DE102011100816A1

DE102011100816A1 - Antriebsanordnung

Info

Publication number: DE102011100816A1
Application number: DE102011100816A
Authority: DE
Inventors: Johann Märkl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2012-11-08
Also published as: CN102774281B; US20130123058A1; CN102774281A; US9255633B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für mittels einer Elektromaschine über ein Differenzial angetriebene Räder eines Kraftfahrzeuges, wobei die einen Rotor und einen Stator aufweisende Elektromaschine ein Antriebselement des Differenziales antreibt, dessen Abtriebswellen auf die Räder des Kraftfahrzeuges abtreiben. Zur Erzielung einer baulich kompakten, günstige Übersetzungsverhältnisse ermöglichenden Konstruktion wird vorgeschlagen, dass der ringförmige Rotor (18) der Elektromaschine (12) über einen Übersetzungstrieb (64; 64') auf das Eingangselement (50) des Differenziales (48) abtreibt und dass der Übersetzungstrieb (64; 64') und das Differenzial (48) in den Rotor (18, 20) integriert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für mittels einer Elektromaschine über ein Differenzial angetriebene Räder eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen oder Hybridantrieben ist es bekannt, eine Achse des Kraftfahrzeuges mittels eines Elektromotors oder einer Elektromaschine (im Bremsbetrieb auch als Generator schaltbar) über ein an sich übliches Differenzial anzutreiben. Soll die Elektromaschine ein hohes Drehmoment bzw. eine hohe Antriebsleistung aufweisen, so kann deren Unterbringung im Kraftfahrzeug Probleme bereiten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsanordnung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, mittels der relativ großvolumige Elektromotoren oder – maschinen baulich günstig und mit größeren konstruktiven Freiheitsgraden verbaubar sind.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der ringförmige Rotor der Elektromaschine über einen Übersetzungstrieb auf das Eingangselement des Differenziales abtreibt und dass der Übersetzungstrieb und das Differenzial in den Rotor integriert sind. Daraus resultiert eine baulich besonders kompakte und fertigungstechnisch günstige Konstruktion der Antriebsanordnung, die zudem an räumlich beengte Einbauverhältnisse gut anpassbar ist. Der dazwischen geschaltete Übersetzungstrieb ermöglicht ausreichend hohe Antriebsmoment der Elektromaschine bei moderaten Baumaßen.
Der Übersetzungstrieb kann besonders bevorzugt ein Planetengetriebe sein, dessen Eingangselement von dem Rotor angetrieben ist, dessen Ausgangselement mit dem Eingangselement des Differenziales trieblich verbunden ist und das ein gehäusefestes Reaktionselement aufweist. Ein derartiges Planetengetriebe ermöglicht bei relativ geringem Einbauraum hohe Übersetzungsverhältnisse bei einem getriebetechnisch günstigen Wirkungsgrad. Dabei kann in vorteilhafter Auslegung des Planetengetriebes das Eingangselement ein in einer Hohlwelle des Rotors angeordnetes Hohlrad, das Ausgangselement ein Planetenradträger mit Planetenrädern und das Reaktionselement ein gehäusefestes Sonnenrad sein.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können das Differenzial und der Übersetzungstrieb koaxial zum Rotor der Elektromaschine gelagert sein und über mit den Ausgangselementen des Differenziales verbundene Zwischenwellen und über zwei weitere Übersetzungstriebe auf deachsiert zur Drehachse der Elektromaschine gelagerte Abtriebswellen abtreiben. Die weiteren Übersetzungstriebe ermöglichen ggf. eine noch größere Auslegung der Gesamtübersetzung der Antriebsanordnung und bieten insbesondere den Vorteil, dass die Elektromaschine mit integriertem Differenzial im Vergleich zu den Drehachsen der Abtriebswellen insbesondere nach oben versetzt ist und somit jedenfalls eine ausreichende Bodenfreiheit der Antriebsanordnung im Kraftfahrzeug sicherstellt.
