DE102010050217A1

DE102010050217A1 - Elektrische Achse für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010050217A1
Application number: DE102010050217A
Authority: DE
Inventors: Daniel Knoblauch
Original assignee: Getrag Getriebe und Zahnradfabrik Hermann Hagenmeyer GmbH and Co
Current assignee: Magna PT BV and Co KG
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Elektrische Achse (30) für ein Kraftfahrzeug (10), mit einer elektrischen Maschine (40), die einen Stator (42) und einen Rotor (44) aufweist, mit wenigstens einem Getriebe (60), das ein mit dem Rotor (44) verbundenes Eingangsglied (50) sowie wenigstens ein Ausgangsglied (72) aufweist, das mit einem Differential (34) zur Verteilung von Antriebsleistung auf zwei Abtriebswellen (36L, 36R) verbindbar ist, wobei das Getriebe (60) dazu ausgelegt ist, wenigstens zwei unterschiedliche Übersetzungen einzurichten, und mit einem Gehäuse (46). Dabei weist das Getriebe (60) einen Planetenradsatz (62) auf, dessen Hohlrad (68) zur Einrichtung einer der Übersetzungen mittels einer ersten Kupplung (82, 86; 116) mit dem Gehäuse (46) verbindbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Achse für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine, die einen Stator und einen Rotor aufweist, mit wenigstens einem Getriebe, das ein mit dem Rotor verbundenes Eingangsglied sowie wenigstens ein Ausgangsglied aufweist, das mit einem Differential zur Verteilung von Antriebsleistung auf zwei Abtriebswellen verbindbar ist, wobei das Getriebe dazu ausgelegt ist, wenigstens zwei unterschiedliche Übersetzungen einzurichten, und mit einem Gehäuse.
Eine derartige elektrische Achse ist beispielsweise bekannt aus dem Dokument DE 10 2008 029 287 B4 .
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge, insbesondere auf dem Gebiet der Personenkraftwagen, besteht ein Trend hin zu Allradfahrzeugen, bei denen sowohl die erste als auch die zweite Achse mit Antriebsleistung versorgt werden kann. Klassisch erfolgt dies mechanisch über ein Verteilergetriebe, das die Antriebsleistung auf die erste und die zweite Achse verteilt.
Das Verteilergetriebe kann beispielsweise ein Längsdifferential aufweisen, das die Antriebsleistung in einem festen Verhältnis auf die zwei Achsen verteilt, oder eine Hang-On-Kupplung aufweisen, mittels der die Antriebsleistung zu einer der zwei Achsen nur bei Bedarf zugeführt wird.
Ein weiterer Trend auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge sind Hybrid-Antriebsstränge, die sowohl einen Verbrennungsmotor als auch eine elektrische Maschine aufweisen. Hierbei ist es bekannt, die erste Achse mittels der Antriebseinheit anzutreiben, die einen Verbrennungsmotor aufweist, und die zweite Achse mittels einer elektrischen Maschine anzutreiben (beispielsweise DE 103 19 108 A1 ).
In diesem Fall ist die elektrische Maschine im Bereich der zweiten Achse angeordnet und kann parallel zu einer Eingangswelle eines Querdifferentials der zweiten Achse ausgerichtet sein.
Es sind auch Systeme bekannt, bei denen eine elektrische Maschine im Bereich der ersten Antriebseinheit angeordnet ist, wobei die von der elektrischen Maschine bereitgestellte Leistung über eine Kardanwelle zu der zweiten Achse übertragen wird.
Die elektrische Maschine ist dabei häufig nur für einen bestimmten Geschwindigkeits- oder Drehmomentbereich ausgelegt.
Durch die Bereitstellung eines Getriebes mit wenigstens zwei unterschiedlichen Übersetzungen ist es möglich, wie beispielsweise aus der DE 10 2008 029 287 B4 bekannt, die elektrische Antriebseinheit über einen weiten Betriebsbereich zu verwenden.
Das in diesem Dokument gezeigte Getriebe weist einen relativ komplexen und in axialer Richtung relativ viel Bauraum beanspruchenden Aufbau auf.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektrische Achse für ein Kraftfahrzeug anzugeben, die insbesondere in axialer Richtung kompakt baut und/oder einen Aufbau ermöglicht, der eine gute Integration von einer oder mehreren Kupplungen zum Einrichten der Übersetzungen ermöglicht.
Die obige Aufgabe wird bei der eingangs genannten elektrischen Achse gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung dadurch gelöst, dass das Getriebe einen Planetenradsatz aufweist, dessen Hohlrad zur Einrichtung einer der Übersetzungen mittels einer ersten Kupplung mit dem Gehäuse verbindbar ist.
Durch die Maßnahme, das Hohlrad mit dem Gehäuse verbindbar auszugestalten, kann zum einen eine relativ große Spreizung des Getriebes erreicht werden. Zum anderen kann ein in axialer Richtung kompakter Aufbau erzielt werden.
Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Planetenträger des Planetenradsatzes mittels einer zweiten Kupplung mit dem Hohlrad verbindbar.
Bei dieser Ausführungsform kann eine zweite Gangstufe durch Verbindung des Planetenträgers mit dem Hohlrad eingerichtet werden.
