DE102009033962A1

DE102009033962A1 - Antriebsstrang mit Motor, Getriebe, Planetenradgetriebe und elektrischer Maschine

Info

Publication number: DE102009033962A1
Application number: DE102009033962A
Authority: DE
Inventors: Danny Eckhard Großer
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: DE102009033962B4; CN101966811A; US20110015020A1; CN101966811B; JP2011021600A; US8308594B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang (2) für ein Kraftfahrzeug mit einem Motor (4), der eine antreibbare Motorwelle (8) mit einer ersten axialen Richtung (12) aufweist, einem Getriebe (16), das eine mit der Motorwelle (8) in Drehmitnahmeverbindung stehende Getriebeeingangswelle (18) aufweist, einer elektrischen Maschine (26), die einen Rotor (30) und einen Stator (32) aufweist und die in einem Genaratorbetrieb und einem Starterbetrieb betrieben werden kann, und einem Planetenradgeriebe (38), das drei Elemente (42, 44, 46) aufweist, nämlich ein Sonnenrad (50), einen Planetenradträger (48) mit Planetenrädern (54) und ein Hohlrad (52), von denen ein erstes Element (42), das im Generatorbetrieb die Antriebsseite und im Starterbetrieb die Abtriebsseite des Planetenradgetriebes (38) bildet, in Drehmitnahmeverbindung mit der Motorwelle (8) steht, ein zweites Element (44), das im Generatorbetrieb die Abtriebsseite und im Starterbetrieb die Antriebsseite des Planetenradgetriebes (38) bildet, in Drehmitnahmeverbindung mit dem Rotor (30) steht und ein drittes Element (46) im ng (70) an einem feststehenden Gehäuse (6) festlegbar ist, wobei ferner eine zweite Stelleinrichtung (72) vorgesehen ist, die im Generatorbetrieb derart mit mindestens einem der Elemente (42, 44, 46) zusammenwirkt, dass das Planetenradgetriebe (38) einen Blockumlauf vollzieht. Das Planetenradgetriebe (38) ist in der ersten axialen Richtung ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einem Motor, der eine antreibbare Motorwelle aufweist, einem Getriebe, dessen Getriebeeingangswelle mit der Motorwelle in Drehmitnahmeverbindung steht, einer elektrische Maschine, die in einem Generatorbetrieb und einem Starterbetrieb betrieben werden kann, und einem Planetenradgetriebe, das drei Elemente aufweist, nämlich ein Sonnenrad, einen Planetenradträger mit Planetenrädern und ein Hohlrad, von denen ein erstes Element in Drehmitnahmeverbindung mit der Motorwelle steht, ein zweites Element in Drehmitnahmeverbindung mit dem Rotor steht und ein drittes Element mittels einer ersten Stelleinrichtung an einen feststehenden Gehäuse festgelegt werden kann, wobei ferner eine zweite Stelleinrichtung vorgesehen ist, die derart mit mindestens einem der Elemente zusammenwirken kann, dass das Planetenradgetriebe einen Blockumlauf vollzieht.
Aus der DE 101 02 015 A1 ist ein Antriebsstrang der gattungsgemäßen Art bekannt. Der hierin beschriebene Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug weist einen Motor mit einer antreibbaren Motor- bzw. Kurbelwelle auf, wobei die Motorwelle eine erste axiale Richtung aufweist. Der bekannte Antriebsstrang umfasst ferner ein Getriebe, das eine mit der Motorwelle in Drehmitnahmeverbindung stehende Getriebeeingangswelle aufweist. Das Getriebe ist dabei in der ersten axialen Richtung hinter dem Motor angeordnet. Darüber hinaus umfasst der bekannte Antriebsstrang eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei die elektrische Maschine in einen Generatorbetrieb, in dem eine elektrische Energie unter Ausnutzung einer Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Stator erzeugt werden kann, und einem Starterbetrieb betreibbar ist, in dem eine elektrische Energie in einer Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Stator umgewandelt werden kann. Die elektrische Maschine ist hierbei über ein Planetenradgetriebe mit der Motorwelle gekoppelt. Das Planetenradgetriebe umfasst im Wesentlichen ein Sonnenrad, einen Planetenradträger mit Planetenrädern und ein Hohlrad. Der Planetenradträger, der im Generatorbetrieb die Antriebsseite und im Starterbetrieb die Abtriebsseite des Planetenradgetriebes bildet, steht in Drehmitnahmeverbindung mit der Motorwelle, während das Hohlrad, das im Generatorbetrieb die Abtriebsseite und im Starterbetrieb die Antriebsseite des Planetenradgetriebes bildet, in Drehmitnahmeverbindung mit dem Rotor der elektrischen Maschine steht. Das Sonnenrad des Planetenradgetriebes kann im Starterbetrieb der elektrischen Maschine mit Hilfe einer ersten Stelleinrichtung in Form eines Freilaufes an dem feststehenden Gehäuse des Motors festgelegt werden. Darüber hinaus ist eine zweite Stelleinrichtung in Form eines weiteren Freilaufes vorgesehen, die im Generatorbetrieb derart zwischen dem Planetenradträger und dem Hohlrad wirkt, dass der Planetenradträger und das Hohlrad zueinander festgestellt sind und das Planetenradgetriebe somit einen Blockumlauf vollzieht. Das Planetenradgetriebe ist bei dem bekannten Antriebsstrang zusammen mit der elektrischen Maschine ebenfalls in der ersten axialen Richtung hinter dem Motor angeordnet. Genauer gesagt ist das Planetenradgetriebe in der ersten axialen Richtung hinter dem Motor und vor dem ebenfalls in der ersten axialen Richtung folgenden Getriebe angeordnet.
