DE102010045350A1

DE102010045350A1 - Schaltbares Planetenradgetriebe, Antriebssystem und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010045350A1
Application number: DE102010045350A
Authority: DE
Inventors: Thorsten BIERMANN; Frank Steiner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-03-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein schaltbares Planetenradgetriebe, ein Antriebssystem und ein Fahrzeug, und insbesondere ein schaltbares Planetenradgetriebe, das Teil des Antriebssystems ist, welches wiederum als Antriebssystem eines Fahrzeugs Verwendung findet. Insbesondere kann das schaltbare Planetenradgetriebe die Antriebskraft eines Elektromotors auf eine Antriebswelle des Fahrzeugs übertragen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein schaltbares Planetenradgetriebe, ein Antriebssystem und ein Fahrzeug, und insbesondere ein schaltbares Planetenradgetriebe, das Teil des Antriebssystems ist, welches wiederum als Antriebssystem eines Fahrzeugs Verwendung findet. Insbesondere kann das schaltbare Planetenradgetriebe die Antriebskraft eines Elektromotors auf eine Antriebswelle des Fahrzeugs übertragen.
Hintergrund der Erfindung
Fahrzeuge mit schaltbarem Planetenradgetriebe sind beispielsweise aus der DE 10 2008 000 777 A1 bekannt, welche ein schaltbares Verteilergetriebe offenbart. Das heißt, gemäß diesem Stand der Technik wird bei einer aus Sonnenrad, Planetenrad, Planetenträger, und Hohlrad bestehendem Planetensatz der Planetenträger von einer Antriebsquelle angetrieben, wohingegen das Sonnenrad und das Planetenrad jeweils zum Antrieb von verschiedenen Antriebswellen Verwendung finden. Somit dient der Planetenträger als Antrieb des schaltbaren Verteilergetriebes. Demgegenüber sind das Sonnenrad und das Planetenrad jeweils ein Abtrieb des schaltbaren Verteilergetriebes. Durch diese Konstruktion wird mittels eines Getriebes mit relativ kleinem Bauraum und relativ geringem Gewicht von der Antriebsquelle erzeugte Antriebskraft auf zwei verschiedene Antriebswellen verteilt.
Darüber hinaus ist in 3 ein schaltbares Planetenradgetriebe mit einer geringen Standübersetzung gemäß einem firmeninternen Stand der Technik der Anmelderin veranschaulicht. Genauer gesagt, zeigt 3 einen Elektromotor (EM) 100 zum Antrieb einer Antriebswelle 200, die über ein schaltbares Planetenradgetriebe 300 ein nicht dargestelltes drehbares Element mittels einer Welle 400 antreiben kann. Das schaltbare Planetenradgetriebe 300 hat eine Planetenradstufe 310, die ein Sonnenrad 311 mit einer Zähnezahl z_So, einen Steg bzw. Planetenträger 312, ein Planetenrad 313 mit einer Zähnezahl z_Pl, und ein Hohlrad 314 mit einer Zähnezahl z_Ho, umfasst, eine zwischen Antriebswelle 200 und Planetenträger 312 angeordnete Kupplung K1 und eine Bremse B1 zum Bremsen des Hohlrads 314. Das Sonnenrad 311 ist an der Antriebswelle 200 angeordnet und dient somit als Antrieb des schaltbaren Planetenradgetriebes 300. Der Planetenträger 312 ist dagegen an der Welle 400 angeordnet bzw. mit ihr gekoppelt und dient somit als Abtrieb des schaltbaren Planetenradgetriebes 300. Die Kupplung K1 und die Bremse B1 dienen zur Schaltung von zwei Gängen des schaltbaren Planetenradgetriebes 300.
Bei dem in 3 gezeigten schaltbaren Planetenradgetriebe 300 tritt in einer speziellen Fallgestaltung das Problem auf, dass im ersten Gang des schaltbaren Planetenradgetriebes 300, in welchem die Bremse B1 geschlossen und die Kupplung K1 geöffnet ist, die Drehzahl des Planetenrads 313 einen zulässigen Grenzwert von 10.000 Umdrehungen pro Minute übersteigt. Bei dieser speziellen Fallgestaltung hat die Planetenradstufe eine Übersetzung i = 1 – z_Ho/Z_So < 3,4, ist die Standübersetzung i_Stand = –z_Ho/z_So < 2,4 und gilt z_Ho ~ –(z_So + 2z_Pl). Wegen einer Profilverschiebung der Verzahnung können die Zähnezahlen abweichen. Die Drehzahl n_Pl des Planetenrads 313 berechnet sich zu n_Pl = n_Steg·z_Ho/z_Pl, wobei n_Steg die Drehzahl des Stegs bzw. Planetenträgers 312 ist und sich aus n_So/i berechnet. n_So steht für die Drehzahl des Sonnenrads 311.