Die erste und die zweite Kupplung können dabei gemeinsam auf einer Seite des Planetenradsatzes angeordnet werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Planetenträger fest mit dem Ausgangsglied verbunden ist.
Hierdurch ist es möglich, die zwei unterschiedlichen Übersetzungen mittels nur eines einzelnen Planetenradsatzes einzurichten.
Das Sonnenrad des Planetenradsatzes ist vorzugsweise mit dem Eingangsglied des Getriebes verbunden, vorzugsweise mit der Rotorwelle.
Die erste Kupplung kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Reibkupplung gebildet sein. Die Reibkupplung kann beispielsweise eine Lamellenkupplung sein.
Ferner ist es möglich, dass auch die zweite Kupplung als Reibkupplung ausgebildet wird. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die erste und die zweite Reibkupplung auf gegenüberliegenden Seiten des Planetenradsatzes angeordnet sind.
Hierdurch ist es möglich, die unterschiedlichen Aktuatoren für die zwei Reibkupplungen auf unterschiedlichen Seiten des Planetenradsatzes anzuordnen.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die erste und die zweite Kupplung durch ein Schaltkupplungspaket gebildet sind.
Die erste und die zweite Kupplung können dabei als Klauenkupplungen ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Kupplungen als Synchron-Kupplungen, insbesondere als Sperr-Synchronisierungen ausgebildet sind. Das Schaltkupplungspaket kann bei dieser Ausführungsform vom Aufbau her ähnlich aufgebaut sein wie die Schaltkupplungspakete, die in Vorgelegegetrieben (wie z. B. handgeschalteten Stufengetrieben etc.) verwendet werden.
Hierdurch ist es möglich, bezüglich der Kupplungen auf bewährte Technologie zurückzugreifen. Ferner kann das Schalten der Kupplungen schonend erfolgen, da die Synchronkupplungen vor dem Erzielen des Formschlusses jeweils für eine Drehzahlsynchronisierung sorgen.
Als weiterer Vorteil eines solchen Schaltkupplungspaketes ist zu nennen, dass dieses generell mit einer Neutralstellung ausgebildet sein kann. Hierbei ist es folglich möglich, die elektrische Maschine durch Einrichten einer solchen Neutralstellung vollständig von dem Ausgangsglied abzukoppeln. Dies kann beispielsweise dann von Vorzug sein, wenn das Ausgangsglied über eine Hang-On-Kupplung oder ein sonstiges Verteilergetriebe mit einer Antriebseinheit verbunden ist, die die andere Achse mit Antriebsleistung versorgt und beispielsweise einen Verbrennungsmotor aufweisen kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. unabhängig von der Verbindbarkeit des Hohlrades eine eigene Verbindung darstellt, ist das Hohlrad mit einer Hohlradwelle verbunden, deren Außendurchmesser vorzugsweise kleiner ist als der Innendurchmesser des Hohlrades.
Durch diese Maßnahme ist es möglich, das Hohlrad auf radial kompakte Art und Weise mit einem anderen Element zu verbinden.
Beispielsweise kann die Hohlradwelle als Innenlamellenträger einer Reibkupplung ausgebildet sein.
Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn am Außenumfang der Hohlradwelle ein erster Kupplungskörper einer Schaltkupplungsanordnung gelagert ist, der mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei vorzugsweise zwischen dem ersten Kupplungskörper und der Hohlradwelle ein Hohlradwellenlager angeordnet ist.
Hierdurch ist es möglich, das Hohlrad auf radial kompakte Art und Weise mit dem Gehäuse zu verbinden. Mit anderen Worten kann eine Schaltkupplungsanordnung in axialer. Richtung gesehen innerhalb einer Projektion des Außendurchmessers des Hohlrades angeordnet sein.
Dabei ist es von besonderem Vorzug, wenn sich der erste Kupplungskörper mittels eines wenigstens als 2-Punkt-Abstützung ausgeführten Widerlagers am Gehäuse abstützt, insbesondere durch wenigstens zwei sich radial von dem ersten Kupplungskörper aus erstreckende Zapfen. Hierdurch lässt sich eine Abstützung in Drehrichtung konstruktiv besonders einfach realisieren.
Durch die Maßnahme, den Kupplungskörper an der Hohlradwelle zu lagern, ist es möglich, den Planetenradsatz insgesamt zu lagern bzw. das Hohlrad mit einem anderen Element zu verbinden, insbesondere auf einer dem Planetenradsatz abgewandten Seite des Hohlradwellenlagers.
So ist es bei dieser Ausführungsform von Vorteil, wenn am Außenumfang der Hohlradwelle eine Führungsmuffe einer Schaltkupplungsanordnung festgelegt ist.
Hierbei wird die Schaltkupplungsanordnung auf konstruktiv einfache Art und Weise mit dem Hohlrad integriert. Die Führungsmuffe ist dabei starr mit der Hohlradwelle verbunden und dreht sich folglich mit dem Hohlrad mit, ähnlich einer Führungsmuffe eines Schaltkupplungspaketes bei Vorgelegegetrieben.
Dabei ist der erste Kupplungskörper vorzugsweise zwischen dem Planetenradsatz und der Führungsmuffe angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Planetenträger des Planetenradsatzes mit einer Planetenträgerwelle verbunden, die koaxial innerhalb der Hohlradwelle angeordnet und vorzugsweise mittels eines Planetenträgerwellenlagers gegenüber dieser drehbar gelagert ist.
