einer an ihm gebildeten Steckkupplungs-Verzahnung 34 axial aufsteckbar ist. Die so gebildete erste Steckkupplungs-Verbindung 28, 30 ist durch eine Wellenmutter 31 gegen Taumelbewegungen verspannbar.

Diese Ausführungsform hat mehrere Vorteile:
Bei einem Antriebsstrang ohne die elektrische Maschine 10 befindet sich auf der Steckkupplungs-Verzahnung 30 des Antriebswellenendes 20 bei einigen Kraftfahrzeugen ein Flansch zum Anschluß einer Kardanwelle. Dieser Flansch kann auf einfache Weise ausgetauscht werden durch den Kupplungsflansch 26. Für verschiedene Kraftfahrzeuge kann die gleiche elektrische Maschine 10 verwendet werden, wobei unterschiedliche Größen des Kraftfahrzeug-Antriebsstranges durch entsprechende unterschiedliche Größen des Kupplungsflansches 26 ausgeglichen bzw. adaptiert werden können. Ferner ermöglicht die Verwendung des Kupplungsflansches 26 die Verwendung einer elektrischen Maschine 10, welche nicht als Innenläufer, sondern als Außenläufer ausgebildet ist, deren Rotor 12 radial außerhalb des Stators 14 angeordnet ist. Durch den größeren Durchmesser des Rotors 12 können von der elektrischen Maschine 10 größere Drehmomente erzeugt werden. Vor allem aber ermöglicht die Steckverbindung auf großem Durchmesser geringe Umfangskräfte bei hoher Zähnezahl und damit einen vernachlässigbaren Verschluß im ungeschmierten Bereich.

Fig. 1 zeigt die elektrische Maschine 10 in Form einer Außenläufermaschine, bei welcher der Rotor 12 radial außerhalb des Stators 14 angeordnet ist. Der Stator 14 hat einen Träger 38, welcher sich am abtriebsseitigen Ende 18 der elektrischen Maschine 10 um den Rotor 12 herum radial nach außen erstreckt und sich dann über die Außenseite des Rotors 12 hinweg axial bis zum antriebsseitigen Ende 16 der elektrischen Maschine 10 erstreckt, wo er durch den Flansch 4 am Antriebsgehäuse 2 befestigt ist.

Der Träger 38 hat am abtriebsseitigen Ende 18 der elektrischen Maschine 10 einen sich vom Stator 14 radial nach außen erstreckenden Statorflansch 40 und ein an diesem Statorflansch 40 befestigbares Maschinengehäuse 41, welches sich bis zum antriebsseitigen Ende 16 der elektrischen Maschine 10 erstreckt und in der genannten Weise an dem Flansch 4 des Antriebsgehäuses 2 befestigbar ist.

Das Antriebswellenende 20 ist nicht direkt, sondern durch den Rotor 12 mit der Verbindungswelle 22 drehfest verbunden oder verbindbar. Hierfür ist zwischen der Verbindungswelle 22 und dem Rotor 12 eine Steckkupplungs-Verzahnungspaarung vorgesehen, die aus einer rotorseitigen Steckkupplungs-Verzahnung 42 und aus einer an der Verbindungswelle 22 gebildeten Steckkupplungs-Verzahnung 44 besteht, die axial ineinander steckbar sind und die durch eine Nutmutter 45 und ein Sicherungsblech 47 mit Nase 49 versperrt sind und somit gegen Taumelspiel gesichert sind. Die rotorseitige Steckkupplungs-Verzahnung 42 ist an einem flanschartig nach innen vorspringenden Anschlußteil 46 des. Rotors 12 gebildet, welcher sich zwischen der mit dem Kupplungsflansch 26 in Eingriff befindlichen Steckkupplungs-Verzahnung 34 des Rotors 12 und Dauermagneten 46 dieses Rotors 12 befindet. Den Dauermagneten 46 liegt radial eine elektrische Wicklung 48 (Feldwicklung, Erregerwicklung) des Stators 14 gegenüber.

Der vom Antriebswellenende 20 gegen den Kupplungsflansch 26 ausgetauschte Wellenflansch 50 kann am abtriebsseitigen Ende 18 der elektrischen Maschine 10 über eine weitere Steckkupplungs-Verzahnung 52 auf die Verbindungswelle 22 drehfest aufgesteckt werden zum Anschluß einer axial sich anschließenden, nicht gezeigten weiteren Welle. Diese weitere Steckkupplungs-Verzahnung 52 kann durch eine Wellenmutter 53 gegen Taumelspiel verspannt werden. Die nicht gezeigte weitere Welle kann beispielsweise ein Seitenabtrieb zum Antrieb der Vorderräder (oder der Hinterräder) eines Kraftfahrzeuges sein, falls nicht die Verbindungswelle 22 selbst schon eine Kardanwelle oder einen Teil einer Kardanwelle bildet. Ebenso kann an der Steckkupplungs-Verzahnung 52 ein Seitenabtrieb z. B. für einen Allradantrieb vorgesehen werden, bevor die Welle 22 an einen Kardanstrang angekoppelt wird. In einer anderen Ausgestaltung kann dieser Seitenabtrieb auch in die Flanschebene des Antriebsgehäuseflansches 4 am antriebsseitigen Ende 16 eingekoppelt werden.