Anders ausgedrückt, bei dem in 3 dargestellten schaltbaren Planetenradgetriebe übersteigt die Drehzahl seines Planetenrads die Eingangsdrehzahl der Planetenradstufe.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein schaltbares Planetenradgetriebe, ein Antriebssystem und ein Fahrzeug bereitzustellen, bei welchen die Drehzahl des Planetenrads bei gleichbleibender Übersetzung des schaltbaren Planetenradgetriebes minimiert wird.
Die Aufgabe wird durch ein schaltbares Planetenradgetriebe nach Patentanspruch 1 gelöst, welches umfasst: eine Planetenradstufe mit einem Sonnenrad und mit mindestens einem aber vorzugsweise mehr als zwei umfangsseitig gleichmäßig verteilten Planetenrädern deren Sonnenrad als Getriebeantrieb dient und deren mindestens eines Planetenrad jeweils mit einem weiteren Planetenrad gekoppelt ist, ein weiteres Sonnenrad, das als Getriebeabtrieb dient und von dem weiteren Planetenrad durch dessen Kopplung mit dem Planetenrad der Planetenradstufe antreibbar ist, und eine Schalteinrichtung zum Schalten des Planetenradgetriebes zwischen zwei verschiedenen Gängen.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des schaltbaren Planetenradgetriebes sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Vorzugsweise hat die Planetenradstufe eine hohe Standübersetzung und das schaltbare Planetenradgetriebe hat eine geringe Standübersetzung.
Das Planetenrad der Planetenradstufe kann eine andere Zähnezahl als das weitere Planetenrad haben.
Es ist von Vorteil, wenn das Planetenrad der Planetenradstufe und das weitere Planetenrad beim Antrieb des weiteren Sonnenrads zur Nutzung der Drehzahl eines Planetenträgers der Planetenradstufe als zusätzliche Überlagerung ausgestaltet sind.
Bevorzugt umfasst die Schalteinrichtung umfasst eine erste Kupplung zum Kuppeln von Hohlrad und Planetenrad der Planetenradstufe, und eine zweite Kupplung zum Kuppeln von Hohlrad und Planetenträger der Planetenradstufe. Hierbei ist es möglich, dass in einem ersten Gang des Planetenradgetriebes die erste Kupplung geschlossen ist und die zweite Kupplung geöffnet ist.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Antriebssystem nach Patentanspruch 7 gelöst, welches eine Antriebsquelle zum Antrieb eines Fahrzeugs, und ein zuvor beschriebenes schaltbares Planetenradgetriebe aufweist. Die Antriebsquelle kann ein Elektromotor sein.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Fahrzeug nach Patentanspruch 9 gelöst, welches mindestens eine Antriebsachse zum Antrieb von mindestens einem an der Antriebsachse angeordneten Rad, und ein zuvor beschriebenes Antriebssystem zum Antrieb der Antriebsachse umfasst.
Das Fahrzeug kann zudem ein rechtes und linkes Rad an der Antriebsachse, und einer Ausgleichseinrichtung zum Ausgleich von von der Antriebsquelle des Antriebssystems erzeugter Antriebskraft zwischen dem rechten und linken Rad haben.
Bei dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen schaltbaren Planetengetriebe ist somit mit der Planetenradstufe eine neue Planetenradstufe eingesetzt, welche die Eingangsdrehzahl des schaltbaren Planetenradgetriebes bewältigt und deren Komponenten kleinere Drehzahlen aufweisen. Durch das weitere Sonnenrad und das weitere Planetenrad im Zusammenspiel mit der Planetenradstufe kann gewährleistet werden, dass das erfindungsgemäße schaltbare Planetenradgetriebe trotzdem eine gleich große Übersetzung hat wie das schaltbare Planetengetriebe des Standes der Technik gemäß 3.
