DE102014101713A1 - Elektrische Portalachse zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Portalachse (1) zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, mit zwei Stirnradstufen (13, 14) zum Antrieb von zwei Rädern der Achse. Bei einer derartigen Portalachse ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Portalachse (1) eine einzige Elektromaschine (2), der ein schaltbares Getriebe (5) mit Freilauf (6) und ein Differential in (7) nachgeordnet sind, und ein Gehäuse (28) aufweist, wobei das schaltbare Getriebe (5) als Planetengetriebe ausgebildet ist, sowie zum Schalten zweier Gangstufen der Portalachse (1) diese ein Schaltmittel (23) aufweist, wobei in einer ersten Gangstufe ein Hohlrad (9) des Getriebes (5) und ein gehäusefester Kupplungskörper (27) verbunden sind und eine Kupplung (29) zwischen Hohlrad (9) und einem Planetenträger (11) des Getriebes (5) geöffnet ist, sowie in einer zweiten Gangstufe das Hohlrad (9) und der gehäusefeste Kupplungskörper (27) getrennt sind und die Kupplung (29) geschlossen ist. Mit einer derart gestalteten Portalachse ist ein rein elektrischer Betrieb des Fahrzeugs in zwei Gangstufen möglich.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Portalachse zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges, mit zwei Stirnradstufen zum Antrieb von zwei Rädern der Achse.
  • Eine derartige elektrische Portalachse ist aus der DE 10 2009 036 299 A1 bekannt. Diese Portalachse weist zwei Elektromaschinen auf, wobei im Bereich der beiden Enden der Portalachse jeweils ein Rad drehbar gelagert ist und jedes Rad mittels eines Rotors der diesem zugeordneten Elektromaschine antreibbar ist. Zwischen der jeweiligen Elektromaschine und dem dieser zugeordneten Rad ist ein Untersetzungsgetriebe angeordnet, das als Stirnradstufe ausgebildet ist. Die Eingangswelle der jeweiligen Stirnradstufe ist näher dem Boden angeordnet, auf dem das Fahrzeug steht, als die Ausgangswelle der Stirnradstufe. Demzufolge ist der Bereich zwischen den Stirnradstufen tiefergelegt, sodass die Elektromaschinen gegenüber dem Unterboden des Kraftfahrzeuges tiefergelegt sind, mit der Folge der Absenkung des Schwerpunktes des Kraftfahrzeuges.
  • Eine elektrische Portalachse kann grundsätzlich auch derart gestaltet sein, dass der Bereich zwischen den Stirnradstufen nicht tiefergelegt, sondern erhöht ist, sodass das Kraftfahrzeug insbesondere im Gelände bevorzugt eingesetzt werden kann.
  • Elektrisch antreibbare Fahrzeuge, die Portalrahmen aufweisen, sind ferner aus der US 6,843,750 B1 , US 6,978,853 B2 und US 7,350,602 B2 bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zweistufig schaltbare elektrische Portalachse zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges zu schaffen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch eine elektrische Portalachse, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Portalachse weist eine einzige Elektromaschine, ferner ein schaltbares Getriebe mit Freilauf und Differential auf. Der einzigen Elektromaschine sind das Getriebe mit Freilauf und Differential nachgeordnet. Ferner weist die Portalachse die beiden Stirnradstufen zum Antrieb der beiden Räder der Achse sowie ein Gehäuse auf. Das schaltbare Getriebe ist als Planetengetriebe ausgebildet. Zum Schalten zweier Gangstufen der Portalachse weist diese ein Schaltmittel auf. In einer ersten Gangstufe sind ein Hohlrad des Planetengetriebes und ein gehäusefester Kupplungskörper verbunden und es ist eine Kupplung zwischen Hohlrad und einem Planetenträger des Planetengetriebes geöffnet. In einer zweiten Gangstufe sind das Hohlrad und der gehäusefeste Kupplungskörper getrennt und die Kupplung geschlossen.
  • Die Kupplung ist vorzugsweise als reibschlüssig wirksame Kupplung ausgebildet. Die Kupplung lässt sich somit bei sehr kompakter Bauform bzw. Bauweise verwirklichen. Vorzugsweise ist die Kupplung als Lamellenkupplung ausgebildet.
  • Von besonderem Vorteil ist es, wenn während des Schaltvorgangs die Leistung der Elektromaschine über den Freilauf übertragen wird und nach dem Schließen der Kupplung der Freilauf überholt und die Leistung der Elektromaschine über die Kupplung übertragen wird. Demzufolge ermöglicht die elektrische Portalachse ein lastschaltbares 2-Gang-Getriebe.
  • Die Portalachse ist insbesondere derart gestaltet, dass in der ersten Gangstufe das Hohlrad in Zugrichtung über den Freilauf und in Schubrichtung über den Kupplungskörper gehäusefest ist. In der zweiten Gangstufe ist vorzugsweise das Hohlrad vom Kupplungskörper getrennt und die Kupplung geschlossen sowie der Freilauf entsperrt.