Zwischen dem Antriebswellenende 20 der Antriebswelle 6 und der Verbindungswelle 22 ist eine axiale Zapfenverbindung mit einem axialen Zentrier-Zapfen 54 und einer diesen aufnehmenden axialen Zentrierbohrung 56 gebildet. Der Zentrier-Zapfen 54 ist vorzugsweise eine axiale Verlängerung der Antriebswelle 6 und die Zentrierbohrung 56 ist vorzugsweise in der gegenüberliegenden Stirnseite der Verbindungswelle 22 gebildet, jedoch könnten Zapfen und Bohrung auch vertauscht sein.

Die axiale Aufstecklänge 57 der Verbindungswelle 22 auf die Zapfenverbindung 54, 56 ist länger als die axiale Aufstecklänge 59 des Rotors 12 auf die radial äußere zweite Steckkupplungs-Verzahnung 32 des Kupplungsringes 26. Dadurch wird beim axialen Aufstecken einer Baueinheit, welche aus der elektrischen Maschine 10 und der Verbindungswelle 22 besteht, zuerst von dem in die Zentrierbohrung 56 eingreifenden Zentrierzapfen 54 die Verbindungswelle 22 zusammen mit dem Rotor 12 radial zentriert, bevor dann der Rotor 12 mit seiner Steckkupplungs-Verzahnung 34 in die zweite Steckkupplungs-Verzahnung 32 des Kupplungsflansches 26 eingreift. Dadurch wird eine wesentliche Montageerleichterung erzielt.

Im Außenumfang des Trägers 38 ist eine Vielzahl von Kühlkanälen 60 gebildet, die sich radial innerhalb der Wicklung 48 in Statorumfangsrichtung erstrecken und über einen Einlaß 62 parallel mit Kühlflüssigkeit versorgt werden, welche über einen nicht gezeigten Auslaß wieder aus den Kühlkanälen 60 abströmt. Der Einlaß 62 und der Auslaß erstrecken sich je in axialer Richtung über alle Kühlkanäle 60 hinweg, so daß gleichzeitig alle Kühlkanäle 60 parallel mit Kühlflüssigkeit versorgt werden. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Kühlung und Wärmeverteilung über die gesamte Länge und den gesamten Umfang der elektrischen Maschine 10, weil am Umfangsanfang und am Umfangsende der Kühlkanäle 60, insbesondere aber zwischen dem ersten Kühlkanal 60 und dem letzten Kühlkanal 60, die Kühlflüssigkeit ungefähr die gleiche Temperatur hat. Im Gegensatz dazu hätte eine Kühlflüssigkeit in einem einzigen Kühlkanal, welcher sich gewindeartig um den Träger 38 erstreckt, am Anfang eine wesentlich niedrigere Temperatur als am Kühlkanalende.

Fig. 2 zeigt einen Verbrennungsmotor 70, ein von ihm antreibbares Getriebe 72 mit dem Antriebsgehäuse 2, und die elektrische Maschine 10 sowie eine an den Flansch 50 der Verbindungswelle 22 angeschlossene Kardanwelle 74.

Fig. 3 zeigt einen Verbrennungsmotor 70, ein von ihm antreibbares Getriebe 72, ein Achsdifferenzial 76 mit einem Achswellen-Flansch 78 für den Antrieb z. B. der Vorderachse oder der Hinterachse eines Kraftfahrzeuges, einen Allradanschlußflansch 80 mit dem Antriebsgehäuse 2, und die an dieses Antriebsgehäuse angeschlossene elektrische Maschine 10. Ferner ist der Wellenflansch 50 der Verbindungswelle 22 und eine damit verbundenen Kardanwelle 74 zum Antrieb einer Hinterachse bzw.. der hinteren Fahrzeugräder gezeigt. Durch Weglassen der Kardanwelle 74 verbleibt ein Hybridantrieb, bei welchem die elektrische Maschine 10 zusätzlich zum Verbrennungsmotor 70 mit dem Achswellenflansch 78 antriebsmäßig verbunden ist, um diesen zusätzlich oder alternativ zum Verbrennungsmotor 70 anzutreiben oder um über eine elektrische Verbindung einen Elektroantrieb an einer anderen Achse zu treiben. Dazu kann zum Achsdifferenzial 76 ein impliziertes Verteilerdifferenzial zum Antrieb der E-Maschine 10 sinnvoll sein. Je nach Steuerschaltung des Kraftfahrzeuges kann die elektrische Maschine 10 auch als Generator verwendet werden.

Die Verbindungen 28/30, 42/44 und 52 sind vorzugsweise verspannte Welle-Nabe-Verbindungen. Diese können Steckkupplungs-Verzahnungen sein oder z. B. Vielkeilverzahnungen oder dgl. (formschlüssige oder reibschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen). Als Steckkupplung im funktionalen Sinn sollte jedoch die Verbindung 32/34 ausgebildet sein, weil diese mit dem Zusammenfügen der Gehäuseteile 4/41 gleichzeitig zusammengesteckt wird.