Der bekannte Antriebsstrang ist insofern von Nachteil, als dass dieser einen besonders großen Montage- und Wartungsaufwand insbesondere im Hinblick auf die elektrische Maschine und das Planetenradgetriebe bedingt. Dank der durch das Planetenradgetriebe geänderten Übersetzung zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und der Motorwelle im Starterbetrieb können die elektrischen Komponenten der elektrischen Maschine zwar geringer dimensioniert werden, jedoch müssen diese Komponenten noch immer relativ groß ausgebildet sein, um im Starterbetrieb einen Start des Motors bzw. einer Rotation der Motorwelle zu bewirken. Somit hat die elektrische Maschine des bekannten Antriebsstrangs weiterhin ein relativ hohes Gewicht und benötigt einen großen Bauraum.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrang der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der hinsichtlich des Planetenradgetriebes und der elektrischen Maschine einen besonders geringen Montage- und Wartungsaufwand gewährleistet und der in einer bevorzugten Ausführungsform den Einsatz einer besonders kleinen und kostengünstigen elektrischen Maschine mit geringem Gewicht ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug weist einen Motor, vorzugsweise einen Verbrennungsmotor, ein Getriebe, eine elektrische Maschine, vorzugsweise eine Lichtmaschine, und ein Planetenradgetriebe auf, die nachstehend näher spezifiziert werden. Der Motor weist eine antreibbare Motorwelle auf, bei der es sich vorzugsweise um die Kurbelwelle des Motors handelt. Die Motorwelle bzw. deren Ausrichtung gibt dem Motor eine erste axiale Richtung und eine der ersten axialen Richtung entgegengesetzte zweite axiale Richtung. Das Getriebe weist mindestens eine Getriebeeingangswelle auf, die mit der Motorwelle mittelbar oder unmittelbar in Drehmitnahmeverbindung steht. Die zuvor erwähnte elektrische Maschine weist einen Rotor und einen Stator auf, wobei der Rotor relativ zu dem Stator verdrehbar ist. So kann die elektrische Maschine in einem Generatorbetrieb, in dem eine elektrische Energie unter Ausnutzung einer Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Stator erzeugt wird, und einem Starterbetrieb betrieben werden, in dem eine elektrische Energie in eine Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Stator umgewandelt wird. Das Planetenradgetriebe weist im Wesentlichen drei Elemente auf, nämlich ein Sonnenrad, einen Planetenradträger mit daran angeordneten, rotierbaren Planetenrädern und ein Hohlrad. Ein erstes Element der genannten drei Elemente des Planetenradgetriebes, das im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine die Antriebsseite und im Starterbetrieb der elektrischen Maschine die Abtriebsseite des Planetenradgetriebes bildet, steht mittelbar oder unmittelbar in Drehmitnahmeverbindung mit der Motorwelle. Ein zweites Element der genannten drei Elemente des Planetenradgetriebes, das im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine die Abtriebsseite und im Starterbetrieb der elektrischen Maschine die Antriebsseite des Planetenradgetriebes bildet, steht hingegen mittelbar oder unmittelbar mit dem Rotor der elektrischen Maschine in Drehmitnahmeverbindung. Das verbleibende dritte Element der zuvor genannten drei Elemente des Planetenradgetriebes kann im Starterbetrieb der elektrischen Maschine mittels einer ersten Stelleinrichtung an einem feststehenden Gehäuse festgelegt werden, so dass dieses dritte Element nicht mehr gedreht bzw. rotiert werden kann. Darüber hinaus ist eine zweite Stelleinrichtung vorgesehen, die im Generatorbetrieb der elektrische Maschine derart mit mindestens einem der genannten drei Elemente zusammenwirkt, dass das Planetenradgetriebe einen Blockumlauf vollzieht bzw. die Drehzahl der Antriebsseite und die Drehzahl der Abtriebsseite des Planetenradgetriebes übereinstimmen. Das Getriebe des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ist in der ersten axialen Richtung hinter dem Motor angeordnet, wobei dies sowohl Anordnungen umfasst, bei denen das Getriebe selbst in der ersten axialen Richtung hinter dem Motor angeordnet ist, als auch Anordnungen, bei denen lediglich eine Kopplungsanordnung zwischen der Motorwelle und der Getriebewelle in der ersten axialen Richtung hinter dem Motor angeordnet ist. Darüber hinaus ist das zuvor erwähnte Planetenradgetriebe in der genannten ersten axialen Richtung vor dem Motor angeordnet. Auch diese Anordnung umfasst sowohl Anordnungen, bei denen das Planetenradgetriebe unmittelbar in der ersten axialen Richtung vor dem Motor angeordnet ist, als auch Anordnungen, bei denen eine gegebenenfalls vorhandene Kopplungsanordnung zwischen der Motorwelle und dem Planetenradgetriebe in der ersten axialen Richtung vor dem Motor angeordnet ist. Darüber hinaus schließt dies Anordnungen ein, bei denen das Planetenradgetriebe zwar gänzlich oder zum Teil in den Motor oder dessen Gehäuse integriert ist, jedoch in der ersten axialen Richtung vor dem wesentlichen Bereich des Motors angeordnet ist. Man kann hierbei auch davon sprechen, dass das Planetenradgetriebe bzw. die Kopplungsanordnung zwischen Planetenradgetriebe und Motor und das Getriebe bzw. die Kopplungsanordnung zwischen dem Getriebe und dem Motor auf einander entgegengesetzten Seiten des Motors angeordnet sind. Hierunter ist vorzugsweise zu verstehen, dass das Planetenradgetriebe auf der Steuerseite des Motors und das Getriebe auf der Abtriebsseite des Motors angeordnet ist.
Im Gegensatz zu dem aus der DE 101 02 015 A1 bekannten Antriebsstrang ist das Planetenradgetriebe bzw. die Kopplungsanordnung zwischen Planetenradgetriebe und Motor in der ersten axialen Richtung vor dem Motor und nicht mehr zusammen mit dem Getriebe in der ersten axialen Richtung hinter dem Motor angeordnet. Somit ist das Planetenradgetriebe auch nicht mehr zwischen dem Motor einerseits und dem Getriebe andererseits angeordnet, wie dies bei dem Antriebsstrang nach der DE 101 02 015 A1 der Fall ist. Hierdurch ist eine wesentlich bessere Zugänglichkeit zu dem Planetenradgetriebe gegeben, wodurch dessen Montage, Ausbau und Wartung stark vereinfacht wird, was insbesondere auf die geringere Anzahl an Schnittstellen zurückzuführen ist. Darüber hinaus ist auch eine flexiblere Positionierung der elektrischen Maschine möglich, die beispielsweise über ein Zugmittelgetriebe mit dem zweiten Element des Planetenradgetriebes in Wirkverbindung gebracht werden kann, wie dies später unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform erläutert wird. Auch die Montage, Demontage und Wartung der elektrischen Maschine ist bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang vereinfacht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs steht das erste Element des Planetenradgetriebes mit einem ersten Ende der Motorwelle des Motors und die Getriebeeingangswelle des Getriebes mit dem dem ersten Ende abgewandten zweiten Ende der Motorwelle in Drehmitnahmeverbindung. Auch bei dieser Ausführungsform kann die jeweilige Drehmitnahmeverbindung unmittelbar oder mittelbar über eine gegebenenfalls vorhandene Kopplungsanordnung erfolgen. Wie bereits zuvor erwähnt, wird durch diese Verlagerung des Planetenradgetriebes auf die dem Getriebe abgewandte Seite des Motors eine bessere Zugänglichkeit zu dem Planetenradgetriebe geschaffen, wodurch der Montage-, Demontage- und Wartungsaufwand reduziert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs weist der Motor ein Motorgehäuse auf. Wie bereits eingangs angedeutet, könnte das Planetenradgetriebe grundsätzlich auch teilweise oder gänzlich innerhalb des Motorgehäuses oder/und eines gegebenenfalls an dem Motorgehäuse befestigten weiteren Gehäuses angeordnet sein. Dies hätte den Vorteil, dass das Planetenradgetriebe besonders leicht den Kühl- und Schmiermittelkreislauf innerhalb des Motorgehäuses nutzen könnte, jedoch ist hiermit der Nachteil verbunden, dass die Zugänglichkeit des Planetenradgetriebes im Wartungsfall erschwert ist. Aus diesem Grunde ist es bei dieser Ausführungsform bevorzugt, wenn das Planetenradgetriebe außerhalb des Motorgehäuses oder/und eines gegebenenfalls an dem Motorgehäuse befestigten weiteren Gehäuses angeordnet ist. Hierdurch wird außerdem die Anbindung des Planetenradgetriebes an den Rotor der elektrischen Maschine über ein Zugmittelgetriebe vereinfacht, wobei ferner eine flexiblere Anordnung der elektrischen Maschine möglich ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs kann das dritte Element im Starterbetrieb mittels der ersten Stelleinrichtung an dem Motorgehäuse festgelegt werden, d. h., das Motorgehäuse bildet das zuvor erwähnte feststehende Gehäuse aus.
Um eine besonders flexible Anordnung der elektrischen Maschine zu ermöglichen, die keinerlei Einschränkungen bei der Auslegung des Motors oder/und des Planetenradgetriebes bedingt, sind das zweite Element des Planetenradgetriebes und der Rotor der elektrischen Maschine nicht koaxial angeordnet, wobei das zweite Element und der Rotor über eine Kopplungsanordnung miteinander in Drehmitnahmeverbindung stehen. Bei der Kopplungsanordnung kann es sich beispielsweise um einen Zahnradtrieb handeln, wobei grundsätzlich jedoch die nachstehend beschriebene Ausführungsform zu bevorzugen ist.
