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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für eine Achse eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Durch die
DE 19841159 C2 ist bereits eine gattungsbildende elektrische Antriebseinheit bekannt. Besagte Antriebseinheit umfasst einen Elektromotor, der als Außenläufermotor ausgebildet ist und über einen Hohlwellenzapfen auf eine Planetengetriebestufe abtreibt. Die Planetengetriebestufe dient der Übersetzung eines vom Elektromotor eingeleiteten Drehmomentes. Der Planetengetriebestufe nachgeschaltet ist ein Kegelraddifferenzial, das mit Antriebsrädern des Kraftfahrzeuges in Wirkverbindung steht. Der Elektromotor ist koaxial zu zumindest einer der Antriebswellen angeordnet. Durch in der
DE 19841159 C2 vorgeschlagene Anordnung kann der Elektromotor in einem hohen Drehzahlbereich arbeiten und demnach kompakt ausgebildet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fahrsicherheit bei Elektro- und Hybridfahrzeugen zu erhöhen und eine Wirkungsgradverbesserung bei derartigen Antrieben zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebseinheit mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit umfasst zunächst einen elektrischen Traktionsmotor mit einer Rotorwelle, ein eingangsseitg mit der Rotorwelle wirkverbundenes Überlagerungsgetriebe zur Wandlung einer Drehzahl der Rotorwelle in einem festen Übersetzungsverhältnis und ein mit einer Ausgangswelle des Überlagerungsgetriebes gekoppeltes Verteilergetriebe mit einem ersten Ausgangsglied, das mit einer ersten Radantriebswelle koppelbar ist, und einem zweiten Ausgangsglied, das mit einer zweiten Radantriebswelle koppelbar ist. Die elektrische Antriebseinheit umfasst somit ein Einganggetriebe, bei dem vorzugsweise die Drehzahl des Traktionsmotors untersetzt wird, um eine möglichst kompakte elektrische Maschine einsetzen zu können.
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Vorzugsweise wird als elektrische Traktionsmaschine eine permanent erregte Synchronmaschine eingesetzt, die sich durch eine hohe Leistungsdichte, verbunden mit einem guten Wirkungsgrad, auszeichnet. Kommt es bei diesem Maschinentyp durch einen Fehler zu einem Wicklungskurzschluss, so erzeugt das von den Permanentmagneten hervorgerufene Wechselfeld durch Induktion in der kurzgeschlossenen Statorwicklung ein Bremsmoment im Luftspalt der Maschine, das ein unerwünschtes und unkontrolliertes Abbremsen des Fahrzeugs zur Folge hat.
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Insbesondere aber nich ausschließlich um dem zu begegnen, weist das Überlagerungsgetriebe eine erste und zweite Getriebestufe auf, wobei die erste Getriebestufe mit der Rotorwelle und die zweite Getriebestufe mit dem Verteilergetriebe verbunden ist und zwischen der ersten und zweiten Getriebestufe eine Kupplung angeordnet ist, mittels derer der Traktionsmotor zusammen mit der ersten Getriebestufe vom Verteilergetriebe an- und abkoppelbar ist. Durch die Abkoppelbarkeit der dynamoelektrischen Maschine kann oben erwähntes unerwünschtes Bremsmoment vermieden werden. Im Falle eines Wicklungskurzschlusses ist die Traktionsmaschine vom Antriebsstrang mittels der Kupplung zu trennen.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass durch die Kupplung nicht nur die elektrische Antriebsmaschine, sondern gleichzeitig auch die hochdrehende erste Getriebestufe vom Antriebsstrang getrennt wird. Hierdurch werden Schleppverluste und Geräusche im Leerlauf reduziert.
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Eine Abkopplung der elektrischen Traktionsmaschine zusammen mit der ersten Getriebestufe vom Antriebsstrang ist auch außerhalb eines Fehlerfalles beispielsweise dann sinnvoll, wenn die elektrische Antriebseinheit in einem Hybridfahrzeug verbaut wird und das Fahrzeug rein verbrennungsmotorisch angetrieben wird. Hierbei werden ein Mitschleppen der elektrischen Traktionsmaschine bzw. der ersten Getriebestufe und somit Reibungsverluste vermieden. Auch bei einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug macht eine Abkopplung der Traktionsmaschine zusammen mit der hochdrehenden Getriebestufe in bestimmten Betriebszuständen Sinn. So können im sogenannten Segelbetrieb Schleppverluste durch Öffnen der erfindungsgemäß vorgesehenen Kupplung vermieden werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird eine besonders kompakte Bauform der elektrischen Antriebseinheit dadurch ermöglicht, dass die Rotorwelle, das Überlagerungsgetriebe, das Verteilergetriebe und die Radantriebswellen eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen. Bei einer derartigen koaxialen Bauform ist die Rotorwelle der Traktionsmaschine zweckmäßigerweise als Hohlwelle ausgebildet, durch die koaxial eine Abtriebswelle des Verteilergetriebes hindurchgeführt wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung sind die beiden Getriebestufen des Überlagerungsgetriebes als Planetensätze ausgebildet. Hierbei ist ein Sonnenrad der ersten Getriebestufe mit der Rotorwelle drehfest gekoppelt, während über die Kupplung ein Planetenträger der ersten Getriebestufe mit einem Sonnenrad der zweiten Getriebestufe koppelbar ist. Das Sonnenrad der ersten Getriebestufe kann hierbei einstückig mit der insbesondere als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle verbunden sein. Alternativ ist eine das Sonnenrad tragende Sonnenwelle mit der Rotorwelle über eine Steckverzahnung verbunden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausgangswelle des Überlagerungsgetriebes ein Planetenträger der zweiten Getriebestufe. Besagte Ausgangswelle ist wiederum drehfest mit der Eingangswelle des Verteilergetriebes wirkverbunden.