Die zwei weiteren Übersetzungstriebe können herstellungstechnisch günstig beidseitig außerhalb der Elektromaschine positioniert sein und insbesondere durch Zahnritzel auf den Zwischenwellen und innenverzahnte Hohlräder an den Abtriebswellen gebildet sein. Die Übersetzungstriebe können dadurch ggf. als Vormontageeinheiten hergestellt und über Steckverbindungen an die Elektromaschine und das Differenzial angebaut werden. Anstelle der mit den Zahnritzeln kämmenden Hohlräder können ggf. auch reine Stirnzahnradtriebe als Übersetzungstriebe verwendet sein.
Der in die Elektromaschine integrierte und auf das Differenzial wirkende Übersetzungstrieb kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung über eine Schalteinrichtung in eine antriebslose Neutralstellung oder in zumindest eine Übersetzungsstufe schaltbar sein. Dies ermöglicht bei baulich und konstruktiv geringem Mehraufwand weitere Freiheitsgrade in der Übersetzungsauslegung der Antriebsanordnung und ermöglicht zudem eine Abkopplung der Elektromaschine in der Neutralstellung der Schalteinrichtung, was insbesondere bei einem Hybridantrieb des Kraftfahrzeuges z. B. bei verbrennungsmotorischem Betrieb von Vorteil sein kann.
Dabei kann besonders bevorzugt das Reaktionselement des Übersetzungstriebs bzw. des Planetengetriebes über die Schalteinrichtung gehäusefest schaltbar, frei drehbar schaltbar (Neutralstellung) oder mit dem antreibende Element koppelbar sein. Daraus resultieren neben der Abkopplungsfunktion zwei Übersetzungsstufen, nämlich eine Drehmoment erhöhende Übersetzung und eine für den höheren Geschwindigkeitsbereich des Kraftfahrzeuges vorteilhafte 1:1 Übersetzung.
Dazu kann bei einer baulich einfachen Konstruktion das Reaktionselement bzw. das Sonnenrad des Planetengetriebes eine Schaltverzahnung tragen, die mit einer über einen Aktuator betätigbaren Schaltmuffe zusammenwirkt, wobei die Schaltmuffe ferner mit einer gehäusefesten Schaltverzahnung oder einer an dem antreibenden Element ausgebildeten Schaltverzahnung koppelbar ist.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Differenzial ein Kegelraddifferenzial an sich bekannter Bauart sein, wobei jedoch der Planetenradträger des vorgeschalteten Planetengetriebes eine Baueinheit mit dem Ausgleichsgehäuse des Differenziales bildet. In Verbindung dazu weitere, getriebetechnisch vorteilhafte Ausgestaltungen der Antriebsanordnung sind in den weiteren Unteransprüchen und in der folgenden Beschreibung angeführt.
Schließlich können zur Erzielung einer baulich kompakten und montagegünstigen Konstruktion die Elektromaschine, der Übersetzungstrieb und das Differenzial mit den Abtriebswellen und gegebenenfalls den Zwischenwellen und den weiteren Übersetzungstrieben in einem gemeinsamen Achsgehäuse zusammengebaut sein.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
1 in skizzenhafter Darstellung eine erste Antriebsanordnung mit einer ringförmigen Elektromaschine, einem in den Rotor der Elektromaschine integrierten Übersetzungstrieb und einem integrierten Differenzial, das über weitere, seitliche Übersetzungstriebe und Abtriebswellen auf die Räder eines Kraftfahrzeuges abtreibt; und
2 eine Antriebsanordnung analog 1, bei der jedoch der Übersetzungstrieb über eine Schalteinrichtung umschaltbar ausgeführt ist.
In der 1 ist mit 10 eine Antriebsanordnung für eine elektrisch angetriebene Achse (zum Beispiel eine Vorderachse oder Hinterachse) eines Kraftfahrzeuges bezeichnet, die sich u. a. aus einer Elektromaschine 12, einem Planetengetriebe 64 als integrierten Übersetzungstrieb und einem ebenfalls in die Elektromaschine 12 integrierten Kegelrad-Differenzial 48 zusammensetzt.
Die antreibende Elektromaschine 12, die im Bremsbetrieb bzw. Schubbetrieb des Kraftfahrzeuges in an sich bekannter Weise auch als Generator schaltbar ist, weist einen ringförmigen Stator 16 und einen ringförmigen, auf einer Antriebshohlwelle 20 angeordneten Rotor 18 auf. Die Antriebshohlwelle 20 ist über Wälzlager 60 in noch zu beschreibender Weise in Gehäusewänden 24a, 24b des Gehäuses 24 der Elektromaschine 12 drehbar um eine erste Drehachse 26 gelagert, die somit die „Mitte” der Elektromaschine 12 definiert.