Um den Aufbau der Kopplungsanordnung zwischen dem zweiten Element des Planetenradgetriebes und dem Rotor der elektrischen Maschine besonders einfach zu halten, wird die Kopplungsanordnung in einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs von einem Zugmittelgetriebe gebildet. Bei dieser Ausführungsform kommen sowohl reibschlüssige als auch formschlüssige Zugmittelgetriebe in Betracht. Bei dem zugehörigen Zugmittel kann es sich beispielsweise um Flachriemen, Keilriemen, Synchronriemen oder Ketten handeln. Es ist bei dieser Ausführungsform jedoch bevorzugt, wenn das Zugmittel nicht als Kette, sondern als Riemen ausgebildet ist. In jedem Fall ermöglicht das Zugmittelgetriebe die Überwindung eines großen Abstandes zwischen der Achse des zweiten Elements des Planetenradgetriebes und der Achse des Rotors der elektrischen Maschine bei einem gleichermaßen einfachen und platzsparenden Aufbau, so dass eine besonders flexible Anordnung der elektrischen Maschine möglich ist. Darüber hinaus kann das Zugmittel besonders einfach für den Antrieb weiterer Komponenten des Motors verwendet werden, wie beispielsweise der Nockenwelle zur Ventilsteuerung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs weist das Zugmittelgetriebe ein von dem Zugmittel, vorzugsweise dem Riemen, umschlungenes planetenradgetriebeseitiges Rad, das mit dem zweiten Element des Planetenradgetriebes in Drehmitnahmeverbindung steht, auf. Hierbei ist es bevorzugt, wenn das planetenradgetriebeseitige Rad des Zugmittelgetriebes einstückig mit dem zweiten Element des Planetenradgetriebes ausgebildet ist, was sinngemäß bedeutet, dass das zweite Element des Planetenradgetriebes selbst das zu dem Zugmittelgetriebe gehörige planetenradgetriebeseitige Rad ausgebildet.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, die auf der vorangehend beschriebenen Ausführungsform basiert, ist das planetenradgetriebeseitige Rad des Zugmittelgetriebes derart ausgebildet, dass dieses einen geschlossenen Schmiermittelraum umgibt, innerhalb dessen die Elemente des Planetenradgetriebes angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist somit eine ausreichende und sichere Schmierung und Kühlung des Planetenradgetriebes selbst dann möglich, wenn dieses außerhalb des Motorgehäuses oder/und eines gegebenenfalls an dem Motorgehäuse befestigten weiteren Gehäuses angeordnet ist und somit keine Strömungsverbindung zwischen dem Kühl- und Schmiermittelkreislauf innerhalb des Motors bzw. Motorgehäuses und dem Schmiermittelraum innerhalb des planetenradgetriebeseitigen Rades besteht. Letzteres ist jedoch ebenso möglich, indem beispielsweise eine entsprechende Strömungsverbindung zwischen dem Schmiermittelraum innerhalb des planetenradgetriebeseitigen Rades und dem Innenraum des Motorgehäuses vorgesehen wird. Um jedoch eine einfache Montage und Demontage zu erreichen, sollte die erstgenannte Ausführungsvariante bevorzugt werden, bei der der Schmiermittelraum innerhalb des planetenradgetriebeseitigen Rades gegenüber dem Kühl- und Schmiermittelkreislauf innerhalb des Motors abgegrenzt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs weist das Zugmittelgetriebe ein von dem Zugmittel umschlungenes rotorseitiges Rad auf, das mit dem Rotor der elektrischen Maschine in Drehmitnahmeverbindung steht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs steht das planetenradgetriebeseitige oder/und das rotorseitige Rad des Zugmittelgetriebes austauschbar mit dem zweiten Element des Planetenradgetriebes oder/und dem Rotor der elektrischen Maschine in Drehmitnahmeverbindung. Bei dieser Ausführungsform kann somit die Übersetzung zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und dem ersten Element des Planetenradgetriebes durch einfaches Austauschen des planetenradgetriebeseitigen oder/und rotorseitigen Rades des Zugmittelgetriebes verändert werden, um die Drehzahl- und Drehmomentverhältnisse der elektrischen Maschine für den Starter- und Generatorbetrieb zu optimieren. Dank der guten Zugänglichkeit des Planetenradgetriebes sowie der elektrischen Maschine ist ein solcher Austausch besonders schnell und einfach durchführbar.
Um eine Übersetzung zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und dem ersten Element des Planetenradgetriebes im Starterbetrieb zu schaffen, die lediglich eine kleine elektrische Maschine erforderlich macht, weist die Kopplungsanordnung zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine einerseits und dem zweiten Element des Planetenradgetriebes andererseits im Starterbetrieb, in dem der Rotor als Antriebsseite und das zweite Element als Abtriebsseite fungiert, eine Übersetzung auf, die größer als 1 ist. Dies kann beispielsweise durch ein rotorseitiges Rad des Zugmittelgetriebes erreicht werden, das einen geringeren Durchmesser als das planetenradgetriebeseitige Rad des Zugmittelgetriebes aufweist. Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsform dank der erreichten günstigen Übersetzung bereits eine eigenständige Erfindung mit wesentlichen Vorteilen gegenüber dem bekannten Antriebsstrang nach der DE 101 02 015 A1 darstellen könnte, selbst wenn das Planetenradgetriebe nicht in der ersten axialen Richtung vor dem Motor angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform hat es sich ferner als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die genannte Übersetzung gleich oder größer als 2, besonders bevorzugt gleich oder größer als 3 ist.
Alternativ oder ergänzend zu der vorangehend beschriebenen Ausführungsform weist die Kopplungsanordnung in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs im Generatorbetrieb, in dem das zweite Element des Planetenradgetriebes die Antriebsseite und der Rotor der elektrischen Maschine die Abtriebsseite der Kopplungsanordnung zwischen dem Rotor und dem Planetenradgetriebe bildet, eine Übersetzung auf, die kleiner als 1, vorzugsweise gleich oder kleiner als 1/2, besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 1/3 ist.
Für das Planetenradgetriebe des Antriebsstrang hat es sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Planetenradgetriebe im Starterbetrieb, in dem das zweite Element die Antriebsseite und das erste Element die Abtriebsseite des Planetenradgetriebes bildet, eine Übersetzung aufweist, die größer als 2 ist, vorzugsweise im Bereich 2, 5 bis 6 liegt, wie dies in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrang der Fall ist.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs liegt die Gesamtübersetzung zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und dem ersten Element des Planetenradgetriebes, die sich beispielsweise aus der zuvor erwähnten Übersetzung der Kopplungsanordnung und der Übersetzung des Planetenradgetriebes ergibt, im Starterbetrieb im Bereich zwischen 3 bis 18, vorzugsweise 6 bis 13, besonders bevorzugt 9 bis 10. Im letztgenannten Bereich ergab sich dabei eine besonders ausgewogene Auslegung des Planetenradgetriebes und der Kopplungsanordnung einerseits und der elektrischen Maschine andererseits.