Bei dieser Ausführungsform ist es zum einen möglich, den Planetenradsatz mittelbar über das Hohlradwellenlager und das Planetenträgerwellenlager drehbar zu lagern. Diese Lager können dabei als Nadellager ausgebildet sein.
Ferner ermöglicht die Durchführung der Planetenträgerwelle durch die Hohlradwelle hindurch, die Planetenträgerwelle an einem aus der Hohlradwelle austretenden Abschnitt mit einem anderen Element zu verbinden.
Von besonderem Vorzug ist es dabei, wenn die Planetenträgerwelle mit einem zweiten Kupplungskörper einer Schaltkupplungsanordnung verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform ist es folglich möglich, die zweite Kupplung dadurch zu realisieren, dass der zweite Kupplungskörper mit dem Hohlrad verbunden werden kann, insbesondere mit einer Führungsmuffe, die an der Hohlradwelle gelagert ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die unabhängig von der Verbindbarkeit des Hohlrades eine eigene Erfindung darstellt, sind der Rotor und ein Resolver an einer Zwischenwelle festgelegt.
Der Resolver dient zur Drehzahl- und/oder Drehwinkelerkennung des Rotors.
Durch die Festlegung sowohl des Rotors als auch des Resolvers an einer Zwischenwelle können der Resolver und der Rotor vorab relativ zueinander montiert werden, so dass die Zwischenwelle mit dem Rotor und dem Resolver anschließend auf einfache Weise axial auf eine Rotorwelle aufgesteckt werden kann. Hierdurch kann auf aufwändige Kalibrierungsarbeiten bei der Endmontage verzichtet werden. Zudem wird der Einbau insgesamt erleichtert.
Dabei ist es von besonderem Vorzug, wenn die Zwischenwelle an einer Rotorwelle festgelegt ist, die mittels zwei Lagern an dem Gehäuse drehbar gelagert ist, wobei der Resolver zwischen den zwei Lagern angeordnet ist.
Hierdurch ergibt sich insgesamt eine auch in axialer Richtung kompakte Bauweise. Ferner kann hierdurch die Montage weiter erleichtert werden.
Die elektrische Achse kann generell als einzige Antriebsachse eines Kraftfahrzeuges arbeiten, so dass das Kraftfahrzeug als Elektrofahrzeug ausgebildet ist. Alternativ ist es auch möglich, dass eine Achse des Kraftfahrzeuges (beispielsweise die Hinterachse) mittels einer herkömmlichen Antriebseinheit mit Verbrennungsmotor und Stufengetriebe angetrieben wird, wohingegen eine zweite Achse (beispielsweise Vorderachse) mittels der erfindungsgemäßen elektrischen Achse angetrieben wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, den Planetenträger des Planetenradsatzes fest mit einem Ausgangsglied einer Hang-On-Kupplung zu verbinden, deren Eingangsglied mit einer Antriebseinheit oder einer Kardanwelle verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform kann die Antriebseinheit, die beispielsweise den Verbrennungsmotor und ein Stufengetriebe aufweist, über eine Kardanwelle mit der erfindungsgemäßen elektrischen Achse verbunden sein. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, beide Achsen des Fahrzeugs über die Antriebseinheit anzutreiben und/oder Antriebsenergie über die elektrische Maschine in den Antriebsstrang einzuspeisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die unabhängig von der Verbindbarkeit des Hohlrades eine eigene Erfindung darstellt, weist das Ausgangsglied des Getriebes eine Ritzelwelle auf, die ein Ritzel zur Verbindung mit dem Differential aufweist, wobei die Ritzelwelle mittels eines Ritzelwellenlagers gelagert ist, und wobei das Ritzel zwischen dem Getriebe und dem Ritzelwellenlager angeordnet ist.
Hierdurch kann eine Lagerung der Ritzelwelle mit einem guten Tragbild eingerichtet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die unabhängig von der Verbindbarkeit des Hohlrades eine eigene Erfindung darstellt, weist das Ausgangsglied des Getriebes eine Ritzelwelle auf, die ein Ritzel zur Verbindung mit dem Differential aufweist, wobei die Ritzelwelle mittels eines ersten und eines zweiten Lagers gelagert ist, und wobei die Ritzelwelle sich in einen Hohlabschnitt einer Rotorwelle hinein erstreckt und an dieser mittels des zweiten Lagers gelagert ist.
Bei dieser Ausführungsform kann die Lagerung der Ritzelwelle ebenfalls mit einem guten Tragbild realisiert werden, deswegen, weil die Lagerung mittels des zweiten Lagers in axialer Richtung relativ weit von dem Ritzel angeordnet sein kann.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Achse;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Achse;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Achse;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Achse; und
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Achse.
In 1 ist ein Kraftfahrzeug, beispielsweise in Form eines Personenkraftwagens, generell mit 10 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 10 weist eine erste Achse 12 auf. im Bereich der ersten Achse 12 (beispielsweise Hinterachse) sind ein Verbrennungsmotor 14 und ein damit verbundenes Stufengetriebe 16 angeordnet. Ein Ausgang des Stufengetriebes 16 ist mit einem ersten Differential 18 verbunden, das die Antriebsleistung auf eine erste und eine zweite Abtriebswelle 20L, 20R verteilt.