Die Achskegelräder 78 des Differenziales 48 treiben auf Zwischenwellen 52 ab, die in den Gehäusewänden 24a, 24b über Wälzlager 80 drehbar gelagert sind und die beiderseits Zahnritzel 54 tragen, die in Verbindung mit topfförmigen Hohlrädern 56 zwei seitlich angeordnete Übersetzungstriebe 58 bilden.
Die Hohlräder 56 sind trieblich fest mit den Flanschwellen 40, 44 verbunden, die achsparallel und mit Versatz (hier zum Beispiel nach unten) zur Drehachse 26 mit einer Drehachse 36 in äußeren Gehäusedeckeln 24e gelagert sind.
Das Kegelrad-Differenzial 48 ist koaxial zum Rotor 18 in dessen Antriebshohlwelle 20 integriert, wobei die Antriebshohlwelle 20 über die Wälzlager 60 auf Lagerhälsen 50a des Ausgleichsgehäuses 50 und diese über weitere Wälzlager 62 auf Lagerbunden der stirnseitigen Gehäusewände 24a, 24b drehbar gelagert sind. Bezüglich der Gehäusewand 24a ist zu sagen, dass diese im hier gezeigten Beispielfall in einen Nabenabschnitt 74a übergeht, was nachfolgend noch näher erläutert ist.
Der Rotor 18 bzw. dessen Antriebshohlwelle 20 treibt über den Übersetzungstrieb 64 das Eingangselement bzw. das Ausgleichsgehäuse 50 des Differenziales 48 an.
Der dem Differenzial 48 im Kraftfluss vorgeschaltete Übersetzungstrieb bzw. das Planetengetriebe 64 weist ein fest mit der Antriebshohlwelle 20 verbundenes, innenverzahntes Hohlrad 66, einen unmittelbar in das Ausgleichsgehäuse 50 integrierten Planetenradträger 68 mit auf Achsen 70 gelagerten Planetenrädern 72 (es ist nur ein Planetenrad 72 ersichtlich) und schließlich ein mit der Gehäusewand 24a fest verbundenes Sonnenrad 74 auf.
Der Nabenabschnitt 74a des gehäusefesten Sonnenrades 74 bildet dabei zugleich den Lagerbund für das besagte Wälzlager 62 und die Gleitlagerung der einen, hier linken Zwischenwelle 52.
Die Zwischenwellen 52 sind in an sich bekannter Weise mittels Spannschrauben 76 mit den Achskegelrädern 78 des Differenziales 48 fest verschraubt und über Wälzlager 80 in den Gehäusewänden 24a, 24b bzw. dem Nabenabschnitt 74a des gehäusefesten Sonnenrades 74 drehbar gelagert. Die Achskegelräder 78 kämmen in bekannter Weise mit den Planetenkegelrädern 82, die auf einem mit dem Ausgleichsgehäuse 50 festen Mitnehmerbolzen 84 drehbar gelagert sind.
Ferner tragen die Zwischenwellen 52 die Zahnritzel 54, die zusammen mit den Hohlrädern 56 auf den Flanschwellen 40, 44 die beidseitigen Übersetzungstriebe 58 bilden.
Die Flanschwellen 40, 44 sind über Wälzlager 86, 88 in Lagerbunden der Gehäusewände 24a, 24b und in den Gehäusedeckeln 24e drehbar gelagert, wobei deren Drehachse 36 entsprechend nach unten versetzt ist.
Durch den Übersetzungstrieb 64 im Kraftfluss vor dem Differenzial 48 und die beiden Übersetzungstriebe 58 im Kraftfluss nach dem Differenzial 48 kann bei baulich und konstruktiv günstiger Auslegung ein Gesamtübersetzungsverhältnis von zum Beispiel 3 zwischen dem Rotor 18 der antreibenden Elektromaschine 12 und den abtreibenden Flanschwellen 40, 44 konzipiert sein.