Für die erste Stelleinrichtung kommt grundsätzlich jede Stelleinrichtung in Betracht, mittels derer das dritte Element des Planetenradgetriebes an dem feststehenden Gehäuse, vorzugsweise dem feststehenden Motorgehäuse, festgelegt werden kann. In entsprechender Weise kommt für die zweite Stelleinrichtung jedwede Stelleinrichtung in Betracht, die im Generatorbetrieb derart mit mindestens einem der Elemente des Planetenradgetriebes zusammenwirkt, dass das Planetenradgetriebe einen Blockumlauf vollzieht. Um eine besonders zuverlässige Funktionsweise des Planetenradgetriebes sowohl im Generatorals auch im Starterbetrieb zu gewährleisten, ist die erste oder/und zweite Stelleinrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ein Freilauf oder eine schaltbare Kupplung oder Bremse. Hierbei hat ein Freilauf den besonderen Vorteil, dass dieser besonders platzsparend in das Planetenradgetriebe integriert sein kann, wohingegen die schaltbare Kupplung oder Bremse den Vorteil einer besonders hohen Zuverlässigkeit aufweist. Je nach zur Verfügung stehendem Bauraum ist es somit bei dieser Ausführungsform weiterhin bevorzugt, wenn die eine Stelleinrichtung als Freilauf und die andere Stelleinrichtung als schaltbare Kupplung oder Bremse ausgebildet ist. Sollte zumindest eine der beiden Stelleinrichtungen als Kupplung oder Bremse ausgebildet sein, so hat es sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Kupplung oder Bremse als Lamellenkupplung oder -bremse ausgebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ist die zweite Stelleinrichtung, also beispielsweise der Freilauf, die schaltbare Kupplung oder die schaltbare Bremse, derart zwischen zwei Elementen der drei Elemente des Planetenradgetriebes angeordnet, dass diese im Generatorbetrieb zueinander festgestellt sind und das Planetenradgetriebe somit einen Blockumlauf vollzieht. So kann die zweite Stelleinrichtung bei dieser Ausführungsform beispielsweise zwischen dem Sonnenrad und dem Planetenradträger, dem Planetenradträger und dem Hohlrad oder dem Sonnenrad und dem Hohlrad angeordnet sein bzw. wirken.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, die eine Alternative zu der vorangehend beschriebenen Ausführungsform darstellt, ist die zweite Stelleinrichtung derart zwischen dem Planetenradträger und den Planetenrädern angeordnet, dass diese Planetenräder im Generatorbetrieb gegenüber dem Planetenradträger festgestellt sind und das Planetenradgetriebe somit einen Blockumlauf vollzieht. Bei dieser Ausführungsform hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die zweite Stelleinrichtung von einem oder mehreren Freiläufen anstelle einer schaltbaren Kupplung oder Bremse gebildet wird. In jedem Fall gewährleistet eine zwischen dem Planetenradträger und den Planetenrädern wirkende zweite Stelleinrichtung eine besonders sichere Funktionsweise des Planetenradgetriebes im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine.
Um eine negative Übersetzung im Bereich des Planetenradgetriebes zu vermeiden, ist das erste Element des Planetenradgetriebes, das in Drehmitnahmeverbindung mit der Motorwelle des Motors steht, der Planetenradträger.
In einer auf der vorangehend beschriebenen Ausführungsform basierenden weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ist das erste Element der Planetenradträger, das zweite Element das Hohlrad und das dritte Element das Sonnenrad. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Stelleinrichtung vorzugsweise zwischen dem zweiten und dritten Element, also dem Hohlrad und dem Sonnenrad, angeordnet bzw. wirkt zwischen diesen beiden genannten Elementen.
Um besonders große Übersetzungen des Planetenradgetriebes im Starterbetrieb zu ermöglichen, ist das Planetenradgetriebe in einer weiteren besonders bevorzugten und alternativen Ausführungsform zu der vorangehend beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs derart ausgebildet, dass das erste Element der Planetenradträger, das zweite Element das Sonnenrad und das dritte Element das Hohlrad ist. Dank der im Starterbetrieb erzielbaren großen Übersetzung des Planetenradgetriebes, die eine besonders kleine Dimensionierung der elektrischen Maschine ermöglicht, könnte diese Ausführungsform bereits eine eigenständige Erfindung mit wesentlichen Vorteilen gegenüber dem aus der DE 101 02 015 A1 bekannten Antriebsstrang darstellen, selbst wenn das Planetenradgetriebe nicht in der ersten axialen Richtung vor dem Motor angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist es ferner bevorzugt, wenn die zweite Stelleinrichtung zwischen dem ersten Element, also dem Planetenradträger, und dem zweiten Element, also dem Sonnenrad, angeordnet ist bzw. wirkt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs in der Seitenansicht,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs in der Seitenansicht,
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs in der Seitenansicht und
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs in der Seitenansicht.
1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 2 für ein Kraftfahrzeug. Der Antriebsstrang 2 weist einen Motor 4 auf, der im vorliegenden Beispiel als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. In 1 ist lediglich ein Motorgehäuse 6 sowie eine antreibbare Motorwelle 8 des Motors 4 angedeutet. Die um eine Drehachse 10 rotierbare Motorwelle 8 erstreckt sich einerseits in eine erste axiale Richtung 12 und andererseits in eine der ersten axialen Richtung 12 entgegengesetzte zweite axiale Richtung 14.
Der Antriebsstrang 2 umfasst ferner ein Getriebe 16, das in 1 lediglich schematisch angedeutet ist. Das Getriebe 16 weist eine Getriebeeingangswelle 18 auf, die über eine lediglich schematisch angedeutete Kopplungsanordnung 20 mit einem ersten Ende 22 der Motorwelle 8 in Drehmitnahmeverbindung steht, wobei das erste Ende 22 der Motorwelle 8 in die erste axiale Richtung 12 weist. Das Getriebe 16 oder/und die Kopplungsanordnung 20 ist in der ersten axialen Richtung 12 hinter dem Motor 4 angeordnet. Es kann auch davon gesprochen werden, dass das Getriebe 16 oder/und die Kopplungsanordnung 20 auf der Abtriebsseite 24 des Motors 4 angeordnet ist.
Der Antriebsstrang 2 umfasst ferner eine elektrische Maschine 26, die vorzugsweise als Lichtmaschine ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 26 umfasst dabei einen um eine Drehachse 28 rotierbaren Rotor 30 und einen den Rotor 30 umgebenden Stator 32. Die elektrische Maschine 26 kann entweder in einem Generatorbetrieb, in dem eine elektrische Energie unter Ausnutzung einer Relativbewegung bzw. -drehung zwischen dem Rotor 30 und dem Stator 32 erzeugt wird, oder einem Starterbetrieb betrieben werden, in dem eine elektrische Energie in eine Drehung des Rotors 30 gegenüber dem Stator 32 umgewandelt wird. Der Rotor 30 steht über eine Welle 34, die sich entlang der Drehachse 28 erstreckt, mit einem rotorseitigen Rad 36 in Drehmitnahmeverbindung, auf dessen Funktion später näher eingegangen wird. Dabei steht das rotorseitige Rad 36 austauschbar mit dem Rotor 30 bzw. der Welle 34 in Drehmitnahmeverbindung, d. h., das rotorseitige Rad 36 kann durch ein anderes Rad, das gegebenenfalls einen größeren oder kleineren Durchmesser aufweist, ausgetauscht werden.