Das Kraftfahrzeug 10 weist ferner eine zweite Achse 30 auf, die im vorliegenden Fall als elektrische Achse ausgebildet ist.
Die zweite Achse 30 beinhaltet eine zweite Antriebseinheit 32, die mit einem zweiten Differential 34 verbunden ist. Das zweite Differential 34 verteilt die Antriebsleistung der zweiten Antriebseinheit 32 auf zwei Abtriebswellen 36L, 36R (beispielsweise an der Vorderachse).
Die Antriebseinheit 32 beinhaltet eine elektrische Maschine 40. Die elektrische Maschine 40 weist einen Stator 42 und einen Rotor 44 auf. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als permanent erregte Synchronmaschine ausgebildet sein. Der Stator 42 ist an einem Gehäuse 46 festgelegt.
Der Rotor 44 ist fest mit einer Zwischenwelle 48 verbunden, die koaxial um eine hohle Rotorwelle 50 herum angeordnet ist. Die Zwischenwelle 48 kann beispielsweise mittels einer schematisch angedeuteten ersten Steckverbindung 51 mit der Rotorwelle 50 verbunden sein. Insbesondere kann die Zwischenwelle 48 in axialer Richtung auf die Rotorwelle 50 aufgeschoben sein.
Die Rotorwelle 50 ist mittels eines ersten Lagers 52 und mittels eines zweiten Lagers 54 in radialer Richtung gelagert. Das zweite Lager 54 kann dabei als Festlager zur axialen Fixierung der gesamten Motorwellenbaugruppe dienen. Über ein auf den Lageraußenring des ersten Lagers 52 in axialer Richtung wirkendes Federelement 56 kann für die Lager 52 und 54, d. h. für die gesamte Motorwellenbaugruppe, eine Lagergrundlast eingerichtet werden. Diese Grundlast ist bei großen Drehzahlgradienten, wie sie z. B. bei einer aktiven Synchronisierung durch die E-Maschine bei Schaltvorgängen auftreten können, vorteilhaft, um ein Gleiten der Wälzkörper und daraus resultierende Lagerschäden zu verhindern.
Die zwei Lager 52, 54 sind auf unterschiedlichen Seiten der elektrischen Maschine 40 angeordnet.
An der Zwischenwelle 48 ist ferner ein Resolver 58 zur Ermittlung eines Drehwinkels bzw. einer Winkelgeschwindigkeit bzw. einer Drehzahl des Rotors 44 festgelegt. Durch die Festlegung des Resolvers 58 an der Zwischenwelle 48 kann der Resolver 58 gemeinsam mit dem Rotor 44 an der Zwischenwelle 48 vormontiert werden. Hierdurch kann vor der eigentlichen Montage der elektrischen Achse eine genaue Justierung des Resolvers 58 in Bezug auf den Rotor 44 erfolgen, bzw. es kann ein für die Software der E-Maschinenregelung erforderlicher Offsetwinkel (Winkellage Rotor des Resolvers 58 zu Rotor 44 (Magnete) der E-Maschine) mittels dieser Rotorbaugruppe 44, 48 58 ermittelt werden. Da die Rotorbaugruppe 44, 48 58 bei einer Demontage der Antriebseinheit 32 bestehen bleiben kann, ist die Bestimmung des Offsetwinkels prinzipiell nur einmalig erforderlich und muss somit nicht bei jeder Demontage/Montage der Antriebseinheit 32 wiederholt werden.
Die Rotorwelle 50 ist mit einem Getriebe 60 verbunden. Das Getriebe 60 ist dabei auf einer der elektrischen Maschine 40 gegenüberliegenden Seite des zweiten Lagers 54 angeordnet. Die Rotorwelle 50 erstreckt sich hierbei durch das zweite Lager 54 hindurch. Der vorstehende Abschnitt bildet ein Eingangsglied des Getriebes 60. Das Getriebe 60 beinhaltet einen Planetenradsatz 62. Das Sonnenrad 64 des Planetenradsatzes 62 ist mit dem Eingangsglied (d. h. dem vorstehenden Abschnitt der Rotorwelle 50) verbunden. Ferner weist der Planetenradsatz 62 einen Planetenträger 66 und ein Hohlrad 68 auf. Der Planetenträger 66 ist mit einer Planetenträgerwelle 70 verbunden, die als Hohlwelle ausgebildet ist. Ein Außenumfang der Planetenträgerwelle 70 ist kleiner als ein Radius der Planetenräder des Planetenradsatzes 62.
Die Planetenträgerwelle 70 ist mit einer Ausgangswelle 72 verbunden, die ein Ausgangsglied des Getriebes 60 darstellt. Die Ausgangswelle 72 ist koaxial zu der Planetenträgerwelle 70 und radial innerhalb dieser angeordnet. Die Ausgangswelle 72 erstreckt sich ferner in die Rotorwelle 50 hinein, und zwar bis unterhalb des zweiten Lagers 54. In diesem Bereich ist die Ausgangswelle 72 mittels eines Ausgangswellenlagers 73, das beispielsweise als Nadellager ausgebildet sein kann, drehbar in Bezug auf die Rotorwelle 50 gelagert.
