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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Fahrzeug mit einem Schaltgetriebe, wobei das Schaltgetriebe einen Schaltgetriebeeingang und einen Schaltgetriebeausgang aufweist und wobei das Schaltgetriebe über eine Schaltmechanik zwischen mindestens zwei Schaltzuständen schaltbar ist, mit einem Querdifferenzial, wobei das Querdifferenzial einen Querdifferenzialeingang und zwei Querdifferenzialausgänge aufweist, wobei der Querdifferenzialeingang mit dem Schaltgetriebeausgang wirkverbunden ist und wobei die Querdifferenzialausgänge jeweils mit einem Rad des Fahrzeugs wirkverbindbar sind, und mit einem Stellmotor, wobei der Stellmotor ausgebildet ist, das Querdifferenzial mit einem Stellmoment zu beaufschlagen, sodass eine Drehmomentdifferenz zwischen den Querdifferenzialausgängen beeinflusst wird.
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Bei Fahrzeugen wird das Antriebsdrehmoment einer angetriebenen Achse oftmals über ein Differenzial an die zwei angetriebenen Räder dieser Achse verteilt. Ein bekanntes Problem bei derartigen Differenzialen ist, dass für den Fall, dass eines der Räder auf einem sehr glatten Untergrund steht und das andere angetriebene Rad der gemeinsamen Achse auf einem griffigen Untergrund steht, das erstgenannte Rad durchdreht und das zweitgenannte Rad stehen bleibt. Diesem Effekt wird beispielsweise durch eine Selbsthemmung in dem Differenzial entgegengewirkt, sodass in der beschriebenen Situation zumindest ein Teil des Drehmoments auf das Rad, welches auf dem griffigen Untergrund steht, übertragen wird.
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Eine andere Anwendung der Übertragung von unterschiedlichen Antriebsmomenten zweier Räder einer Achse einer durch ein Differenzial angetriebenen Achse ist das sogenannte Torque Vectoring, wobei gezielt die Antriebsmomente unterschiedlich verteilt werden, um das Kurvenverhalten des Fahrzeugs zu beeinflussen.
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Die Druckschrift
DE 103 19 684 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart ein Getriebe zum bedarfsweisen Verteilen eines Antriebsmoments auf wenigstens zwei Abtriebswellen, wobei das Getriebe in einer Ausgestaltung gemäß
2 zwei Planetentriebe aufweist, welche als ein symmetrisches Differenzial zusammengeschaltet sind sowie einen Elektromotor, welcher auf die Sonnenräder der Planetentriebe ein Drehmoment beaufschlagen kann, um eine Drehmomentdifferenz bei den angetriebenen Rädern zu erreichen.
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Die Druckschrift
US 2002/0 142 877 A1 offenbart ferner ein Zwei-Gang-Verteilergetriebe mit einem Zwischenachsdifferential, einer Kupplungs-Anordnung und einem kraftbetriebenen Betätigungsmechanismus.
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Gebiet der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung für ein Fahrzeug vorzuschlagen, welches einfach integrierbar und zugleich kostengünstig zu fertigen ist. Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß wird eine Antriebsanordnung, insbesondere ein Antriebsstrang, für ein Fahrzeug vorgeschlagen. Das Fahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, im Speziellen für den Straßenverkehr, ausgebildet. Optional bildet das Fahrzeug mit der Antriebsanordnung einen weiteren Gegenstand der Erfindung. Die Antriebsanordnung ist insbesondere ausgebildet, das Fahrzeug im Straßenverkehr mit Geschwindigkeiten über 30 km/h, vorzugsweise über 50 km/h und insbesondere über 80 km/h zu bewegen.
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Die Antriebsanordnung umfasst ein Schaltgetriebe, welches einen Schaltgetriebeeingang und einen Schaltgetriebeausgang aufweist. Der Schaltgetriebeeingang ist mit einem Motor wirkverbunden oder wirkverbindbar, sodass über den Schaltgetriebeeingang ein Antriebsdrehmoment in das Schaltgetriebe eingeleitet wird. Das Schaltgetriebe ist über eine Schaltmechanik zwischen mindestens zwei Schaltzuständen schaltbar. Besonders bevorzugt ist das Schaltgetriebe als ein Zweiganggetriebe ausgebildet, wobei sich die zwei Gänge durch das Übertragungsverhältnis, insbesondere im Hinblick auf ein Untersetzungsverhältnis unterscheiden. So hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass in der einen Schaltstellung des Schaltgetriebes eine 1:1 Übertragung umgesetzt wird und in der anderen Schaltstellung des Schaltgetriebes eine Untersetzung realisiert ist. Das durchgeleitete oder umgesetzte Antriebsdrehmoment wird über den Schaltgetriebeausgang ausgegeben.