Der Antriebsstrang 2 weist ferner ein Planetenradgetriebe 38 auf. Das Planetenradgetriebe 38 ist dabei in der ersten axialen Richtung 12 vor dem Motor 4 angeordnet. Man kann hierbei auch davon sprechen, dass das Planetenradgetriebe 38 auf der der Abtriebsseite 24 des Motors 4 abgewandten Steuerseite 40 des Motors 4 angeordnet ist. Das Planetenradgetriebe 38 setzt sich im Wesentlichen aus drei Elementen zusammen, nämlich einem ersten Element 42, das in Drehmitnahmeverbindung mit der Motorwelle 8 steht, einem zweiten Element 44, das in Drehmitnahmeverbindung mit dem Rotor 30 der elektrischen Maschine 26 steht, und einem dritten Element 46. In der dargestellten Ausführungsform wird das erste Element 42 von einem Planetenradträger 48, das zweite Element 44 von einem Sonnenrad 50 und das dritte Element 46 von einem Hohlrad 52 gebildet, wobei an dem von dem Planetenradträger 48 gebildeten ersten Element 42 drehbare Planetenräder 54 angeordnet sind.
Das zweite Element 44 des Planetenradgetriebes 38 ist um die Drehachse 10 rotierbar, während der Rotor 30 der elektrischen Maschine 26 bzw. das rotorseitige Rad 36, das dem Rotor 30 zugeordnet ist, um die Drehachse 28 rotierbar ist, wobei die Drehachse 28 in radialer Richtung gegenüber der Drehachse 10 versetzt angeordnet ist. Das zweite Element 44 und der Rotor 30 sind somit nicht koaxial angeordnet. Um dennoch eine Drehmitnahmeverbindung zwischen dem zweiten Element 44 und dem Rotor 30 zu erzielen, ist ferner eine Kopplungsanordnung 56 vorgesehen, die im vorliegenden Beispiel als Zugmittelgetriebe 58 ausgebildet ist. Das Zugmittelgetriebe 58 weist dabei ein Zugmittel 60 auf, das vorzugsweise als Riemen ausgebildet ist, so dass das Zugmittelgetriebe 58 auch als Riementrieb bezeichnet werden kann. Das Zugmittel 60 umschlingt einerseits das rotorseitige Rad 36 und andererseits ein planetenradgetriebeseitiges Rad 62. Das planetenradgetriebeseitige Rad 62 steht dabei mit dem zweiten Element 44 des Planetenradgetriebes 38 in Drehmitnahmeverbindung, wobei das planetenradgetriebeseitige Rad 62 zu diesem Zweck vorzugsweise einstückig mit dem zweiten Element 44 ausgebildet ist. Somit wird die Drehmitnahmeverbindung zwischen dem zweiten Element 44 und dem Rotor 30 über das Zugmittelgetriebe 58 erzielt, das somit das planetenradgetriebeseitige Rad 62, das Zugmittel 60 und das rotorseitige Rad 36 umfasst.
Das planetenradgetriebeseitige Rad 62 ist – wie aus 1 ersichtlich – derart ausgebildet, dass dieses einen geschlossenen Schmiermittelraum 64 umgibt. Innerhalb des Schmiermittelraumes 64 ist das erste Element 42 in Form des Planetenradträgers 48 mit den Planetenrädern 54, das zweite Element 44 in Form des Sonnenrades 50 und das dritte Element 46 in Form des Hohlrades 52 angeordnet, wobei der Schmiermittelraum 64 ferner über entsprechende Dichtungen 66 gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, wobei die Dichtungen 66 beispielsweise zwischen dem planetenradgetriebeseitigen Rad 62 und der Motorwelle 8 bzw. zwischen dem planetenradgetriebeseitigen Rad 62 und einem Abschnitt des Motorgehäuses 6 angeordnet sein können.
Das erste Element 42 steht mit dem dem ersten Ende 22 der Motorwelle 8 abgewandten zweiten Ende 68 der Motorwelle 8, das in axialer Richtung 14 aus dem Motorgehäuse 6 hervorsteht, in Drehmitnahmeverbindung. Somit ist das Planetenradgetriebe 38 auf der Steuerseite 40 des Motors 4 außerhalb des Motorgehäuses 6 angeordnet. Auch ist das Planetenradgetriebe 38 mitsamt dem planetenradgetriebeseitigen Rad 62 des Zugmittelgetriebes 58 nicht innerhalb eines gegebenenfalls an dem Motorgehäuse 4 befestigten weiteren Gehäuses angeordnet, damit das Planetenradgetriebe 38 gut zugänglich ist und sich das Zugmittel 60 des Zugmittelgetriebes 58 ungehindert in Richtung des rotorseitigen Rades 36 erstrecken kann.
Wie bereits zuvor erwähnt, kann die elektrische Maschine 26 in einem Starterbetrieb oder in einem Generatorbetrieb betrieben werden. Im Starterbetrieb wird die Motorwelle 8 von der elektrischen Maschine 26 über die Kopplungsanordnung 56 und das Planetenradgetriebe 38angetrieben. Somit bildet im Starterbetrieb das rotorseitige Rad 36 die Antriebsseite der Kopplungsanordnung 56, während das planetenradgetriebeseitige Rad 62 die Abtriebsseite der Kopplungsanordnung 56 bildet. In entsprechender Weise bildet das zweite Element 44 des Planetenradgetriebes 38 im Starterbetrieb die Antriebsseite des Planetenradgetriebes 38, während das erste Element 42 des Planetenradgetriebes 38 die Abtriebsseite des Planetenradgetriebes 38 im Starterbetrieb bildet.
Im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 26 wird der Rotor 30 hingegen von der Motorwelle 8 über das Planetenradgetriebe 38 und die Kopplungsanordnung 56 angetrieben. Folglich bildet das erste Element 42 des Planetenradgetriebes 38 im Generatorbetrieb die Antriebsseite des Planetenradgetriebes 38, während das zweite Element 44 des Planetenradgetriebes 38 im Generatorbetrieb die Abtriebsseite des Planetenradgetriebes 38 ausbildet. Demzufolge bildet das planetenradgetriebeseitige Rad 62 im Generatorbetrieb die Antriebsseite der Kopplungseinrichtung 56, während das rotorseitige Rad 36 im Generatorbetrieb die Abtriebsseite der Kopplungsanordnung 56 bildet.
Um unterschiedliche Übersetzungen des Planetenradgetriebes 38 im Starter- und Generatorbetrieb zu erzielen und somit die Möglichkeit zu bieten, eine besonders kleine, platzsparende, leichtgewichtige und kostengünstige elektrische Maschine 26 verwenden zu können, sind in dem Planetenradgetriebe 38 ferner eine erste Stelleinrichtung 70 und eine zweite Stelleinrichtung 72 angeordnet. Die erste Stelleinrichtung 70 bewirkt im Starterbetrieb, dass das dritte Element 46, das im vorliegenden Beispiel von dem Hohlrad 52 gebildet wird, an einem feststehenden Gehäuse festgelegt wird, so dass das dritte Element 46 nicht mehr oder zumindest nur noch eingeschränkt drehbar ist, wobei das feststehende Gehäuse in der gezeigten Ausführungsform von dem Motorgehäuse 6 des Motors 4 gebildet wird. Die zweite Stelleinrichtung 72 wirkt im Generatorbetrieb dahingegen derart mit mindestens einem der Elemente 42, 44, 46 zusammen, dass das Planetenradgetriebe 38 einen Blockumlauf vollzieht, wodurch die Drehzahl der Abtriebsseite des Planetenradgetriebes 38 der Drehzahl der Antriebsseite des Planetenradgetriebes 38 entspricht. In der dargestellten ersten Ausführungsform nach 1 ist die zweite Stelleinrichtung 72 zwischen dem ersten Element 42 und dem zweiten Element 44 des Planetenradgetriebes 38 angeordnet, so dass diese Elemente 42, 44 im Generatorbetrieb zueinander festgestellt sind und im Starterbetrieb relativ zueinander drehbar sind. Alternativ könnte die zweite Stelleinrichtung 72 auch zwischen der Motorwelle 8 und dem zweiten Element 44 angeordnet sein bzw. wirken.