An dem anderen Ende der Ausgangswelle 72 ist vorzugsweise eine Fluidquelle vorgesehen, über die ein Fluid zum Schmieren bzw. Kühlen des Getriebes 60 zugeführt wird. Die entsprechende Fluidversorgung 74 ist in 1 schematisch durch radial nach außen gerichtete Pfeile angedeutet. Es versteht sich, dass die Ausgangswelle 72 zu diesem Zweck über geeignete Öffnungen verfügt. In gleicher Weise können auch weitere Bauteile, wie beispielsweise die Planetenträgerwelle 70, über geeignete Fluidauslassöffnungen verfügen.
Das Hohlrad 68 des Planetenradsatzes 62 ist mit einer Hohlradwelle 76 verbunden. Die Hohlradwelle 76 ist koaxial zu der Planetenträgerwelle 70 angeordnet, und zwar außen um diese herum. Die Hohlradwelle 76 ist in Bezug auf die Planetenträgerwelle 70 drehbar mittels eines Planetenträgerwellenlagers 78 gelagert (das beispielsweise aus zwei axial nebeneinander angeordneten Nadellagern bestehen kann).
Die Planetenträgerwelle 70 ist in axialer Richtung auf die Ausgangswelle 72 aufgesteckt, was in 1 schematisch durch eine Steckverbindung 79 angedeutet ist.
Die Hohlradwelle 76 ist an ihrem von dem Planetenradsatz 62 weg weisenden Ende mit einer Führungsmuffe 80 eines Schaltkupplungspaketes verbunden. Am Außenumfang der Führungsmuffe 80 ist eine Schaltmuffe 82 in axialer Richtung verschiebbar gelagert, wie es durch Schaltrichtungspfeile 84 angedeutet ist.
Das Schaltkupplungspaket kann wie ein Schaltkupplungspaket eines Kraftfahrzeug-Stufengetriebes in Vorgelegebauweise ausgebildet sein, insbesondere als Sperr-Synchronisierungspaket.
An dem Außenumfang der Hohlradwelle 76 ist ein erster Kupplungskörper 86 drehbar gelagert. Der erste Kupplungskörper 86 ist über einen oder zwei Radialstege bzw Zapfen 88 an das Gehäuse 46 angebunden, derart, dass der erste Kupplungskörper 86 in Umfangsrichtung formschlüssig mit dem Gehäuse 46 verbunden ist. Der erste Kupplungskörper 86 ist mittels eines Hohlradwellenlagers 90 drehbar an der Hohlradwelle 76 gelagert. Das Hohlradwellenlager 90 kann, wie im Falle des Planetenträgerwellenlagers 78, durch zwei axial nebeneinander angeordnete Nadellager gebildet sein.
Der Kupplungskörper 86 bildet vorzugsweise mit einem Blechumformteil eine (Schweiß-)Baugruppe, wobei das Blechumformteil vorzugsweise mit den zwei angeformten Zapfen 88 ausgeführt ist. Bei der Montage der Radsatzbaugruppe ins Getriebegehäuse werden die Zapfen 88 über Gehäusenuten oder Gehäuserippen geführt und das Blechteil bzw. der Kupplungskörper 86 hierdurch in der Winkellage ausgerichtet. Im montierten Zustand liegen die Zapfen in einem zur Aufnahme der Reaktionskräfte entsprechend ausgebildeten Gehäusebereich. Vorzugsweise sind hierbei im Getriebegehäuse Gewindebohrungen und zylindrische Sitze vorgesehen, über die von außen Lagerelemente eingeschraubt werden können (die Lagerelemente können hohlgebohrte Passschrauben sein). Die angeformten Zapfen 88 liegen innerhalb des jeweiligen Lagerelementes, und die Reaktionsmomente bzw. Kräfte werden über diese ins Gehäuse eingeleitet. Durch diese Lösung wird eine einfache Getriebemontage von nur einer Seite ermöglicht, und ein Gehäuseflansch kann hierdurch eingespart werden. Zur Vermeidung von Wellendurchbiegungen sollten sich, die Reaktionskräfte vorzugsweise gegenseitig aufheben. Somit ist vorzugsweise mindestens eine 2-Punkt-Abstützung vorgesehen.
Durch Verschieben der Schaltmuffe 82 aus der in 1 gezeigten Neutralposition kann eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Kupplungskörper 86 und der Führungsmuffe 80 eingerichtet werden, um auf diese Weise dass Hohlrad 68 mit dem Gehäuse 46 zu verbinden.
Die Planetenträgerwelle 70 ist direkt oder mittelbar über die Ausgangswelle 72 mit einem zweiten Kupplungskörper 92 verbunden. Der zweite Kupplungskörper 92 ist auf der dem ersten Kupplungskörper 86 gegenüberliegenden Seite der Führungsmuffe 80 angeordnet. Durch Verschieben der Schaltmuffe 84 kann die Führungsmuffe 80 formschlüssig mit dem zweiten Kupplungskörper 92 verbunden werden. Hierdurch werden das Hohlrad 68 und der Planetenträger 66 miteinander verbunden. Da der formschlüssige Eingriff zwischen der Führungsmuffe 80 und dem ersten Kupplungskörper 86 bzw. dem zweiten Kupplungskörper 92 nur alternativ erfolgen kann, können Fehlschaltungen vermieden werden. Ferner ist bei dieser Ausbildung des Schaltkupplungspaketes eine Neutralstellung realisierbar, bei der die Ausgangswelle 72 vollständig von der elektrischen Maschine 40 abgekoppelt ist.