Eine noch weitergehende Übersetzungsauslegung wird mit der Antriebsanordnung 10' gemäß 2 erzielt, bei der der erste Übersetzungstrieb 64' schaltbar ausgeführt ist. Die Antriebsanordnung 10' ist nur soweit beschrieben, als sie sich wesentlich von der 1 unterscheidet. Funktionell gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Abweichend zur 1 ist das Sonnenrad 74' des über eine Schalteinrichtung 90 schaltbaren Planetengetriebes 64' nicht gehäusefest, sondern über ein Wälzlager 94 drehbar auf der linken Zwischenwelle 52 gelagert.
Ferner trägt das Sonnenrad 74' ein Schaltzahnrad 96 mit einer äußeren Schaltverzahnung 94a, auf der eine Schaltmuffe 98 mit einer korrespondierenden Innenverzahnung verschiebbar angeordnet ist.
Die Schaltmuffe 98 wirkt mit einer gehäusefesten Schaltverzahnung 100 und mit einer Schaltverzahnung 102 an der das Hohlrad 66 des Planetengetriebes 64' tragenden Antriebshohlwelle 20 zusammen.
Die Schaltmuffe 98 ist über eine an einem elektrischen Aktuator 104 angeordnete Schaltgabel 106 aus der gezeichneten Neutralstellung – in der das Sonnenrad 74' frei drehbar ist – nach links auf die gehäusefeste Schaltverzahnung 100 oder nach rechts auf die Schaltverzahnung 102 der Antriebshohlwelle 20 verschiebbar.
In der Neutralstellung der Schalteinrichtung 90 ist das Sonnenrad 94' frei drehbar und damit die Elektromaschine 12 vom Differenzial 64' bzw. vom gesamten Abtrieb abgekoppelt.
Wird das Sonnenrad 74' entsprechend 1 gehäusefest geschaltet, so liegt eine definierte erste Übersetzungsstufe vor.
In der rechten Schaltstellung der Schalteinrichtung 90 ist das Sonnenrad 74' an die Antriebshohlwelle 20 bzw. an das Hohlrad 66 angekoppelt, wodurch das Planetengetriebe 64' in sich blockiert ist bzw. eine zweite Übersetzungsstufe 1:1 vorliegt. Die übrige Funktion der Antriebsanordnung 10' ist entsprechend der Antriebsanordnung 10 der 1.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
So kann gegebenenfalls das Differenzial 14 auch als Planetengetriebe an sich bekannter Bauart ausgeführt sein.
Der Übersetzungstrieb 64 kann zur Erzielung eines anderen Übersetzungsverhältnisses auch so ausgelegt sein, dass der Rotor 18 bzw. dessen Antriebshohlwelle 20 auf das dann drehbar gelagerte Sonnenrad 74 abtreibt, während das innenverzahnte Hohlrad 66 gehäusefest abgestützt wäre.
Anstelle der Übersetzungstriebe 58 mit einem Hohlrad 56 könnten diese auch als Stirnzahnradtriebe ausgeführt sein, wobei dann das Zahnritzel 54 mit einem weiteren, außenverzahnten Stirnzahnrad auf den Flanschwellen 40, 44 kämmen würde.
Sofern der Versatz der Drehachsen 26, 36 der Antriebsanordnung 10, 10' nicht erforderlich ist, können ggf. die seitlichen Übersetzungstriebe 58 und die Zwischenwellen 52 entfallen. Das Differenzial 48 würde dann unmittelbar auf die mit den Achskegelrädern 78 trieblich verbundenen, koaxialen Abtriebswellen 40, 44 abtreiben.