Die zuvor erwähnten Stelleinrichtungen 70, 72 können beispielsweise als Freiläufe oder schaltbare Kupplungen oder Bremsen ausgebildet sein. Sollte zumindest eine der Stelleinrichtungen 70, 72 als schaltbare Kupplung oder Bremse ausgebildet sein, so ist es bevorzugt, wenn die andere Stelleinrichtung 72, 70 als Freilauf ausgebildet ist. Im Falle einer Stelleinrichtung 70, 72 in Form einer schaltbaren Kupplung oder Bremse ist es ferner bevorzugt, wenn diese Stelleinrichtung 70, 72 als Lamellenkupplung oder Lamellenbremse ausgebildet ist.
Die Kopplungsanordnung 56 weist im Starterbetrieb, in dem das rotorseitige Rad 36 die Antriebsseite und das planetenradgetriebeseitige Rad 62 die Abtriebsseite der Kopplungsanordnung 56 ausbildet, eine Übersetzung im auf, die sich nach der folgenden Formel berechnen lässt:
In der vorstehend genannten Formel bezeichnet d₁ den Durchmesser des rotorseitigen Rades 36, an dem das Zugmittel 60 anliegt, während d₂ den Durchmesser des planetenradgetriebeseitigen Rades 62 beschreibt, an dem das Zugmittel 60 anliegt. Die Durchmesser d₁ und d₂ sind dabei derart gewählt, dass die Übersetzung iss der Kopplungsanordnung 56 im Starterbetrieb größer als 1 ist, d. h., der Durchmesser d₁ des rotorseitigen Rades 36 ist kleiner als der Durchmesser d₂ des planetenradgetriebeseitigen Rades 62. Hierbei ist es bevorzugt, wenn i_KS ≥ 2 ist. Besonders bevorzugt sind die Durchmesser d₁ und d₂ derart gewählt, dass i_KS ≥ 3 ist. Umgekehrt gilt, dass die Übersetzung i_KG der Kopplungsanordnung 56 im Generatorbetrieb kleiner als 1, vorzugsweise gleich oder kleiner als 1/2, besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 1/3 ist, wobei sich die Übersetzung i_KG der Kopplungsanordnung 56 im Generatorbetrieb nach der nachstehenden Formel berechnet:
Dank der vorstehend genannten Übersetzung i_KS bzw. i_KG der Kopplungsanordnung 56 im Starterbetrieb bzw. Generatorbetrieb ist es möglich, eine besonders kleine elektrische Maschine 26 einzusetzen, wodurch Bauraum gespart und ein geringeres Gesamtgewicht des Antriebsstrangs 2 erzielt werden kann. Eine weitere Verringerung des Gewichts der elektrischen Maschine 26 und des für die elektrische Maschine 26 notwendigen Bauraumes wird darüber hinaus durch das im Generatorbetrieb vorgeschaltete und im Starterbetrieb nachgeschaltete Planetenradgetriebe 38 erzielt, wie dies nachstehend näher erläutert wird.
Im Generatorbetrieb der elektrische Maschine 26 wird der Rotor 30 über das Planetenradgetriebe 38 und die Kopplungsanordnung 56 durch die Motorwelle 8 angetrieben, wobei die zweite Stelleinrichtung 72 das erste Element 42 und das zweite Element 44 des Planetenradgetriebes 38 zueinander festlegt, so dass das Planetenradgetriebe 38 einen Blockumlauf vollzieht. Somit gilt für die Übersetzung i_PG des Planetenradgetriebes 38 im Generatorbetrieb die folgende Gleichung: i_PG = 1.
Des Weiteren ergibt sich die Übersetzung i_PS des Planetenradgetriebes 38 im Starterbetrieb nach der folgenden Formel:
wobei Z_H die Zähnezahl des Hohlrades 52, dass das dritte Element 46 ausbildet, kennzeichnet, während Z_S die Zähnezahl des Sonnenrades 50 angibt, das das zweite Element 44 ausbildet. Bei dieser Ausführungsform sind die Zähnezahlen Z_H und Z_S derart gewählt, dass die Übersetzung i_PS des Planetenradgetriebes 38 im Starterbetrieb größer als 2 ist, vorzugsweise im Bereich 2, 5 bis 6 liegt. Somit gilt: i_PS > 2 und vorzugsweise 2,5 ≤ i_PS ≤ 6.
Die Gesamtübersetzung i_GS im Starterbetrieb zwischen dem Rotor 30 der elektrischen Maschine 26 einerseits und dem ersten Element 42 des Planetenradgetriebes 38 bzw. der Motorwelle 8 des Motors 4 andererseits kann demzufolge nach der nachstehenden Formel berechnet werden: i_GS = i_KS·i_PS.
Für die Gesamtübersetzung i_GS gilt vorzugsweise: 3 ≤ i_GS ≤ 18, besonders bevorzugt: 6 ≤ i_GS ≤ 13 oder 9 ≤ i_GS ≤ 10.
Um eine entsprechende Gesamtübersetzung i_GS im Starterbetrieb zu erzielen, sind die Übersetzung i_KS der Kopplungsanordnung 56 im Starterbetrieb und die Übersetzung i_PS des Planetenradgetriebes 38 im Starterbetrieb in entsprechender Weise aufeinander abzustimmen.
Nachstehend wird die Funktionsweise des Antriebsstrangs 2 in der ersten Ausführungsform nach 1 beschrieben, wobei davon ausgegangen werden soll, dass i_KS = 3, i_KG = 1 / 3 , i_PS = 3 und i_PG = 1 ist.
Im Generatorbetrieb wird die Motorwelle 8 durch den Motor 4 angetrieben und die zweite Stelleinrichtung 72 legt das erste Element 42 und das zweite Element 44 des Planetenradgetriebes 38 zueinander fest, so dass das Planetenradgetriebe 38 einen Blockumlauf vollzieht, während die erste Stelleinrichtung 70 derart eingestellt ist, dass das dritte Element 46 gegenüber dem Motorgehäuse 6 rotieren kann und somit nicht an dem genannten Motorgehäuse 6 festgelegt ist. Für die Gesamtübersetzung i_GG im Generatorbetrieb ergibt sich somit: i_GG = i_PG·i_KG = 1· 1 / 3 = 1 / 3 .
Folglich wird der Rotor 30 der elektrischen Maschine 26 mit der dreifachen Drehzahl der Motorwelle 8 bzw. des ersten Elements 42 des Planetenradgetriebes 38 rotiert, wenn die elektrische Maschine 26 im Generatorbetrieb betrieben wird.
Im Starterbetrieb der elektrischen Maschine 26, in dem die elektrische Maschine 26 sinngemäß als Anlasser für den Motor 4 fungiert, so dass eine separate Anlassvorrichtung entfallen kann, wird das dritte Element 46 des Planetenradgetriebes 38 über die erste Stelleinrichtung 70 an dem feststehenden Motorgehäuse 6 festgelegt, so dass das dritte Element 46 nicht mehr oder nur eingeschränkt rotiert werden kann, während die zweite Stelleinrichtung 72 derart zwischen dem ersten Element 42 und dem zweiten Element 44 des Planetenradgetriebes 38 wirkt, dass die beiden genannten Elemente 42, 44 gegeneinander verdreht werden können. Das erste und zweite Element 42, 44 des Planetenradgetriebes 38 sind somit nicht mehr zueinander festgelegt. Für die Gesamtübersetzung i_GS zwischen dem Rotor 30 der elektrischen Maschine 26 einerseits und dem ersten Element 42 des Planetenradgetriebes 38 bzw. der durch die elektrische Maschine 26 anzutreibenden Motorwelle 8 andererseits gilt somit: i_GS = i_KS·i_PS = 3·3 = 9.