Das durch die Führungsmuffe 80 und die Kupplungskörper 86, 92 gebildete Schaltkupplungspaket ist auf einer Seite des Planetenradsatzes 62 angeordnet, und zwar so, dass das Schaltkupplungspaket in radialer Richtung im Wesentlichen nicht über den Außenumfang des Planetenradsatzes 62 hinaus ragt. Hierdurch kann eine radial kompakte Bauweise erzielt werden.
Durch die koaxiale Ausbildung der Planetenträgerwelle 70 und der Hohlradwelle 76 können diese relativ leicht montiert werden. Beispielsweise können diese Wellen aufeinander aufgesteckt werden. Zwischen einem Radialabschnitt der Hohlradwelle 76 und einem Radialabschnitt der Planetenträgerwelle 70 kann ein in 1 gezeigtes aber nicht näher bezeichnetes Axiallager vorgesehen sein. In entsprechender Weise kann zwischen der Führungsmuffe 80 und dem zweiten Kupplungskörper 92 ein Axiallager angeordnet sein.
Die Ausgangswelle 72 ist mit einem Eingangsglied des Differentials 34 bzw. des Final Drives oder des nachfolgenden Radsatzes verbunden, was in 1 nur schematisch angedeutet ist.
Die in 1 gezeigte elektrische Achse bzw. Antriebseinheit kann in Längsrichtung des Fahrzeuges eingebaut werden, beispielsweise koaxial zu einer Kardanwelle. Alternativ hierzu ist es möglich, die in 1 gezeigte elektrische Achse 30 in Querrichtung in das Fahrzeug einzubauen, beispielsweise koaxial zu Abtriebswellen 36 oder aber parallel hierzu. Im letzteren Fall kann die Verbindung zu dem Differential beispielsweise über einen Stirnradsatz erfolgen.
Im Falle des Einbaus in Längsrichtung kann die Ausgangswelle 72 sich beispielsweise auch durch die Rotorwelle 50 hindurch erstrecken, so dass die Ausgangswelle 72 auf einer dem Getriebe gegenüberliegenden Seite der elektrischen Maschine 30 mit einem Differential 34 bzw. einem Final Drive oder einem nachfolgenden Radsatz verbunden ist.
Der in 1 gezeigte Aufbau ist somit vielseitig verwendbar.
Durch die alternative Verbindung des Hohlrades mit dem Gehäuse 46 oder mit dem Planetenträger 66 kann zudem eine axial kompakte Bauweise erzielt werden. Durch die Tatsache, dass die Hohlradwelle 76 und die Planetenträgerwelle 70 radial ineinander verschachtelt sind und einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Außendurchmesser des Planetenradsatzes 62, kann zudem eine radial kompakte Bauweise erzielt werden.
Die Montage der elektrischen Achse 30 kann einfach erfolgen, indem die Komponenten auf die Rotorwelle 50 bzw. auf die Ausgangswelle 72 in axialer Richtung aufgesteckt werden.
Zudem ist eine zentrale Lagerung der elektrischen Maschine 40 gewährleistet. Die Lagerung kann dann je nach Anwendung (Längseinbau oder Quereinbau) in geeigneter Weise erweitert bzw. ergänzt werden.
In den folgenden 2 bis 5 sind alternative Ausführungsformen von elektrischen Achsen 30 gezeigt. Diese entsprechen generell hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise der in 1 gezeigten elektrischen Achse. Gleiche Elemente sind daher mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
So zeigt 2 die elektrische Achse 30 von 1 in einer Anwendung, bei der diese Antriebseinheit quer in dem Fahrzeug eingebaut wird, und zwar parallel zu in 2 schematisch dargestellten Abtriebswellen 36 eines Differentials 34. Zu diesem Zweck ist an der Ausgangswelle 72 benachbart zu dem Schaltkupplungspaket ein Ritzel 100 festgelegt. Dieses steht in Eingriff mit einem Eingangsglied des Querdifferentials 34, das mit dem Ritzel 100 einen Stirnradsatz bildet.
Zur Abstützung der Antriebskräfte ist auf der dem Schaltkupplungspaket gegenüberliegenden Seite des Ritzels 100 ein Ritzellager 102 vorgesehen, mit dem die Antriebswelle 72 eng benachbart zu dem Ritzel 100 an dem Gehäuse 46 drehbar gelagert ist.
In 2 ist ferner ein auf der dem Ritzel 100 gegenüberliegenden Seite des Ritzellagers 102 angeordnetes Fluidversorgungssystem mit einer Ölpumpe 104 gezeigt, mittels der Fluid wie Schmieröl in die Antriebswelle 72 geleitet werden kann, um das Getriebe 62 zu schmieren bzw. zu kühlen.