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Ferner umfasst die Antriebsanordnung ein Querdifferenzial – auch Querdifferenzialgetriebe genannt –, welches einen Querdifferenzialeingang und zwei Querdifferenzialausgänge aufweist. Die zwei Querdifferenzialausgänge sind vorzugsweise als Anschlusswellen ausgebildet und definieren in ihrer Längserstreckung geometrisch eine Differenzialachse. In einer allgemeinen Ausgestaltung der Erfindung ist das Querdifferenzial beliebig realisiert, beispielsweise kann dies als ein Kegelraddifferenzial ausgestaltet sein. Bevorzugte Ausgestaltungen werden nachfolgend noch erläutert. Das Querdifferenzial hat die Funktion, ein über dem Querdifferenzialeingang anliegendes Drehmoment auf die zwei Querdifferenzialausgänge zu verteilen. Der Querdifferenzialeingang ist mit dem Schaltgetriebeausgang wirkverbunden, so dass das Drehmoment als das durchgeleitete oder umgesetzte Antriebsdrehmoment ausgebildet ist. Die Querdifferenzialausgänge sind jeweils mit einem Rad des Fahrzeugs wirkverbindbar. Optional sind zwischen den Querdifferenzialausgängen und den Rädern im Antriebsstrang weitere Komponenten zwischengeschaltet.
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Die Antriebsanordnung umfasst einen Stellmotor, welcher ausgebildet ist, das Querdifferenzial mit einem Stellmoment zu beaufschlagen, sodass eine Drehmomentdifferenz zwischen den Querdifferenzialausgängen beeinflusst wird. Insbesondere wird durch den Stellmotor und dessen Anbindung an das Querdifferenzial ein Torque Vectoring umgesetzt, wobei gezielt, gesteuert und/oder bedarfsgerecht eine Drehmomentdifferenz zwischen den Querdifferentialausgängen und damit zwischen den angetriebenen Rädern bewirkt wird.
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Erfindungsgemäß wird eine Übertragungsmechanik in der Antriebsanordnung vorgeschlagen, die ausgebildet ist, eine Drehbewegung des Stellmotors in eine Stellbewegung der Schaltmechanik zu wandeln. In der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung wird somit ein einziger Stellmotor, ausgebildet als ein Elektromotor, zum einen eingesetzt, um ein Stellmoment für das Querdifferenzial zu erzeugen, und zum anderen verwendet, um die Schaltmechanik zu betätigen.
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Bei der Erfindung wird ausgenutzt, dass eine elektromotorische Betätigung des Querdifferenzials und der Schaltmechanik jeweils nur temporär notwendig ist, sodass diese beiden Aufgaben dem gemeinsamen Stellmotor zugewiesen werden können. Durch die Übernahme der Doppelfunktion durch den Stellmotor kann ein weiterer Elektromotor und folglich weitere Komponenten eingespart werden, sodass die Antriebsanordnung kostengünstiger, kompakter und zugleich leichter ausgebildet werden kann. Damit wird neben einer Kostenersparnis eine vereinfachte Integration der Antriebsanordnung in das Fahrzeug unterstützt.
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Um eine selektive Betätigung von Querdifferenzial und Schaltmechanik zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass die Antriebsanordnung eine Stellkupplung umfasst, welche zwischen dem Stellmotor und dem Querdifferenzial angeordnet ist und eine Trennung von Stellmotor und Querdifferenzial ermöglicht. Alternativ oder ergänzend weist die Antriebsanordnung eine Schaltkupplung auf, wobei die Schaltkupplung zwischen dem Stellmotor und der Schaltmechanik angeordnet ist und eine Trennung von Stellmotor und Schaltmechanik ermöglicht. Optional sind die Stellkupplung und die Schaltkupplung als eine gemeinsame Wechselkupplung ausgebildet, wobei das Antriebsdrehmoment des Stellmotors wahlweise auf die Schaltmechanik oder auf das Querdifferenzial übertragbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Querdifferenzial ein Stirnradplanetengetriebe. Ein derartiges Stirnradplanetengetriebe ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2009 032 286 A1 bekannt, dessen Inhalt mittels Referenzierung in die vorliegende Anmeldung übernommen wird.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Realisierung der Erfindung ist der Querdifferenzialeingang durch ein Hohlrad in dem Stirnradplanetengetrieben gebildet, wobei das Hohlrad eine umlaufende Kopplungsstruktur, insbesondere eine Kegelradverzahnung, als mechanische Schnittstelle des Querdifferenzialeingangs aufweist. Insbesondere umfasst das Stirnradplanetengetriebe zwei Planetenträger (auch Stege genannt) und zwei Planetensätze, welche jeweils auf einem der Planetenträger drehbar angeordnet sind, wobei die Planetenträger die Querdifferenzialausgänge bilden. In dieser Konfiguration ist ein symmetrisches Querdifferenzial gebildet. Das Hohlrad ist als Querdifferenzialeingang die Komponente mit dem größten Durchmesser, wobei an dem Querdifferenzialeingang das höchste Drehmoment anliegt. Durch die umlaufende Kopplungsstruktur ist es möglich, das Querdifferenzial in dem Antriebsstrang der Antriebsanordnung über ein Kegelrad anzubinden, sodass eine Umorientierung des Drehmomentflusses erreicht wird. Die optionale Anbindung des Querdifferenzials über die Kegelradverzahnung als mechanische Schnittstelle sowie mit einem Kegelrad als mechanische Gegenschnittstelle hat den Vorteil, dass das Kegelrad in Umlaufrichtung um das Hohlrad an eine beliebige Position eingesetzt werden kann, sodass – in Abhängigkeit des verfügbaren Bauraums in dem Fahrzeug – die Drehachse des Kegelrads parallel zu einer Horizontalen oder des Bodens des Fahrzeugs ausgerichtet sein kann oder auch beliebig angestellt sein kann. So kann die Drehachse des Kegelrads im Einbauzustand im Fahrzeug zum Beispiel einen Winkel zwischen 5 und 30 Grad gegenüber einer horizontalen Ebene einnehmen.