Anhand der berechneten Gesamtübersetzungen i_GG und i_GS im Generatorbetrieb und Starterbetrieb ist ersichtlich, dass unterschiedliche Gesamtübersetzungen i_GG und i_GS in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart der elektrischen Maschine 26 erreicht werden können, ohne dass eine zusätzliche Anlassvorrichtung erforderlich ist. Dabei werden insbesondere im Starterbetrieb Gesamtübersetzungen i_GS geschaffen, durch die Drehzahl- bzw. Drehmomentverhältnisse auftreten, die den Einsatz einer besonders einfachen, kleinen und leichtgewichtigen elektrischen Maschine 26 möglich machen, zumal die Drehmomentverhältnisse bestimmend für die Größe der elektrischen Maschine 26 sowie der zugehörigen Leistungselektronik und Batterie der elektrischen Maschine 26 sind. Darüber hinaus ist der Montage- und Wartungsaufwand bezüglich des Planetenradgetriebes 38 und der elektrischen Maschine 26 maßgeblich reduziert, zumal das Planetenradgetriebe 38 auf der Steuerseite 40 des Motors 4 angeordnet ist, während die elektrische Maschine 26 dank der Kopplungsanordnung 56 besonders flexibel angeordnet sein kann. Somit sind sowohl das Planetenradgetriebe 38 als auch die elektrische Maschine 26 besonders gut zugänglich. Auch können die Drehmomentverhältnisse durch Austauschen des rotorseitigen Rades 36 besonders einfach auf das gewünschte Maß eingestellt werden, das den Einsatz einer kleinen elektrischen Maschine 26 ermöglicht.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 2 beschrieben, wobei lediglich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform nach 1 eingegangen werden soll, gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet werden und die vorangehende Beschreibung im Übrigen entsprechend gilt.
Bei der zweiten Ausführungsform des Antriebsstrangs 2 nach 2 ist die zweite Stelleinrichtung 72 nicht zwischen dem ersten Element 42 und dem zweiten Element 44 des Planetenradgetriebes 38 angeordnet, sondern wirkt vielmehr zwischen dem Planetenradträger 48 und den an dem Planetenradträger 48 angeordneten Planetenrädern 54, d. h., die zweite Stelleinrichtung 72, die zu diesem Zweck mehrteilig ausgebildet sein kann, wirkt derart lediglich mit dem ersten Element 42 des Planetenradgetriebes 38 zusammen, dass das Planetenradgetriebe 38 im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 26 einen Blockumlauf vollzieht. In dieser Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn die zweite Stelleinrichtung 72 als Freilauf, vorzugsweise als Hülsenfreilauf, ausgebildet ist und nicht von einer schaltbaren Kupplung oder Bremse gebildet wird.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 2 beschrieben, wobei nachstehend lediglich auf die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform eingegangen wird, gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet werden und die vorangehende Beschreibung im Übrigen entsprechend gilt.
Bei der dritten Ausführungsform nach 3 wird das zweite Element 44 des Planetenradgetriebes 38 von dem Hohlrad 52 gebildet, während das dritte Element 46 des Planetenradgetriebes 38 von dem Sonnenrad 50 gebildet wird. Dabei ist die zweite Stelleinrichtung 72 zwischen dem zweiten Element 44 in Form des Hohlrades 52 und dem dritten Element 46 in Form des Sonnenrades 50 angeordnet bzw. wirkt zwischen diesen. Da nunmehr das Hohlrad 52, dass das zweite Element 44 des Planetenradgetriebes 38 bildet, im Generatorbetrieb die Abtriebsseite des Planetenradgetriebes 38 und im Starterbetrieb die Antriebsseite des Planetenradgetriebes 38 darstellt, steht das planetenradgetriebeseitige Rad 62 folglich mit dem Hohlrad 52 in Drehmitnahmeverbindung, wobei das planetenradgetriebeseitige Rad 62 in der dargestellten dritten Ausführungsform einstückig mit dem Hohlrad 52 ausgebildet ist. Die Gesamtübersetzung i_GS im Starterbetrieb hängt wiederum maßgeblich von der Übersetzung i_KS der Kopplungsanordnung 56 und der Übersetzung i_PS des Planetenradgetriebes 38 ab, wie dies bereits zuvor unter Bezugnahme auf die entsprechende Formel verdeutlicht wurde. Im Gegensatz zu den beiden vorangehend beschriebenen Ausführungsformen nach den 1 und 2 berechnet sich die Übersetzung i_PS des Planetenradgetriebes 38 im Starterbetrieb jedoch nach der folgenden Formel:
Hieraus ist ersichtlich, dass bei dieser dritten Ausführungsform lediglich eine geringe Übersetzung i_PS des Planetenradgetriebes 38 im Starterbetrieb erzielt werden kann, für die gilt: 1 < i_PS < 2, zumal die Zähnezahl Z_S des Sonnenrades 50 stets kleiner als die Zähnezahl Z_H des Hohlrades 52 ist.
Trotz dieser Einschränkung kann die Gesamtübersetzung i_GS im Starterbetrieb jedoch noch immer in einem der zuvor erwähnten bevorzugten Bereiche liegen, indem die Kopplungsanordnung 56 in entsprechender Weise ausgelegt wird, was durch eine Anpassung der Übersetzung i_KS der Kopplungsanordnung 56 im Starterbetrieb erfolgen kann. Somit können auch mit der dritten Ausführungsform die Vorteile der Erfindung erreicht werden, wenngleich mit der beschränkten Auswahl der Übersetzung i_PS des Planetenradgetriebes 38 im Starterbetrieb in konstruktiver Hinsicht eine gewisse Einschränkung besteht, die je nach Anwendungsfall unerwünscht sein kann. Insofern sollte den beiden vorangehend beschriebenen Ausführungsformen nach den 1 und 2 Vorrang eingeräumt werden.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 2 beschrieben, wobei die vierte Ausführungsform im Wesentlichen der dritten Ausführungsform nach 3 entspricht, so dass nachstehend lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird, gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet werden und die vorangehende Beschreibung im Übrigen entsprechend gilt.
Im Gegensatz zu der dritten Ausführungsform ist die zweite Stelleinrichtung 72 bei der vierten Ausführungsform des Antriebsstrangs 2 nach 4 zwischen dem ersten Element 42 in Form des Planetenradträgers 48 und dem zweiten Element 44 in Form des Hohlrades 52 angeordnet bzw. wirkt zwischen diesen. Im Übrigen gilt die vorangehende Beschreibung entsprechend.