Der zweite Kupplungskörper 92 ist bei dieser Ausführungsform starr mit der Ausgangswelle 72 verbunden.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer elektrischen Achse 30 gezeigt, bei der die Antriebseinheit längs in einem Fahrzeug eingebaut wird. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich die Ausgangswelle 72, die mit der Planetenträgerwelle 70 verbunden ist, axial durch die Rotorwelle 50 hindurch, und zwar bis auf eine gegenüberliegende Seite der elektrischen Maschine 40. An dem gegenüber der Rotorwelle 50 vorstehenden Ende ist die Ausgangswelle 72 beispielsweise mit einem Ritzel 106 eines Winkeltriebs verbunden, der mit einem entsprechend winklig ausgerichteten Eingangsglied des Querdifferentials 34 in Eingriff steht.
Bei dieser Ausführungsform ist der zweite Kupplungskörper 92 an einem Glied festgelegt, das auf ein Ende der Planetenträgerwelle 70 aufgesteckt ist. Dieses Glied stützt sich ferner in axialer Richtung mittels jeweiliger Axiallager an der Führungsmuffe 80 bzw. einem Gehäuse einer Ölpumpe 104 ab. Die Planetenträgerwelle 70 ist ferner mittels eines Radiallagers (beispielsweise in Form eines Nadellagers) an einem gehäusefesten Stutzen radial drehbar gelagert.
4 zeigt eine Abwandlung der elektrischen Achse der 3. Hierbei ist das Glied, an dem der zweite Kupplungskörper 92 festgelegt ist, mit einem Ausgangsglied einer Hang-On-Kupplung 110 verbunden. Genauer gesagt bildet das Ausgangsglied der Hang-On-Kupplung 110 einen Außenlamellenträger.
Ferner ist eine Kardanwelle 108 mit einem Eingangsglied der Hang-On-Kupplung 110 verbunden.
Die Kardanwelle 108 ist beispielsweise mit der in 1 bei 14, 16 gezeigten Antriebseinheit verbunden.
In 4 ist ferner bei 112 ein Aktuator 112 zum Betätigen der Hang-On-Kupplung 110 gezeigt.
Eine weitere alternative Ausführungsform einer elektrischen Achse 30 zeigt 5.
Bei dieser Ausführungsform ist anstelle des Schaltkupplungspaketes zur alternativen Verbindung des Hohlrades 68 mit dem Gehäuse 46 oder dem Planetenträger 66 eine Anordnung aus zwei Reibkupplungen 116, 118 vorgesehen.
Dabei sind die zwei Reibkupplungen 116, 118 in Form von Lamellenkupplungen auf gegenüberliegenden Seiten des Planetenradsatzes 62 angeordnet. Genauer gesagt ist das Hohlrad 68 auf der der elektrischen Maschine 40 abgewandten Seite mit einem Außenlamellenträger der Reibkupplung 118 verbunden. Der Innenlamellenträger der Reibkupplung 118 ist mit der Planetenträgerwelle 70 und mit der Ausgangswelle 72 verbunden.
Ferner ist das Hohlrad 68 auf der der elektrischen Maschine 40 zugewandten Seite mit einer Hohlradwelle 76 verbunden, die einen Innenlamellenträger der Reibkupplung 116 bildet. Der Außenlamellenträger der Reibkupplung 116 ist mit dem Gehäuse 46 verbunden.
Die Aktuatoren zum Betätigen der Reibkupplungen 116, 118 sind in 5 schematisch angedeutet und weisen Wirkrichtungen auf, die aufeinander zu weisen.
Die in den obigen Figuren jeweils als elektrische Achse 30 bezeichneten Antriebseinheiten weisen jeweils eine elektrische Maschine 40 auf, die über zwei Gangstufen mit einer Ausgangswelle 72 verbindbar sind. Die Schaltung kann entweder mittels eines Schaltkupplungspaketes oder mittels zweier Reibkupplungen erfolgen. Im Falle eines Schaltkupplungspaketes können die Schaltkupplungen jeweils als Klauenschaltungen mit oder ohne Sperr-Synchronisierungen ausgebildet sein. Ferner lässt sich eine Neutralstellung einrichten, um die elektrische Maschine 40 abzukoppeln.
Die Übersetzung der ersten Gangstufe (Hohlrad verbunden mit Gehäuse) kann beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 20 liegen. Dieser Übersetzungsbereich gibt die Gesamtübersetzung, also inklusive Final Drive, an, die Übersetzung des Planetenradsatzes liegt dabei im Bereich von beispielsweise 3 bis 6. Die zweite Übersetzung, bei der das Hohlrad 68 mit dem Planetenträger 66 verbunden ist, kann beispielsweise im Bereich von 2 bis 10 liegen. Dieser Übersetzungsbereich gibt die Übersetzung des Final Drives an. Die Übersetzung des Planetenradsatzes im zweiten Gang ist bei der gezeigten Anordnung i = 1, da der Planetenradsatz im zweiten Gang als/im ”Block” umläuft.
Die elektrische Maschine kann flüssigkeitsgekühlt sein. Die jeweils gezeigte Ölpumpe kann mechanisch angetrieben sein.
Die Aktuatorik kann jeweils elektrohydraulisch erfolgen.