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Jeder der Planetensätze kämmt paarweise miteinander, mit dem gemeinsamen Hohlrad und jeweils mit einem Sonnenrad, wobei der Stellmotor mit den beiden Sonnenrädern gekoppelt ist, sodass diese bei einer Drehbewegung des Stellmotors gegeneinander verdrehbar sind, um die Drehmomentdifferenz zwischen den Querdifferenzialausgängen zu beeinflussen. Diese konstruktive Ausgestaltung weist eine geringe axiale Baubreite auf und erleichtert die Integration der Antriebsanordnung in dem Fahrzeug.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist einer der Planetenträger des Stirnradplanetengetriebes mit einem Hohlwellenabschnitt verbunden, durch den zwei koaxial zueinander angeordnete Verbindungswellen zum Antreiben der beiden Sonnenräder geführt sind. Insgesamt sind somit drei Wellen koaxial zueinander angeordnet. Durch diese Weiterbildung ist es ausreichend, den Stellmotor platzsparend an nur einer Seite des Querdifferenzials anzubinden, sodass die Integration der Antriebsanordnung vereinfacht ist.
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Besonders bevorzugt umfasst das Schaltgetriebe ein weiteres Stirnradplanetengetriebe, wobei eine Hauptachse des weiteren Stirnradplanetengetriebes senkrecht zu der Differenzialachse ausgerichtet ist. Besonders bevorzugt ist der Schaltgetriebeausgang, vorzugsweise die mechanische Gegenschnittstelle, insbesondere das Kegelrad, ebenfalls rotierbar um die Hauptachse angeordnet. Insbesondere sind in dem Antriebsstrang zwischen dem Schaltgetriebe und dem Querdifferenzial keine weiteren drehmomentumlenkenden Einrichtungen vorgesehen.
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Das Schaltgetriebe kann in verschiedenen Variationen ausgebildet sein. Hinweise zu verschiedenen Realisierungsformen findet der Fachmann in der Druckschrift
GB 2 438 609 A , wobei der diesbezügliche Inhalt via Referenzierung in die vorliegende Anmeldung übernommen wird. Es ist jedoch besonders bevorzugt, dass das Schaltgetriebe eine Gangwechselkupplung aufweist, wobei ein schaltbarer Kupplungskörper drehfest mit dem Schaltgetriebeausgang gekoppelt ist, wobei der Kupplungskörper in einer ersten Schaltstellung mit einer Eingangswelle und/oder dem Schaltgetriebeeingang drehfest verbunden ist und in einer zweiten Schaltstellung drehfest mit einem Schaltgetriebeplanetenträger des Stirnradplanetengetriebes verbunden ist. Das weitere Stirnradplanetengetriebe umfasst eine Schaltgetriebesonne, die mit dem Schaltgetriebeeingang und/oder der Eingangswelle drehfest verbunden ist, einen Schaltgetriebeplanetensatz, der auf dem Schaltgetriebeplanetenträger drehbar angeordnet ist, wobei die Planeten des Schaltgetriebeplanetensatzes mit der Schaltgetriebesonne und einem stationär angeordneten Schaltgetriebehohlrad kämmen. Durch diese spezifische, konstruktive Ausgestaltung ist eine weitere Alternative zu Schaltgetrieben in Planetentriebbauweise realisiert, die sich durch einen geringen Bauraum und einen einfachen und damit robusten Aufbau auszeichnet. Die Schaltmechanik ist ausgebildet, den Kupplungskörper zwischen der ersten und der zweiten Schaltstellung zu bewegen.
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Die Schaltmechanik ist besonders bevorzugt als ein Gewindetrieb ausgebildet, wobei die Drehbewegung des Stellmotors in eine Linearbewegung umgesetzt wird, um den Kupplungskörper von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung linear zu verschieben.
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In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung bildet ein Rotor des Stellmotors eine zweite Hauptachse. Zum Antreiben der Sonnenräder des Planetengetriebes des Querdifferenzials sind Verbindungswellen vorgesehen, auf denen Kegelräder aufgesetzt sind, die mit einem Stellkegelrad, das um die zweite Hauptachse rotiert und von dem Stellmotor angetrieben wird, kämmen.
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Es ist konstruktiv vorgesehen, dass die Hauptachse und die zweite Hauptachse zueinander parallel ausgerichtet sind. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Teilabschnitt der Antriebsordnung umfassend das Schaltgetriebe und die Übertragungsmechanik um die Differenzialwelle schwenkbar sind, da die Anbindung von Schaltgetriebe und Übertragungsmechanik jeweils durch ein Kegelrad bzw. ein Stellkegelrad erfolgt, welche in eine die Differenzialachse umlaufende Koppelstruktur eingreifen. Durch diese konstruktive Besonderheit kann die Antriebsanordnung auf den Bauraum in dem Fahrzeug angepasst werden.