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Eine mögliche Ausgestaltung des Verteilergetriebes kann die eines Stirnraddifferenzials mit einem Umlaufgehäuse mit einem darin aufgenommenen ersten und zweiten Stirnrad sein, wobei das Umlaufgehäuse mit dem Planetenträger der zweiten Getriebestufe drehfest verbunden ist, der besagte Ausgangswelle darstellt.
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Alternativ ist eine Ausbildung des Verteilergetriebes als Planetendifferenzial mit einem Hohlrad denkbar. In diesem Fall ist das Hohlrad mit dem Planetenträger der zweiten Getriebestufe drehfest verbunden.
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Die Kupplung zur Verbindung der ersten und zweiten Getriebestufe ist vorteilhafterweise elektromechanisch betätigbar und umfasst eine axial verschiebliche Schiebemuffe. Hierzu ist beispielsweise ein elektrischer Kupplungsmotor vorgesehen, dessen Rotationsbewegung mithilfe eines Kugelgewindetriebs in die axiale Translation der Schiebemuffe umgewandelt wird. Da es sich bei der erfindungsgemäßen Antriebseinheit um eine 1-gängige Lösung handelt, ist die Schiebemuffe lediglich von einer Neutralposition in eine eingerückte Position zu verschieben, in der die Traktionsmaschine in den Antriebsstrang eingekoppelt ist. Im Vergleich, beispielsweise zu einer 2 Gang-Lösung, muss die Schiebemuffe hier nur einen vergleichsweise geringen axialen Weg durchlaufen, wodurch Bauraum in axialer Richtung eingespart wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 Eine Ausführungsform der Erfindung mit einem als Stirnraddifferenzial ausgebildeten Verteilergetriebe und
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2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem als Planetendifferenzial ausgebildeten Verteilergetriebe.
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1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem als Stirnraddifferenzial ausgebildeten Verteilergetriebe 4. Die dargestellte elektrische Antriebseinheit umfasst im Wesentlichen einen elektrischen Traktionsmotor 1, ein Umlaufgetriebe mit einer ersten Getriebestufe 8 und einer zweiten Getriebestufe 9, ein Kupplungssystem, mit dem die erste Getriebestufe 8 mit der zweiten Getriebestufe 9 koppelbar bzw. endkoppelbar ist, sowie das besagte Verteilergetriebe 4, welches das vom Traktionsmotor 1 erzeugte Drehmoment schließlich auf eine linke und rechte Radantriebswelle übertragen soll.
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Die elektrische Antriebseinheit zeichnet sich durch eine koaxiale Bauform aus. Dies bedeutet, dass der Traktionsmotor 1, das Umlaufgetriebe und das Verteilergetriebe 4 eine gemeinsame Rotationsachse 11 aufweisen. Der Traktionsmotor 1 ist eine permanent erregte Synchronmaschine mit Innenläufer. Der mit Permanentmagneten bestückte Rotor des Traktionsmotors 1 umfasst eine Hohlwelle 2, durch die ein erstes Ausgangsglied 6 des Verteilergetriebes 4, welches mit einer Radantriebswelle gekoppelt werden kann, zentral hindurchgeführt wird. Die Drehzahl des Traktionsmotors 1 wird durch das Umlaufgetriebe untersetzt. Hierdurch kann die gewünschte Leistung der elektrischen Antriebseinheit durch eine elektrische Maschine mit vergleichsweise geringer Achshöhe erreicht werden, da die Achshöhe bzw. der Rotordurchmesser mit steigendem maximalem Drehmoment der elektrischen Maschine ebenfalls steigt.
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Mit der Rotorwelle 2 drehfest wirkverbunden ist ein Sonnenrad 12 der ersten Getriebestufe 8. Die erste Getriebestufe 8 wie auch die zweite Getriebestufe 9 sind mithin als Planetensätze ausgebildet. Das Sonnenrad 12 des ersten Planetensatzes kämmt mit einem Planetenrad, welches sich auf einem Planetenträger 13 der ersten Getriebestufe 8 befindet. Besagtes Planetenrad 21 kämmt mit einem Hohlrad 22. Dieses stützt sich gegenüber einem Lagerschild 23 des Traktionsmotors 1 ab und leigt demnach fest.