Claims

Antriebsanordnung für mittels einer Elektromaschine und über ein Differenzial angetriebene Räder eines Kraftfahrzeuges, wobei die einen Rotor und einen Stator aufweisende Elektromaschine ein Eingangselement des Differenziales antreibt, dessen Ausgangselemente über Abtriebswellen auf die Räder des Kraftfahrzeuges abtreiben, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Rotor (18) der Elektromaschine (12) über einen Übersetzungstrieb (64; 64') auf das Eingangselement (50) des Differenziales (48) abtreibt und dass der Übersetzungstrieb (64; 64') und das Differenzial (48) in den Rotor (18, 20) integriert sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übersetzungstrieb ein Planetengetriebe (64; 64') ist, dessen Eingangselement (66) von dem Rotor (18) angetrieben ist, dessen Ausgangselement (68) mit dem Eingangselement (50) des Differenziales (48) trieblich verbunden ist und das ein gehäusefestes Reaktionselement (74) aufweist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangselement des Planetengetriebes (64; 64') ein in einer Hohlwelle (20) des Rotors (18) angeordnetes Hohlrad (66), das Ausgangselement ein Planetenradträger (68) mit Planetenrädern (70) und das Reaktionselement ein gehäusefestes Sonnenrad (74) ist.
Antriebsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzial (48) und der Übersetzungstrieb (64; 64') koaxial zum Rotor (18) der Elektromaschine (12) gelagert sind und über mit den Ausgangselementen (78) des Differenziales (48) verbundene Zwischenwellen (52) und über zwei weitere Übersetzungstriebe (58) auf deachsiert zur Drehachse (26) der Elektromaschine (12) gelagerte Abtriebswellen (40, 44) abtreiben.
Antriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei weiteren Übersetzungstriebe (58) beidseitig außerhalb der Elektromaschine (12) positioniert sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei weiteren Übersetzungstriebe (58) durch Zahnritzel (54) auf den Zwischenwellen (52) und innenverzahnten Hohlrädern (56) an den Abtriebswellen (40, 44) gebildet sind.
Antriebsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übersetzungstrieb (64') zwischen dem Rotor (18) der Elektromaschine (12) und dem Differenzial (48) über eine Schalteinrichtung (90) in eine antriebslose Neutralstellung und/oder in zumindest eine Übersetzungsstufe schaltbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionselement (74) des Übersetzungstriebs bzw. des Planetengetriebes (64') über die Schalteinrichtung (90) gehäusefest schaltbar, frei drehbar schaltbar oder mit dem antreibenden Element (66) koppelbar ist.
Antriebsanordnung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionselement bzw. das Sonnenrad (74') des Planetengetriebes (64') eine Schaltverzahnung (98a) trägt, die mit einer über einen Aktuator (104) betätigbaren Schaltmuffe (98) zusammenwirkt, wobei die Schaltmuffe (98) ferner mit einer gehäusefesten Schaltverzahnung (100) oder einer an dem antreibenden Element (66) ausgebildeten Schaltverzahnung (102) koppelbar ist.
Antriebsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzial (48) ein Kegelraddifferenzial ist und dass der Planetenradträger (68) eine Baueinheit mit dem Ausgleichsgehäuse (50) des Differenziales (48) bildet.
Antriebsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gehäusefeste Sonnenrad (74) zugleich als Lagernabe (74a) für die eine Zwischenwelle (52) dient und im Bereich des Zahnritzels (54) des zweiten Übersetzungstriebes (58) ein Wälzlager (80) der Zwischenwelle (52) trägt.
Antriebsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) der Elektromaschine (12) beidseitig über Wälzlager (60) auf Lagerhälsen (50a) des Ausgleichsgehäuses (50) und die Lagerhälse (50a) über Wälzlager (62) auf Lagerbunden der Gehäusewände (24a, 24b) drehbar gelagert sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbund (74a) auf der Seite des gehäusefesten Sonnenrades (74) unmittelbar am Sonnenrad (74) ausgebildet ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Übersetzungstriebe (58) zwischen den Zwischenwellen (52) und den Abtriebswellen (40, 44) durch miteinander kämmende Stirnzahnräder gebildet sind.
Antriebsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (12), der Übersetzungstrieb (64; 64') und das Differenzial (48) mit den Abtriebswellen (40, 44) und gegebenenfalls den Zwischenwellen (52) und den weiteren Übersetzungstrieben (58) in einem gemeinsamen Achsgehäuse (24) zusammengebaut sind.
Antriebsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (74) des Planetenradgetriebes (64) drehfest mit dem Rotor (18) der Elektromaschine (12) verbunden ist, dass das Hohlrad (66) gehäusefest angeordnet ist und dass der Planetenradträger (68) trieblich mit dem Antriebselement (50) des Differenziales (48) gekoppelt ist.