Das zuvor beschriebene schaltbare Planetenradgetriebe ist insbesondere für ein Elektrofahrzeug, wie beispielsweise ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, vorteilhaft.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Antriebssystem und einem schaltbaren Planetenradgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines schaltbaren Planetenradgetriebes gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 eine schematische Darstellung eines schaltbaren Planetenradgetriebes gemäß dem Stand der Technik.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung sind identische Bezugszeichen verwendet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel stellt lediglich Beispiele dar, wie das erfindungsgemäße schaltbare Planetenradgetriebe ausgestaltet sein kann. Es stellt keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.
1 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 1, mit einem rechten und linken Vorderrad VR, VL, die an einer Vorderachse 2 des Fahrzeugs 1 angeordnet sind, sowie einem rechten und linken Hinterrad RR, RL, die an einer Hinterachse 3 des Fahrzeugs 1 angeordnet sind. Das Fahrzeug 1 hat ein Antriebssystem 4 mit einer Antriebsquelle 10, einem schaltbaren Planetenradgetriebe 20 und einer Ausgleichseinrichtung 30, beispielsweise einem Differentialgetriebe. Das schaltbare Planetenradgetriebe 20 dient zur Übertragung der von der Antriebsquelle 10 gelieferten Antriebskraft auf die Vorderachse 2 bzw. die an ihr angeordnete Ausgleichseinrichtung 30, welche die von der Antriebsquelle 10 gelieferte Antriebskraft auf das rechte und linke Rad VR, VL der Vorderachse 2 verteilt. Genauer gesagt, die Ausgleichseinrichtung 30 dient zum Ausgleich von von der Antriebsquelle 10 des Antriebssystems 4 erzeugter Antriebskraft zwischen dem rechten und linken Rad VR, VL der Vorderachse 2.
2 zeigt das Antriebssystem 4 von 1 im Detail in einer zur Rotationsachse der Welle 40 hälftigen Darstellung, so dass nur eins von mindestens drei umfangsseitig benachbarten Planetenrädern 21c sichtbar ist. In 2 ist die Antriebsquelle 10 ein mit EM bezeichneter Elektromotor, der eine Antriebswelle 15 antreiben kann. Die Antriebswelle 15 ist über das schaltbare Planetenradgetriebe 20 mit einer Welle 40 zum Antrieb eines in 2 nicht dargestellten drehbaren Elements verbunden. Die Welle 40 kann beispielsweise die Vorderachse 2 des Fahrzeugs 1 von 1 sein, so dass das drehbare Element ein Rad VL, VR ist, welches über die Ausgleichseinrichtung 30 angetrieben wird.
Wie in 2 veranschaulicht, umfasst das schaltbare Planetenradgetriebe 20 eine Planetenradstufe 21, die ein Sonnenrad 21a mit einer Zähnezahl z_So1, einen Steg bzw. Planetenträger 21b, ein Planetenrad 21c mit einer Zähnezahl z_Pl1, und ein Hohlrad 21d mit einer Zähnezahl z_Ho umfasst, ein weiteres Sonnenrad 22 mit einer Zähnezahl z_So2, ein weiteres Planetenrad 23 mit einer Zähnezahl z_Pl2, sowie eine erste Kupplung K1 und eine zweite Kupplung K2.
Das Planetenrad 21c der Planetenradstufe 21 hat eine größere Zähnezahl z_Pl1 als die Zähnezahl z_So1 des Sonnenrads 21a der Planetenradstufe 21. Dadurch hat die Planetenradstufe 21 bestehend aus Sonnenrad 21a, Planetenrad 21c und Hohlrad 21d eine hohe Standübersetzung i_Stand, die sich aus Gleichung (1) i_Stand = –z_Ho/z_So1 (1) berechnet. Als Folge davon wird die Drehzahl n_Pl1 des Planetenrads 21c der Planetenradstufe 21 gegenüber dem Stand der Technik reduziert.
Das Planetenrad 21c der Planetenradstufe 21 ist mit dem weiteren Planetenrad 23 gekoppelt, so dass sie einen Doppelplanet bilden. Der Doppelplanet treibt das weitere Sonnenrad 22 an und nutzt dabei die Drehzahl n_Steg des Stegs bzw. Planetenträgers 21b als zusätzliche Überlagerung, um die Drehzahl n_So2 des weiteren Sonnenrads 22 zu erhöhen und die hohe Standübersetzung i_Stand aus der Planetenradstufe 21 zu kompensieren.