Durch die mit dem wenigstens zweistufigen Getriebe erzielbare Spreizung ist es möglich, auch bei hohen Geschwindigkeiten eine Rekuperation durchzuführen. Die maximale Geschwindigkeit der ersten Gangstufe kann beispielsweise von 0 km/h bis 180 km/h reichen, die zweite Gangstufe bei entsprechend geringerem Drehmoment von 0 km/h bis zur Höchstgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges.
Die Differentiale 18, 34 können jeweils als mechanische Differentiale (Kegelraddifferential oder dergleichen) ausgebildet sein. Alternativ hierzu ist es möglich, die Differentiale durch zwei Kupplungsanordnungen zu ersetzen, um ein Torque-Vectoring-Differential einzurichten.
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 102008029287 B4 [0002, 0009]
DE 10319108 A1 [0005]

Claims

Elektrische Achse (30) für ein Kraftfahrzeug (10), mit einer elektrischen Maschine (40), die einen Stator (42) und einen Rotor (44) aufweist, mit wenigstens einem Getriebe (60), das ein mit dem Rotor (44) verbundenes Eingangsglied (50) sowie wenigstens ein Ausgangsglied (72) aufweist, das mit einem Differential (34) zur Verteilung von Antriebsleistung auf zwei Abtriebswellen (36L, 36R) verbindbar ist, wobei das Getriebe (60) dazu ausgelegt ist, wenigstens zwei unterschiedliche Übersetzungen einzurichten, und mit einem Gehäuse (46), dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (60) einen Planetenradsatz (62) aufweist, dessen Hohlrad (68) zur Einrichtung einer der Übersetzungen mittels einer ersten Kupplung (82, 86; 116) mit dem Gehäuse (46) verbindbar ist.
Elektrische Achse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (66) des Planetenradsatzes (62) mittels einer zweiten Kupplung (82, 92; 118) mit dem Hohlrad (68) verbindbar ist.
Elektrische Achse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (66) fest mit dem Ausgangsglied (50) verbunden ist.
Elektrische Achse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Kupplung durch eine Reibkupplung (116; 118) gebildet ist.
Elektrische Achse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und eine zweite Reibkupplung (116; 118) auf gegenüberliegenden Seiten des Planetenradsatzes (62) angeordnet sind.
Elektrische Achse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Kupplung (82, 86; 82, 92) durch ein Schaltkupplungspaket gebildet sind.
Elektrische Achse nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (68) mit einer Hohlradwelle (76) verbunden ist, deren Außendurchmesser vorzugsweise kleiner ist als der Innendurchmesser des Hohlrades (68).
Elektrische Achse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang der Hohlradwelle (76) ein erster Kupplungskörper (86) einer Schaltkupplungsanordnung (82, 86) gelagert ist, der mit dem Gehäuse (46) verbunden ist, wobei vorzugsweise zwischen dem ersten Kupplungskörper (86) und der Hohlradwelle (76) ein Hohlradwellenlager (90) angeordnet ist.
Elektrische Achse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kupplungskörper (86) sich an dem Gehäuse (46) mittels eines mindestens als 2-Punkt-Abstützung ausgeführten Widerlagers abstützt.
Elektrische Achse nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang der Hohlradwelle (76) eine Führungsmuffe (80) einer Schaltkupplungsanordnung festgelegt ist.
Elektrische Achse nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (66) des Planetenradsatzes (62) mit einer Planetenträgerwelle (70) verbunden ist, die koaxial innerhalb der Hohlradwelle (76) angeordnet und vorzugsweise mittels eines Planetenträgerwellenlagers (78) gegenüber dieser drehbar gelagert ist.
Elektrische Achse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenträgerwelle (70) mit einem zweiten Kupplungskörper (92) einer Schaltkupplungsanordnung verbunden ist.
Elektrische Achse nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (44) und ein Resolver (58) an einer Zwischenwelle (48) festgelegt sind.
Elektrische Achse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwelle (48) an einer Rotorwelle (50) festgelegt ist, die mittels zwei Lagern (52, 54) an dem Gehäuse (46) drehbar gelagert ist, wobei der Resolver (58) zwischen den zwei Lagern (52, 54) angeordnet ist.
Elektrische Achse nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (66) des Planetenradsatzes (62) fest mit einem Ausgangsglied einer Hang-On-Kupplung (110) verbunden ist, deren Eingangsglied mit einer Antriebseinheit (12) oder einer Kardanwelle (108) verbunden ist.
Elektrische Achse nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsglied (72) des Getriebes (60) eine Ritzelwelle (72) aufweist, die ein Ritzel (100) zur Verbindung mit dem Differential (34) aufweist, wobei die Ritzelwelle (72) mittels eines Ritzelwellenlagers (102) gelagert ist, und wobei das Ritzel (100) zwischen dem Getriebe (60) und dem Ritzelwellenlager (102) angeordnet ist.
Elektrische Achse nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder 16, oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsglied (72) des Getriebes (60) eine Ritzelwelle (72) aufweist, die ein Ritzel (100) zur Verbindung mit dem Differential (34) aufweist, wobei die Ritzelwelle (72) mittels eines ersten und eines zweiten Lagers (102, 55) gelagert ist, und wobei die Ritzelwelle (50) sich in einen Hohlabschnitt einer Rotorwelle (50) hinein erstreckt und an dieser mittels des zweiten Lagers (55) gelagert ist.