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Besonders vereinfacht wird die Antriebsanordnung, wenn der Gewindetrieb der Übertragungsmechanik koaxial zu der zweiten Hauptachse angeordnet ist. In diesem Fall ist auch keine Umlenkung oder dergleichen notwendig, welche fehleranfällig wären oder zusätzliche Komponenten erfordern würden.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Antriebsanordnung zwei Abtriebswellen, wobei jeweils eine der Abtriebswellen mit einem der Räder einer gemeinsamen Achse des Fahrzeugs verbindbar ist. Insbesondere ist eine der Abtriebswellen mit einem Rad und die andere der Abtriebswellen mit dem anderen Rad der gemeinsamen Achse verbunden. Es wird vorgeschlagen, dass die Antriebsanordnung einen Übertragungstrieb aufweist, welcher eine Wirkverbindung zwischen den Querdifferenzialausgängen und den Abtriebswellen herstellt, wobei in dem Übertragungstrieb die Differenzialachse und die Abtriebswellen in radialer Richtung zu der Differenzialachse zueinander versetzt angeordnet sind. Unter Versatz ist insbesondere zu verstehen, dass die Abtriebswellen und der jeweilige zugeordnete Querdifferenzialausgang bzw. die Anschlusswelle nicht koaxial, also nicht axial aneinander ausgerichtet, oder nicht konzentrisch zueinander ausgerichtet sind, also auch nicht aufeinander liegen. Der Übertragungstrieb kann mit einer 1:1-Übersetzung oder wahlweise mit einer Untersetzung oder einer Übersetzung realisiert sein.
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Durch die Weiterbildung können mehrere Vorteile realisiert werden. Im Vordergrund steht ein Versatz zwischen dem Querdifferenzial beziehungsweise dessen Differenzialachse und den Abtriebswellen, sodass das Querdifferenzial nicht zwingend koaxial zu den Abtriebswellen angeordnet sein muss, wie dies üblich ist, sondern versetzt dazu positioniert werden kann. Dieser Versatz kann beispielsweise dazu genutzt werden, eine Bodenfreiheit des Fahrzeugs zu vergrößern, wenn dieser Versatz als ein Höhenversatz ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann der Versatz dazu genutzt werden, die Antriebsanordnung an spezifische Bauraumerfordernisse des Fahrzeugs anzupassen, wobei beispielsweise vorgesehen sein kann, dass der Versatz als ein Versatz in Längsrichtung ausgebildet ist. In dieser Ausgestaltung ist es z. B. möglich, das Querdifferenzial in Bezug auf seine Differenzialachse in gleicher oder nahezu gleicher Höhe wie die Abtriebswellen anzuordnen, jedoch in Längsrichtung betrachtet nach vorne oder nach hinten versetzt, sodass je nach Ausführungsform eine sehr langgestreckte oder eine sehr kompakte Antriebsanordnung erreicht werden kann. Auch ein winkliger Versatz zwischen dem Höhenversatz und dem Versatz in Längsrichtung, zum Beispiel in einem 45 Grad-Winkel, ist denkbar, um sowohl Vorteile hinsichtlich der Bodenfreiheit als auch im Hinblick auf besondere Bauraumerfordernisse zu erfüllen.
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Bei einer möglichen konkreten Ausführungsform der Erfindung definieren die Abtriebswellen eine gemeinsame Abtriebsachse, wobei die Differenzialachse und die Abtriebsachse zueinander parallel versetzt angeordnet sind. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach umzusetzen.
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Bei einer besonders bevorzugten Realisierung der Weiterbildung ist der Übertragungstrieb als ein Stirnradteilgetriebe ausgebildet, wobei jeder der Querdifferenzialausgänge mit einem Ausgangsstirnrad und jede der Abtriebswellen mit einem Abtriebsstirnrad drehfest verbunden sind, wobei die Ausgangsstirnräder und die Abtriebsstirnräder gemeinsam das Stirnradteilgetriebe bilden. Insbesondere sitzt das Ausgangsstirnrad auf der den Querdifferenzialausgang bildenden Anschlusswelle. Besonders bevorzugt rotieren die Ausgangsstirnräder um die Differenzialachse. Die Abtriebsstirnräder rotieren dagegen bevorzugt um die Abtriebsachse.
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Der Antriebsstrang wird in dem Querdifferenzial geteilt, wobei ein Teilstrang über einen der Querdifferenzialausgänge, einen der Ausgangsstirnräder und eines der Abtriebsstirnräder auf das zugeordnete Rad führt. In gleicher Weise führt der andere Teilstrang über den anderen Querdifferenzialausgang, das andere der Ausgangsstirnräder und das andere der Abtriebsstirnräder zu dem anderen Rad. In dem Stirnradteilgetriebe kämmt jeweils das Ausgangsstirnrad und das Abtriebsstirnrad, welche einem Rad zugeordnet sind, um das Drehmoment auf das zugeordnete Rad zu übertragen. Durch Variation der Durchmesser und/oder der Verzahnung, insbesondere der Anzahl der Zähne, von Ausgangsstirnrad und Abtriebsstirnrad kann die Antriebsanordnung zum einen hinsichtlich der Versatzbreite, also des Abstands zwischen Differenzialachse und Abtriebsachse beziehungsweise der Abtriebswellen angepasst werden und zum anderen – insbesondere unabhängig davon – hinsichtlich der Getriebeumsetzung, also hinsichtlich einer Übersetzung oder einer Untersetzung.