Bezugszeichenliste

2: Antriebsstrang
4: Motor
6: Motorgehäuse
8: Motorwelle
10: Drehachse
12: erste axiale Richtung
14: zweite axiale Richtung
16: Getriebe
18: Getriebeeingangswelle
20: Kopplungsanordnung
22: erstes Ende
24: Abtriebsseite des Motors
26: elektrische Maschine
28: Drehachse
30: Rotor
32: Stator
34: Welle
36: rotorseitiges Rad
38: Planetenradgetriebe
40: Steuerseite
42: erstes Element
44: zweites Element
46: drittes Element
48: Planetenradträger
50: Sonnenrad
52: Hohlrad
54: Planetenräder
56: Kopplungsanordnung
58: Zugmittelgetriebe
60: Zugmittel
62: planetenradgetriebeseitiges Rad
64: Schmiermittelraum
66: Dichtungen
68: zweites Ende
70: erste Stelleinrichtung
72: zweite Stelleinrichtung
d1: Durchmesser des rotorseitigen Rades
d2: Durchmesser des planetenradgetriebeseitigen Rades
iGG: Gesamtübersetzung im Generatorbetrieb
iGS: Gesamtübersetzung im Starterbetrieb
iKG: Übersetzung der Kopplungsanordnung im Generatorbetrieb
iKS: Übersetzung der Kopplungsanordnung im Starterbetrieb
iPG: Übersetzung des Planetenradgetriebes im Generatorbetrieb
iPS: Übersetzung des Planetenradgetriebes im Starterbetrieb
ZH: Zähnezahl des Hohlrades
ZS: Zähnezahl des Sonnenrades

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10102015 A1 [0002, 0007, 0007, 0017, 0026]

Claims

Antriebsstrang (2) für ein Kraftfahrzeug mit einem Motor (4), der eine antreibbare Motorwelle (8) mit einer ersten axialen Richtung (12) aufweist, einem Getriebe (16), das eine mit der Motorwelle (8) in Drehmitnahmeverbindung stehende Getriebeeingangswelle (18) aufweist, einer elektrischen Maschine (26), die einen Rotor (30) und einen Stator (32) aufweist und die in einem Generatorbetrieb, in dem eine elektrische Energie unter Ausnutzung einer Relativbewegung zwischen dem Rotor (30) und dem Stator (32) erzeugbar ist, und einem Starterbetrieb betreibbar ist, in dem eine elektrische Energie in eine Relativbewegung zwischen dem Rotor (30) und dem Stator (32) umwandelbar ist, und einem Planetenradgetriebe (38), das drei Elemente (42, 44, 46) aufweist, nämlich ein Sonnenrad (50), einen Planetenradträger (48) mit Planetenrädern (54) und ein Hohlrad (52), von denen ein erstes Element (42), das im Generatorbetrieb die Antriebsseite und im Starterbetrieb die Abtriebsseite des Planetenradgetriebes (38) bildet, in Drehmitnahmeverbindung mit der Motorwelle (8) steht, ein zweites Element (44), das im Generatorbetrieb die Abtriebsseite und im Starterbetrieb die Antriebsseite des Planetenradgetriebes (38) bildet, in Drehmitnahmeverbindung mit dem Rotor (30) steht und ein drittes Element (46) im Starterbetrieb mittels einer ersten Stelleinrichtung (70) an einem feststehenden Gehäuse festlegbar ist, wobei ferner eine zweite Stelleinrichtung (72) vorgesehen ist, die im Generatorbetrieb derart mit mindestens einem der Elemente (42; 44; 46) zusammenwirkt, dass das Planetenradgetriebe (38) einen Blockumlauf vollzieht, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetenradgetriebe (38) in der ersten axialen Richtung (12) vor dem Motor (4) und das Getriebe (16) in der ersten axialen Richtung (12) hinter dem Motor (4) angeordnet ist.
Antriebsstrang (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeingangswelle (18) mit einem ersten Ende (22) der Motorwelle (8) und das erste Element (42) mit dem dem ersten Ende (22) abgewandten zweiten Ende (68) der Motorwelle (8) in Drehmitnahmeverbindung steht.
Antriebsstrang (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (4) ein Motorgehäuse (6) aufweist, wobei das Planetenradgetriebe (38) vorzugsweise außerhalb des Motorgehäuses (6) oder/und eines gegebenenfalls an dem Motorgehäuse (6) befestigten weiteren Gehäuses angeordnet ist.
Antriebsstrang (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Element (46) im Starterbetrieb mittels der ersten Stelleinrichtung (70) an dem Motorgehäuse (6) festlegbar ist.
Antriebsstrang (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (44) und der Rotor (30) nicht koaxial angeordnet sind und über eine Kopplungsanordnung (56), vorzugsweise über ein Zugmittelgetriebe (58), miteinander in Drehmitnahmeverbindung stehen, wobei das Zugmittel (60) besonders bevorzugt als Riemen ausgebildet ist.
Antriebsstrang (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittelgetriebe (58) ein von dem Zugmittel (60) umschlungenes planetenradgetriebeseitiges Rad (62), das mit dem zweiten Element (44) in Drehmitnahmeverbindung steht, vorzugsweise einstückig mit diesem ausgebildet ist, aufweist, wobei das planetenradgetriebeseitige Rad (62) besonders bevorzugt einen geschlossenen Schmiermittelraum (64) umgibt, innerhalb dessen die Elemente (42, 44, 46) des Planetenradgetriebes (38) angeordnet sind.
Antriebsstrang (2) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittelgetriebe (58) ein von dem Zugmittel (60) umschlungenes rotorseitiges Rad (36) aufweist, das mit dem Rotor (30) in Drehmitnahmeverbindung steht, wobei das planetenradgetriebeseitige oder/und rotorseitige Rad (62, 36) vorzugsweise austauschbar mit dem zweiten Element (44) oder/und dem Rotor (30) in Drehmitnahmeverbindung steht.
Antriebsstrang (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsanordnung (56) im Starterbetrieb eine Übersetzung (i_KS) aufweist, die größer als 1, vorzugsweise gleich oder größer als 2, besonders bevorzugt gleich oder größer als 3, ist, oder/und im Generatorbetrieb eine Übersetzung (i_KG) aufweist, die kleiner als 1, vorzugsweise gleich oder kleiner als 1/2, besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 1/3 ist.
Antriebsstrang (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetenradgetriebe (38) im Starterbetrieb eine Übersetzung (i_PS) aufweist, die größer als 2 ist, vorzugsweise im Bereich 2, 5 bis 6 liegt.
Antriebsstrang (2) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtübersetzung (i_GS) zwischen dem Rotor (30) und dem ersten Element (42) im Starterbetrieb im Bereich 3 bis 18, vorzugsweise 6 bis 13, besonders bevorzugt 9 bis 10, liegt.
Antriebsstrang (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder/und zweite Stelleinrichtung (70, 72) ein Freilauf oder eine schaltbare Kupplung oder Bremse ist, wobei vorzugsweise eine Stelleinrichtung (70; 72) als Freilauf und die andere Stelleinrichtung (72; 70) als schaltbare Kupplung oder Bremse und die Kupplung oder Bremse besonders bevorzugt als Lamellenkupplung oder -bremse ausgebildet ist.
Antriebsstrang (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stelleinrichtung (72) derart zwischen zwei Elementen (42, 44; 44, 46; 42, 46) der drei Elemente (42, 44, 46) des Planetenradgetriebes (38) angeordnet ist, dass diese im Generatorbetrieb zueinander festgestellt sind.
Antriebsstrang (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stelleinrichtung (72) derart zwischen dem Planetenradträger (38) und den Planetenrädern (54) angeordnet ist, dass die Planetenräder (54) im Generatorbetrieb gegenüber dem Planetenradträger (48) festgestellt sind.
Antriebsstrang (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (42) der Planetenradträger (48), das zweite Element (44) das Hohlrad (52) und das dritte Element (46) das Sonnenrad (50) ist, wobei die zweite Stelleinrichtung (72) vorzugsweise zwischen dem zweiten und dritten Element (44, 46) angeordnet ist.
Antriebsstrang (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (42) der Planetenradträger (48), das zweite Element (44) das Sonnenrad (50) und das dritte Element (46) das Hohlrad (52) ist, wobei die zweite Stelleinrichtung (72) vorzugsweise zwischen dem ersten und zweiten Element (42, 44) angeordnet ist.