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Zwischen der ersten und zweiten Getriebestufe 8, 9 befindet sich ein Kupplungssystem, welches eine Wirkverbindung zwischen den beiden Getriebestufen 8 und 9 erzeugen und auflösen kann. Bei der Kupplung 10 handelt es sich um eine elektromechanisch betätigbare Kupplung 10. Hierzu umfasst diese einen Kupplungsmotor 20, der über einen Kugelgewindetrieb 24 eine Schiebemuffe 19 in Richtung der Rotationsachse 11 axial verschieben kann. Mittels der Schiebemuffe 19 kann eine form- und/oder reibschlüssige Verbindung zwischen dem Planetenträger 13 der ersten Getriebestufe 8 und einem Sonnenrad 14 der zweiten Getriebestufe 9 hergestellt werden bzw. im Neutralgang aufgelöst werden. Befindet sich die elektrische Antriebseinheit in Neutralstellung, so ist die dargestellte Schiebemuffe 19 nach rechts aus ihrem Eingriff mit dem Planetenträger 13 ausgerückt. Demnach sind der Traktionsmotor 1 und die schnell drehende erste Getriebestufe 8 vom Antriebssystem entkoppelt und müssen nicht mitgeschleppt werden. Im eingekoppelten Zustand befindet sich die Schiebemuffe 19 an einem linken Anschlag, sodass das Drehmoment der Traktionsmaschine vom Planetenträger 13 auf das Sonnenrad 14 übertragen wird. Das Sonnenrad 14 kämmt mit einem Planetenrad 25, welches auf einem Planetenträger der zweiten Getriebestufe 9 gelagert ist, der gleichzeitig die Ausgangswelle 3 des Überlagerungsgetriebes darstellt. Das Planetenrad 25 kämmt schließlich mit einem stillstehenden Hohlrad 26 des zweiten Planetensatzes.
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Das Planetendifferenzial umfasst ein Umlaufgehäuse 15 mit darin aufgenommenen ersten und zweiten Stirnrädern 16, 17. Dieses Umlaufgehäuse 15 ist mit dem Planetenträger der zweiten Getriebestufe 9 drehfest verbunden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Kegelraddifferenzial zeichnet sich das dargestellte Stirnraddifferenzial 15 durch deutlich vermindertes Gewicht und eine kompaktere Bauform aus. Die beiden Stirnräder 16 und 17 sind jeweils drehfest mit einer Ausgangswelle des Stirnraddifferenzials verbunden. Über das Umlaufgehäuse 15 wird das Drehmoment in das Stirnraddifferenzial eingeleitet. Planetenräder 27 und 28 sind am Umlaufgehäuse drehbar gelagert und kämmen sowohl mit den Stirnrädern 16, 17 als auch untereinander.
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2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem als Planetendifferenzial ausgebildeten Verteilergetriebe 5. Bis auf die Ausgestaltung des Verteilergetriebes 5 unterscheidet sich die hier dargestellte elektrische Antriebseinheit nicht von der in 1 gezeigten. Die Ausgangswelle 3 des Überlagerungsgetriebes ist hierbei mit einem Hohlrad 18 des Planetendifferenzials drehfest verbunden. Das Hohlrad 18 kämmt mit einem ersten Satz Planetenräder des Planetenraddifferenzials, von dem in der Zeichnung ein Planetenrad 29 zu erkennen ist. Das Planetenrad 29 ist auf einem Planetenträger 31 gelagert, der das erste Ausgangsglied 6 des Verteilergetriebes 5 darstellt. Ferner kämmt das Planetenrad 29 mit einem Planetenrad 30, welches auf einem weiteren Planetenträger 32 gelagert ist, der ebenfalls drehfest mit dem ersten Ausgangsglied 6 in Wirkverbindung steht. Das Planetenrad 30 kämmt mit einem Sonnenrad 33 des Planetendifferenzials, welches auf das zweite Ausgangsglied 7 des Verteilergetriebes 5 abtreibt.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen beschränkt. So ist beispielsweise auch eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Kegelraddifferenzial möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Traktionsmotor
- 2
- Rotorwelle
- 3
- Ausgangswelle
- 4, 5
- Verteilergetriebe
- 6
- erstes Ausgangsglied
- 7
- zweites Ausgangsglied
- 8
- erste Getriebestufe
- 9
- zweite Getriebestufe
- 10
- Kupplung
- 11
- Rotationsachse
- 12
- Sonnenrad der ersten Getriebestufe
- 13
- Planetenträger der ersten Getriebestufe
- 14
- Sonnenrad der zweiten Getriebestufe
- 15
- Umlaufgehäuse
- 16
- erstes Stirnrad
- 17
- zweites Stirnrad
- 18
- Hohlrad
- 19
- Schiebemuffe
- 20
- Kupplungsmotor
- 21, 25, 27, 28, 29, 30
- Planetenrad
- 22, 26
- Hohlrad
- 23
- Lagerschild
- 24
- Kugelgewindetrieb
- 31, 32
- Planetenträger des Planetendifferenzials
- 33
- Sonnenrad des Planetendifferenzials
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19841159 C2 [0002, 0002]