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Mit dieser Weiterbildung wird die Möglichkeit eröffnet, die Antriebsanordnung weiter an den verfügbaren Bauraum anzupassen.
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Die Antriebsanordnung umfasst bevorzugt mindestens einen Elektromotor, welcher zur Bereitstellung des Antriebsdrehmoments ausgebildet ist. Der Elektromotor kann ein Hauptantriebsdrehmoment bereitstellen, sodass das Fahrzeug ausschließlich durch den Elektromotor angetrieben ist, oder ein Hilfsantriebsdrehmoment, sodass das Fahrzeug durch eine Kombination des Hilfsantriebdrehmoments sowie eines weiteren Drehmoments, zum Beispiel von einem Verbrennungsmotor, angetrieben ist. In dem letztgenannten Fall ist die Antriebsanordnung als eine Hybridantriebsanordnung ausgebildet. Der Elektromotor ist in dem Fahrzeug bevorzugt in Längsrichtung anordbar. Unter der Anordnung in Längsrichtung des Fahrzeugs wird insbesondere verstanden, dass eine Rotorwelle des Elektromotors in einer Projektion auf eine horizontale Fläche in Hauptfahrrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Antriebsanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2a, b, c, d in einer schematisierten Seitenansicht das Fahrzeug aus der 1 in unterschiedlichen Konfigurationsvarianten als weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Fahrzeug 1, welches zum Beispiel als ein Personenkraftfahrzeug, ein Lastkraftwagen oder ähnliches ausgebildet ist. Das Fahrzeug 1 umfasst eine Abtriebsachse 2 und eine Radachse 3, wobei an die Abtriebsachse 2 zwei angetriebene Räder 4a, b angeordnet sind. An der Radachse 3 sind ebenfalls zwei Räder 5a, b angeordnet.
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Zum Antrieb des Fahrzeugs 1 umfasst dieses eine Antriebsanordnung 6 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Je nach Ausführungsform des Fahrzeugs 1 beziehungsweise der Antriebsanordnung 6 sind alle vier Räder 4a, b, 5a, b angetrieben, es kann jedoch auch sein, dass nur die Räder 4a, b der Abtriebsachse 2 angetrieben sind. Um diese unterschiedlichen Ausführungsformen zu illustrieren sind Komponenten an der Radachse 3 nur gestrichelt dargestellt, da diese optional sind.
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Zum Antrieb der Abtriebsachse 2 umfasst die Antriebsanordnung 6 einen Elektromotor 7, dessen Rotorachse 8 längs ausgerichtet, ist, das heißt in Draufsicht in Fahrtrichtung verläuft und/oder senkrecht zu der Abtriebsachse 2 ausgerichtet ist. In einer Seitenansicht betrachtet kann die Rotorachse 8 identisch zur Längserstreckung des Fahrzeugs 1 ausgerichtet sein, sie kann jedoch auch gegenüber der Längserstreckung um einen Anstellwinkel angestellt und/oder in der Höhe versetzt sein. Insbesondere kann in der Seitenansicht betrachtet die Rotorachse 8 in der Höhe versetzt zu der Abtriebsachse 2 angeordnet sein.
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In dem Antriebsstrang der Antriebsanordnung 6 schließt sich an dem Elektromotor 7 ein Schaltgetriebe 9 an. Wie in der 1 dargestellt, bildet die Rotorwelle 8 den Eingang zu dem Schaltgetriebe 9. Das Schaltgetriebe 9 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit eines Schaltzustands das Antriebsdrehmoment untersetzt an einem Schaltgetriebeausgang 10 auszugeben. Das Schaltgetriebe 9 ist als ein Zwei-Gang-Schaltgetriebe ausgebildet, wobei das Drehmoment in einer ersten Schaltstellung mit einer 1:1 Übersetzung und in einer zweiten Schaltstellung mit einer Untersetzung an dem Schaltgetriebeausgang 10 bereitgestellt wird.
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Der Schaltgetriebeausgang 10 ist mit einem Querdifferenzial 11 gekoppelt, welches das Drehmoment an einem Querdifferenzialeingang 12 aufnimmt und an zwei Querdifferenzialausgängen 13a, b bereitstellt.
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Den Querdifferenzialausgängen 13a, b ist ein zweiteiliger Übertragungstrieb 14a, b nachgeschaltet, welcher das Antriebsdrehmoment an Abtriebswellen 15a, b übertragen, die mit den Rädern 4a, b der Abtriebsachse 2 drehfest gekoppelt sind.
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Zusammenfassend betrachtet wird ein Antriebsdrehmoment in dem Elektromotor 7 erzeugt, über das Schaltgetriebe 9 durchgeleitet oder untersetzt, in dem Querdifferenzial 11 verteilt, über den Übertragungstrieb 14a, b an die Abtriebswellen 15a, b übergeben, welche die Räder 4a, b antreiben.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung stellen die genannten Komponenten der Antriebsanordnung 6 einen ausschließlichen Antrieb des Fahrzeugs 1 dar, welcher nur die Abtriebsachse 2 als eine angetriebene Achse aufweist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Drehmoment des Elektromotors 7 optional über eine Kupplung 16 und zum Beispiel über ein weiteres Querdifferenzial 16 auf die Radachse 3 übertragen, sodass das Fahrzeug 1 zwei angetriebene Achsen aufweist. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Fahrzeug 1 einen weiteren Motor, zum Beispiel einen Verbrennungsmotor 18, wobei Verbrennungsmotor 18 und E-Motor 7 alternativ oder gemeinsam zur Erzeugung des Antriebsdrehmoments des Fahrzeugs 1 genutzt werden, sodass die Antriebsanordnung 6 als ein Hybridgetriebe ausgebildet ist.