Durch diese Konstruktion dient bei dem schaltbaren Planetenradgetriebe 20 das Sonnenrad 21a als Antrieb des schaltbaren Planetenradgetriebes 20 und das weitere Sonnenrad 22 dient als Abtrieb des schaltbaren Planetenradgetriebes 20.
Wie aus 2 auch erkennbar, ist die erste Kupplung K1 zwischen Hohlrad 21d der Planetenradstufe 21 und einem feststehenden Element 50 angeordnet. Die zweite Kupplung K2 ist zwischen Hohlrad 21d und Planetenträger 21c der Planetenradstufe 21 angeordnet. Dadurch dient die erste Kupplung K1 zum Kuppeln von Hohlrad 21d und Planetenrad 21c der Planetenradstufe 21, und die zweite Kupplung K2 dient zum Kuppeln von Hohlrad 21d und Planetenträger 21b der Planetenradstufe 21. Die erste und zweite Kupplung K1, K2 dienen zur Schaltung von zwei Gängen des schaltbaren Planetenradgetriebes 20 und bilden daher eine Schalteinrichtung des schaltbaren Planetenradgetriebes 20. Im ersten Gang des schaltbaren Planetenradgetriebes 20 ist die erste Kupplung K1 geschlossen und die zweite Kupplung geöffnet.
Im ersten Gang des schaltbaren Planetenradgetriebes 20 übersteigt die Drehzahl n_Pl des Doppelplaneten bzw. des gekoppelten Planetenrads 21b und des weiteren Planetenrads 23 nicht den zulässigen Grenzwert von 10.000 Umdrehungen pro Minute.
Insgesamt haben die Elemente des schaltbaren Planetenradgetriebes 20 kleinere Drehzahlen als bei dem eingangs zitierten Stand der Technik. Dennoch wird die Eingangsdrehzahl des Elektromotors 100 unverändert bewältigt. Zudem bleibt die insgesamte Übersetzung des schaltbaren Planetenradgetriebes 20 gegenüber dem zitierten Stand der Technik gleich.
Die Übersetzung i_Stufe des schaltbaren Planetenradgetriebes 20 errechnet sich aus Gleichung (2):
Die Drehzahl n_Pl des Doppelplaneten bzw. des gekoppelten Planetenrads 21b und des weiteren Planetenrads 23 berechnet sich aus Gleichung (3) als n_Pl = n_Steg·z_Ho/z_Pl1 (3) wobei n_Steg die Drehzahl des Stegs bzw. Planetenträgers 21c ist und sich aus Gleichung (4) n_Steg = n_So1/i (4) berechnet. Hierbei steht n_So1 für die Drehzahl des Sonnenrads 21a und für die Übersetzung i gilt Gleichung (5) i = 1 – z_Ho/z_So1 (5).
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des schaltbaren Planetenradgetriebes können einzeln oder in Kombination Verwendung finden. Zusätzlich sind folgende Modifikationen denkbar.
Je nach Wahl der Zähnezahlen der Räder des schaltbaren Planetenradgetriebes 20 können Übersetzungen sowohl ins Schnelle als auch ins Langsame realisiert werden. Bei Übersetzungen ins Schnelle ist die Antriebsdrehzahl des schaltbaren Planetenradgetriebes 20 kleiner als seine Abtriebsdrehzahl. Bei Übersetzungen ins Langsame ist die Antriebsdrehzahl des schaltbaren Planetenradgetriebes 20 größer als seine Abtriebsdrehzahl.
Das schaltbare Planetenradgetriebe 20 ist vorzugsweise ein automatisiertes Getriebe des Fahrzeugs 1.
Auch wenn das Fahrzeug 1 und sein Antriebssystem 4 derart beschrieben sind, dass die von der Antriebsquelle 10 gelieferte Antriebskraft auf die Vorderachse 2 übertragen wird, kann selbstverständlich anstelle der Vorderachse 2 des Fahrzeugs 1 auch die Hinterachse 3 angetrieben werden. Es ist auch möglich, sowohl die Vorderachse 2 als auch die Hinterachse 3 des Fahrzeugs 1 mit dem Antriebssystem 4 anzutreiben.