Claims

1. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang enthaltend ein nicht rotierendes Antriebsgehäuse (2), eine von einem Fahrantriebsmotor antreibbare Antriebswelle (6), welche in dem Antriebsgehäuse (2) durch mindestens ein erstes Lager (8) radial gelagert ist, eine elektrische Maschine (10), die einen mit der Antriebswelle (6) gekoppelten Rotor (12) und einen mit dem Antriebsgehäuse (2) verbundenen oder lösbar verbindbaren Stator (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (10) ein antriebsseitiges Ende (16) und ein abtriebsseitiges Ende (18) hat, daß am antriebsseitigen Ende (16) der elektrischen Maschine (10) der Stator (14) mit dem Antriebsgehäuse (2) verbunden oder verbindbar ist und der Rotor (12) mit dem ihm benachbarten Antriebswellenende (20) drehfest verbunden oder verbindbar ist, daß das Antriebswellenende (20) mit einer Verbindungswelle (22) drehfest verbunden oder verbindbar ist, die nach der Antriebswelle (6) axial zu dieser angeordnet ist und sich axial durch die elektrische Maschine (10) erstreckt.

2. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am abtriebsseitigen Ende (18) der elektrischen Maschine (10) die Verbindungswelle (22) durch ein zweites Lager (24) im Stator (14) drehbar radial gelagert ist.

3. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am antriebsseitigen Ende (16) der elektrischen Maschine (10) der Rotor (12) über eine Steckkupplungs-Verzahnungsanordnung (26, 28, 30, 32, 34) auf das Antriebswellenende (20) aufgesteckt ist.

4. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckkupplungs-Verzahnungsanordnung einen Kupplungsflansch (26) aufweist, welcher an seinem Innenumfang durch eine erste Welle-Nabe-Verbindung (28, 30) mit dem Antriebswellenende (20) drehfest verbindbar ist, und welcher an seinem Außenumfang eine zweite Welle-Nabe-Verbindung in Form einer Steckkupplungs-Verzahnung (32) aufweist, auf welche der Rotor (12) mit einer an ihm gebildeten Steckkupplungs-Verzahnung (34) axial aufsteckbar ist.

5. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (10) eine Außenläufermaschine ist, bei welcher der Rotor (12) radial außerhalb des Stators (14) angeordnet ist, und daß der Stator (14) einen Träger (38) aufweist, welcher sich am abtriebsseitigen Ende (18) der elektrischen Maschine (10) um den Rotor (12) herum radial nach außen erstreckt und sich dann über die Außenseite des Rotors (12) hinweg axial bis zum antriebsseitigen Ende (16) der elektrischen Maschine erstreckt.

6. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (38) am abtriebsseitigen Ende (18) der elektrischen Maschine (10) einen sich vom Stator (14) radial nach außen erstreckenden Flansch (40) und ein an diesem Flansch befestigbares Maschinengehäuse (41) aufweist, welches sich bis zum antriebsseitigen Ende (16) der elektrischen Maschine (10) erstreckt und an dem Antriebsgehäuse (2) befestigbar ist.

7. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebswellenende (20) durch den Rotor (12) mit der Verbindungswelle (22) drehfest verbunden oder verbindbar ist und daß hierfür zwischen der Verbindungswelle (22) und dem Rotor (12) am antriebsseitigen Ende (16) der elektrischen Maschine (10) eine Welle-Nabe-Verbindung (42, 44) vorgesehen ist.

8. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle-Nabe-Verbindung (42, 44) eine an der Verbindungswelle (22) gebildete Steckkupplungs-Verzahnung (44) und eine darauf axial aufsteckbare, an dem Rotor (12) gebildete Steckkupplungs-Verzahnung (42) aufweist.

9. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) und die Verbindungswelle (22) an der Antriebswelle (2) radial zentriert sind.

10. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Antriebswelle (6) und der Verbindungswelle (22) eine axiale Zapfenverbindung (54, 56) mit einem axialen Zapfen (54) und einer diesen aufnehmenden Bohrung (56) gebildet ist.

11. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach Anspruch 10 in Kombination mit einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Aufstecklänge (57) der Verbindungswelle (22) auf der Zapfenverbindung (54, 56) länger ist als die axiale Aufstecklänge (59) des Rotors (12) in seiner Steckkupplungs-Verzahnungsanordnung (26, 28, 30,32, 34), so daß beim axialen Aufstecken einer Baueinheit, welche aus der elektrischen Maschine (10) und der Verbindungswelle (22) besteht, zuerst der Zentrierzapfen (54) die Verbindungswelle (22) zusammen mit dem Rotor (12) ergreift und radial zentriert, bevor dann Steckkupplungs-Verzahnungen der Steckkupplungs-Verzahnungsanordnung (32, 34) axial ineinander greifen, die den Rotor (12) mit der Antriebswelle (6) drehfest verbinden.

12. Kraftfahrzeug-Fahrantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am abtriebsseitigen Ende (18) der elektrischen Maschine (10) die Verbindungswelle (22) durch das zweite Lager (24) im Stator (14) radial und axial gelagert ist.