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Der Übertragungstrieb 14a, b umfasst für jedes der Räder 4a, b ein Ausgangsstirnrad 19a, b, welches über eine Anschlusswelle 20a, b des Querdifferenzialausgangs 13a, b mit diesem drehfest verbunden ist.
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Insbesondere rotieren die Ausgangsstirnräder 19a, b und die Anschlusswellen 20a, b um eine Differenzialachse 21, die zugleich eine zentrale Achse des Querdifferenzials 11 bildet, wie nachfolgend noch erläutert wird.
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Der Übertragungstrieb 14a, b umfasst zudem für jedes Rad 4a, b ein Abtriebsstirnrad 22a, b, welches drehfest mit den Abtriebswellen 15a, b gekoppelt ist. Insbesondere rotieren Abtriebswellen 15a, b und Abtriebsstirnräder 22a, b um die Abtriebsachse 2. In dem einen Teil des Übertragungstriebs 14a wird somit ausgehend von dem Querdifferenzialausgang 13a über die Anschlusswelle 20a das Drehmoment auf das Ausgangsstirnrad 19a übertragen, welches mit dem Abtriebsstirnrad 22a kämmt und das Drehmoment an die Abtriebswelle 15a weitergibt. Der andere Teil des Querdifferenzials 14b ist analog aufgebaut.
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Durch den Übertragungstrieb wird ein Versatz der Differenzialachse 21 zu der Abtriebsachse 2 mit einer Versatzbreite V erreicht. Damit ist es möglich, das Querdifferenzial 11 nicht koaxial zu der Abtriebsachse 23, sondern versetzt dazu in dem Fahrzeug 1 zu integrieren, was zu neuen Freiheitsgraden in der Verteilung der Komponenten der Antriebsanordnung 6 in dem Fahrzeug 1 führt.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels ist die Anzahl der Zähne oder sonstigen Übertragungsstrukturen von Ausgangsstirnrad 19a, b und Abtriebsstirnrad 22a, b gleich gewählt, sodass eine 1:1 Übertragung des Drehmoments erreicht wird. Es ist jedoch auch möglich, die Anzahl der Zähne beziehungsweise Übertragungsstrukturen unterschiedlich zu gestalten, um auf diese Weise eine nachgeschaltete Übersetzung oder Untersetzung des Drehmoments zu erreichen. Auf diese Weise kann der Übertragungstrieb 14a, b eine Doppelfunktion einnehmen, nämlich zum einen den Versatz von Differenzialachse 21 und Abtriebsachse 23 zu erreichen und zum zweiten eine Umsetzung des Drehmoments in dem Antriebsstrang der Antriebsanordnung 6.
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Das Querdifferenzial 11 ist als ein Stirnradplanetengetriebe ausgebildet und umfasst als Querdifferenzialausgänge 13a, b zwei Planetenträger 30a, b, auf denen jeweils ein Planetensatz 31a, b drehbar angeordnet sind, welche jeweils mit einem Sonnenrad 32a, b kämmen. Die Planetensätze 31a, b sind baugleich zueinander ausgebildet, um ein symmetrisches Differenzial zu erreichen. Der Querdifferenzialeingang 12 ist als ein Hohlrad 33 ausgebildet, welches mit den Planeten der Planetensätze 31a, b kämmt. Das Hohlrad 33 ist mit einer umlaufenden Kopplungsstruktur ausgebildet, welche als eine Kegelradverzahnung 34 ausgebildet ist, die mit einem Kegelrad 35 kämmt, wobei das Kegelrad 35 mit dem Schaltgetriebeausgang 10 drehfest verbunden ist.
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Das Schaltgetriebe 9 weist als Schaltgetriebeausgang 10 ein Schaltgetriebehohlrad 36 auf, auf dem ein Kupplungskörper 37 in axialer Richtung zu der Rotorwelle 8 verschiebbar angeordnet ist. Das Schaltgetriebehohlrad 36 und der Schaltkörper 37 rotieren im Betrieb um oder mit der Rotorwelle 8. In einer ersten Schaltstellung wird der Kupplungskörper 37 mit einem ersten Kupplungsrad 38 in Wirkverbindung gebracht, sodass Kupplungsrad 38 und Schaltgetriebehohlrad 36 drehfest miteinander gekoppelt sind. Das Kupplungsrad 38 sitzt drehfest auf der Rotorwelle 8, beziehungsweise einer Verlängerung der Rotorwelle 8, sodass der Schaltgetriebeausgang 10 und damit das Kegelrad 35 mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Rotorwelle 8 rotiert. In der ersten Schaltstellung wird somit eine 1:1 Übertragung des Drehmoments durch das Schaltgetriebe 9 umgesetzt.