Die Ausgleichseinrichtung zum Ausgleich von von der Antriebsquelle 10 des Antriebssystems 4 erzeugter Antriebskraft zwischen dem rechten und linken Rad VR, VL der Vorderachse 2 bzw. dem rechten und linken Rad RR, RL der Hinterachse 3 des Fahrzeugs 1 kann auch eine elektrische Steuereinrichtung mit von ihr angesteuerter Bremseinheit sein, welche das rechte und/oder linke Rad einer Achse des Fahrzeugs je nach Bedarf, das heißt Art der Kurvenfahrt (Rechts- oder Linkskurve) oder Geradeausfahrt, bremsen oder nicht.
Das Fahrzeug 1 ist insbesondere ein Elektrofahrzeug, kann jedoch auch ein Hybridfahrzeug sein, welches zusätzlich zu einer Verbrennungskraftmaschine einen Elektromotor aufweist.
Die Antriebsquelle 10 kann demzufolge beispielsweise ein Elektromotor sein. Sie kann jedoch auch ein Ottomotor, ein Dieselmotor usw. sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008000777 A1 [0002]

Claims

Schaltbares Planetenradgetriebe (20), mit einer Planetenradstufe (21), in der ein Sonnenrad (21a) als Getriebeantrieb dient und in der wenigstens ein Planetenrad (21c) mit einem weiteren Planetenrad (23) gekoppelt ist, einem weiteren Sonnenrad (22), das als Getriebeabtrieb dient und von dem weiteren Planetenrad (23) durch dessen Kopplung mit dem Planetenrad (21c) der Planetenradstufe (21) antreibbar ist, und einer Schalteinrichtung (K1, K2) zum Schalten des Planetenradgetriebes (20) zwischen zwei verschiedenen Gängen.
Schaltbares Planetenradgetriebe nach Anspruch 1, wobei die Planetenradstufe (21) eine hohe Standübersetzung (i_Stand) hat und das schaltbare Planetenradgetriebe (20) eine geringe Standübersetzung (i_Stand) hat.
Schaltbares Planetenradgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Planetenrad (21c) der Planetenradstufe (21) eine andere Zähnezahl (z_Pl2) als das weitere Planetenrad (23) hat.
Schaltbares Planetenradgetriebe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Planetenrad (21c) der Planetenradstufe (21) und das weitere Planetenrad (23) beim Antrieb des weiteren Sonnenrads (22) zur Nutzung der Drehzahl (n_Steg) eines Planetenträgers (21b) der Planetenradstufe (21) als zusätzliche Überlagerung ausgestaltet sind.
Schaltbares Planetenradgetriebe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (K1, K2) umfasst, eine erste Kupplung (K1) zum Kuppeln von Hohlrad (21d) und Planetenrad (21c) der Planetenradstufe (21), und eine zweite Kupplung (K2) zum Kuppeln von Hohlrad (21d) und Planetenträger (21b) der Planetenradstufe (21).
Schaltbares Planetenradgetriebe nach Anspruch 5, wobei in einem ersten Gang des Planetenradgetriebes (20) die erste Kupplung (K1) geschlossen und die zweite Kupplung (K2) geöffnet ist.
Antriebssystem (4), mit einer Antriebsquelle (10) zum Antrieb eines Fahrzeugs (1), und einem schaltbaren Planetenradgetriebe (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Antriebssystem nach Anspruch 7, wobei die Antriebsquelle (10) ein Elektromotor (EM) ist.
Fahrzeug (1), mit mindestens einer Antriebsachse (2, 3) zum Antrieb von mindestens einem an der Antriebsachse (2, 3) angeordneten Rad (VR, VL, RR, RL), und einem Antriebssystem (4) nach Anspruch 7 oder 8 zum Antrieb der Antriebsachse (2, 3).
Fahrzeug nach Anspruch 9, zudem mit einem rechten und linken Rad (VR, VL; RR, RL) an der Antriebsachse (2; 3), und einer Ausgleichseinrichtung (30) zum Ausgleich von von der Antriebsquelle (10) des Antriebssystems (4) erzeugter Antriebskraft zwischen dem rechten und linken Rad (VR, VL; RR, RL).