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In einer zweiten Schaltstellung wird der Kupplungskörper 37 mit einem zweiten Kupplungsrad 39 in Wirkverbindung gebracht, welches mit einem Schaltgetriebeplanetenträger 40 eines weiteren Stirnradplanetengetriebe s 41 gekoppelt ist, wobei das weitere Stirnradplanetengetriebe 41 dem Schaltgetriebe 9 zugeordnet ist. In dem weiteren Stirnradplanetengetriebe 41 ist auf dem Schaltgetriebeplanetenträger 40 ein Schaltgetriebeplanetensatz 42 angeordnet, welcher mit einer umlaufenden Innenverzahnung 43, welche stationär angeordnet ist, kämmt. Die Planeten des Schaltgetriebeplanetensatzes 42 kämmen mit einer Schaltgetriebesonne 44, welche drehfest auf der Rotorwelle 8 angeordnet ist. Durch das weitere Stirnradplanetengetriebe 41 wird die Drehzahl der Rotorwelle 8 untersetzt, sodass die Drehzahl am Schaltgetriebeausgang 10 in der zweiten Schaltstellung des Schaltgetriebes 9 kleiner als die Drehzahl der Rotorwelle 8 ist.
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Die Sonnenräder 32a, b des Querdifferenzials 11 sind jeweils mit einer Verbindungswelle 45a, b drehfest verbunden, welche koaxial zu der Differenzialachse 21 ausgerichtet sind. Um eine Durchführung der Verbindungswellen 45a, b zu erreichen, ist der Planetenträger 30a mit einem Hohlwellenabschnitt 46 mit dem Ausgangsstirnrad 19a verbunden. Durch den Hohlwellenabschnitt 46 werden die Verbindungswellen 45a, b durchgeführt, wobei die Verbindungswelle 45a ebenfalls als eine Hohlwelle ausgebildet ist, so dass in diesem Abschnitt drei Wellen, nämlich der Verbindungsabschnitt 46 und die Verbindungswellen 45a, b koaxial zueinander angeordnet sind.
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An den freien Enden der Verbindungswellen 45a, b sind Kegelräder 48a, b aufgesetzt, welche um die Differenzialachse 21 rotieren. Die Kegelräder 48a, b kämmen mit einem Stellkegelrad 49. Durch die Beaufschlagung eines Stellmoments über das Stellkegelrad 49 auf die Kegelräder 48a, b werden die Sonnenräder 32a, b gegeneinander verdreht und auf diese Weise eine Drehmomentdifferenz an den Querdifferenzialausgängen 13a, b und damit an den angetriebenen Rädern 4a, b beeinflusst. Das Stellmoment kann z. B. für ein aktives Torque-Vectoring eingesetzt werden.
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Das Stellmoment wird durch einen Stellmotor 50 erzeugt, welcher als ein Elektromotor ausgebildet ist. Der Stellmotor 50 nimmt eine Doppelfunktion ein und kann wahlweise zum Antrieb des Stellkegelrads 49 und somit zur Bereitstellung des Stellmoments für das Querdifferenzial 11 verwendet werden oder alternativ hierzu zur Betätigung einer Schaltmechanik 51, welche den Kupplungskörper 37 zwischen den beschriebenen Schaltstellungen wechselt. Um selektiv ein Stellmoment an das Querdifferenzial 11 oder eine Betätigung der Schaltmechanik 51 des Schaltgetriebes 9 zu erreichen, ist eine Stellkupplung 52 vorgesehen, welche zwischen dem Stellmotor 50 und dem Stellkegelrad 49 angeordnet ist und eine Trennung der Drehbewegung des Stellmotors 50 von dem Stellkegelrad 49 durchführen kann. Zudem ist eine Schaltkupplung 53 zwischen dem Stellmotor 50 und der Schaltmechanik 51 vorgesehen, welche eine Drehbewegung des Stellmotors 50 zur Betätigung der Schaltmechanik 51 unterbrechen kann.
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Im Betrieb wird bedarfsgerecht die Stellkupplung 52 oder die Schaltkupplung 53 betätigt, um selektiv die Drehbewegung des Stellmotors 50 auf das Stellkegelrad 49 und damit das Querdifferenzial 11 oder auf die Schaltmechanik 51 zu übertragen.
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Die Übertragung der Drehbewegung des Stellmotors 50 auf die Schaltmechanik 51 erfolgt über eine Übertragungsmechanik 54, welche in diesem Ausführungsbeispiel als ein Gewindetrieb ausgebildet ist. Allgemein kann auch ein anderer Umsetzer von einer Rotationsbewegung in eine Linearbewegung eingesetzt werden. Die Übertragungsmechanik 54 verschiebt bei einer Drehbewegung des Stellmotors 50 einen Mitnehmer 55 in axialer Richtung. Der Kupplungskörper 37 ist mit einem zweiten Mitnehmer 56 drehfest gekoppelt, wobei der Mitnehmer 55 und der zweite Mitnehmer 56 in axialer Richtung miteinander gekoppelt und in Umlaufrichtung um die Achse des Schaltgetriebes 9 entkoppelt sind. Beispielsweise kann zwischen Mitnehmer 55 und zweitem Mitnehmer 56 ein Lager angeordnet sein oder diese beiden Komponenten als Schaltmuffen ausgebildet sein.
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Wie sich aus der Draufsicht in der 1 ergibt, definieren Rotorachse 8, Schaltgetriebeausgang 10 und Kegelrad 35 eine erste Hauptachse H1 und der Rotor des Stellmotors 50 und das Stellkegelrad 49 eine zweite Hauptachse H2. Die Hauptachse H1 und die Hauptachse H2 sind zueinander parallel angeordnet.
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Die 2a bis c zeigen unterschiedliche Einbauvarianten der Antriebsanordnung 6 aus der 1 in dem Fahrzeug 1.
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In der Ausführungsform gemäß der 2a, welche eine schematische Seitenansicht des Fahrzeugs 1 zeigt, sind Abtriebsachse 2, Differenzialachse 21, Kegelrad 35 sowie Schaltgetriebe 9 und Elektromotor 9 in einer gemeinsamen Linie angeordnet, welche der Längserstreckung der Rotorwelle 8 entspricht und parallel zur Längserstreckung L des Fahrzeugs 1 ausgerichtet ist. In dieser Ausführungsform kann durch die Antriebsanordnung 6 eine sehr große Gesamtlänge erreicht werden, um die Komponenten der Antriebsanordnung 6 in dem Fahrzeug 1 weiträumig zu verteilen. Es ist jedoch möglich, durch den Übertragungstrieb 14a, b die Differenzialachse 21 um die Abtriebsachse 23 in einem Kreis 57 zu verschwenken, um andere Anordnungen zu erreichen.
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In der 2b ist eine erste Abwandlung gezeigt, wobei eine Verbindungslinie zwischen der Abtriebsachse 2 und der Differenzialachse 21 gegenüber der Längserstreckung L des Fahrzeugs 1 um einen Winkel alpha = 45 Grad angestellt ist. In dieser Ausgestaltung wird beispielsweise die Bodenfreiheit des Fahrzeugs 1 erhöht, da das Querdifferenzial 11 und die nachfolgenden Komponenten und insbesondere das Schaltgetriebe 9 und der Elektromotor 7 höher angeordnet sind.
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In der 2c ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei die Differenzialachse 21 und damit das Querdifferenzial 11 um einen Anstellwinkel Beta größer 90 Grad angestellt ist, sodass die Antriebsanordnung 6 gefaltet angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung kann die Antriebsanordnung 6 in Längserstreckung L besonders kompakt aufgebaut werden.
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In der 2d ist dargestellt, dass zum einen die Differenzialachse 21 in dem Kreis 57 um die Abtriebsachse 2 nahezu beliebig angeordnet sein kann. Ausgeschlossen sind nur die Einbausituationen, bei denen die Komponenten miteinander kollidieren. Ferner ist dargestellt, dass aufgrund der Kopplung des Kegelrads 35 mit dem Querdifferenzialeingang 10 und der Kopplung des Stellkegelrads 49 mit den Kegelrädern 48a, b das Schaltgetriebe 9 und der nachgelagerte Elektromotor 7 um einen zweiten Anstellwinkel delta um die Differenzialachse 21 verschwenkt werden kann. Dies wird durch die parallel Anordnung der ersten und zweiten Hauptachse H1 und H2 erreicht. Auf diese Weise sind neue Freiheitsgrade der Anordnung möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Abtriebsachse
- 3
- Radachse
- 4a, b
- angetriebene Räder
- 5a, b
- Räder
- 6
- Antriebsanordnung
- 7
- Elektromotor
- 8
- Rotorachse
- 9
- Schaltgetriebe
- 10
- Schaltgetriebeausgang
- 11
- Querdifferenzial
- 12
- Querdifferenzialeingang
- 13a, b
- Querdifferenzialausgänge
- 14a, b
- zweiteiliger Übertragungstrieb
- 15a, b
- Abtriebswellen
- 16
- Kupplung
- 17
- Querdifferenzial
- 18
- Verbrennungsmotor
- 19a, b
- Ausgangsstirnräder
- 20a, b
- Anschlusswellen
- 21
- Differenzialachse
- 22a, b
- Abtriebsstirnräder
- 23
- leer
- 24–29
- leer
- 30a, b
- Planetenträger
- 31a, b
- Planetensätze
- 32a, b
- Sonnenräder
- 33
- Hohlrad
- 34
- Kegelradverzahnung
- 35
- Kegelrad
- 36
- Schaltgetriebehohlrad
- 37
- Kupplungskörper
- 38
- Kupplungsrad
- 39
- Kupplungsrad
- 40
- Schaltgetriebeplanetenträger
- 41
- Stirnradplanetengetriebe
- 42
- Schaltgetriebeplanetensatz
- 43
- Innenverzahnung
- 44
- Schaltgetriebesonne
- 45a, b
- Verbindungswellen
- 46
- Hohlwellenabschnitt
- 48a, b
- Kegelräder
- 49
- Stellkegelrad
- 50
- Stellmotor
- 51
- Schaltmechanik
- 52
- Stellkupplung
- 53
- Schaltkupplung
- 54
- Übertragungsmechanik
- 55
- Mitnehmer
- 56
- zweiter Mitnehmer
- 57
- Kreis