  • Unter dem Aspekt eines optimalen Kraftflusses ist bei dem Planetengetriebe vorgesehen, dass der Abtrieb über den Planetenträger zum Differential erfolgt.
  • Das Schaltmittel ist insbesondere eine Schaltmuffe. Diese weist vorzugsweise gleichzeitig die Funktion des äußeren Lamellenträgers der Lamellenkupplung auf.
  • Die elektrische Portalachse ist vorzugsweise derart gestaltet, dass die einzige Elektromaschine, das Planetengetriebe, der Freilauf, das Differential und die beiden Stirnradstufen innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind. Demzufolge stellt sich die elektrische Portalachse als Baueinheit dar.
  • Mittels der elektrischen Portalachse sind die Räder der Achse vorzugsweise über Gelenkwellen antreibbar.
  • Die Erfindung schlägt somit für eine elektrische Portalachse ein lastschaltbares 2-Gang-Getriebe in Planeten-Stirnrad-Bauweise vor, sodass ein rein elektrischer Antrieb in portaler Bauweise verwirklicht ist. Die Schaltung erfolgt hierbei über nur einen Aktuator – das Schaltmittel –. Die Elektromaschine kann in beiden Gängen rekuperieren. Gegenüber 1-Gang-Varianten ergibt sich nur ein geringfügig höherer Bauaufwand. Insgesamt zeichnet sich die erfindungsgemäße Portalachse durch eine sehr kompakte Bauform bzw. Bauweise aus. Dieses 2-Gang-Konzept stellt eine optimierte Performance und Effizienz gegenüber 1-Gang-Konzepten dar.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung der in der Zeichnung wiedergegebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiele, ohne hierauf beschränkt zu sein.
  • Es zeigt:
  • 1 eine Prinzipskizze der elektrischen Portalachse zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges,
  • 2 die nach dem Prinzip gemäß 1 arbeitende elektrische Portalachse,
  • 3 betreffend die Darstellung der elektrischen Portalachse nach 2, deren Schaltbereich in vergrößerter Darstellung,
  • 4 in einer Prinzipskizze den die Schaltung der elektrischen Portalachse aufweisenden Bereich der elektrischen Portalachse, veranschaulicht für die geschaltete erste Gangstufe,
  • 5 die Prinzipskizze gemäß 4, veranschaulicht für den Schaltvorgang von erster Gangstufe zu zweiter Gangstufe,
  • 6 die Prinzipskizze gemäß der 4 und 5, veranschaulicht für die geschaltete zweite Gangstufe.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der elektrischen Portalachse 1 zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges. Die Portalachse 1 weist eine einzige Elektromaschine 2 auf, die in Querrichtung des Fahrzeugs eingebaut ist. Ein Stator der Elektromaschine 2 ist mit der Bezugsziffer 3, ein Rotor der Elektromaschine 2 mit der Bezugsziffer 4 bezeichnet. Der Elektromaschine 2 ist ein schaltbares Planetengetriebe 5 mit einem Freilauf 6 und einem Differential 7 nachgeordnet. Betreffend das Planetengetriebe 5 sind ein inneres Sonnenrad 8, ein äußeres Hohlrad 9 und mit Sonnenrad 8 und Hohlrad 9 kämmende Planetenräder 10 veranschaulicht. Die Planetenräder 10 sind in einem Planetenträger 11 gelagert. Das Sonnenrad 8 ist drehfest mit einer rotorseitigen Abtriebswelle 12 der Elektromaschine 2 verbunden. Das Hohlrad 9 wirkt mit dem Freilauf 6 zusammen.
  • Der Planetenträger 11 wirkt mit dem Differential 7 zusammen. Über dieses Differential 7 sind die rechte und die linke Seite des Abtriebs angebunden. Hierbei ist auf jeder Abtriebsseite eine Stirnradstufe 13 bzw. 14 vorgesehen. Die auf der rechten Abtriebsseite angeordnete Stirnradstufe 13 ist im Bereich eines Zahnrads 15 relativ geringen Durchmessers mit einer differentialseitigen Abtriebswelle 16 verbunden. Mit dem Zahnrad 15 kämmt ein Zahnrad 17 der Stirnradstufe 13. Dieses Zahnrad 17 ist drehfest mit einer Abtriebswelle 18 verbunden und weist einen größeren Durchmesser als das Zahnrad 15 auf. Nicht gezeigt ist eine Gelenkwelle, die drehfest mit der Abtriebswelle 18 verbunden ist und dem Antrieb eines gleichfalls nicht gezeigten Rades auf der rechten Seite des Fahrzeugs dient.
  • Auf der der Abtriebswelle 16 für die Stirnradstufe 13 abgewandten Seite des Differentials 7 ist eine Abtriebswelle 19 für die linke Stirnradstufe 14 angeordnet. Diese differentialseitige Abtriebswelle 19 durchsetzt die Abtriebswelle 12, die mit dem Rotor 4 der Elektromaschine 2 verbunden ist. Entsprechend der Ausbildung der rechten Stirnradstufe 13 ist die linke Stirnradstufe 14 gestaltet und weist damit ein kleineres Zahnrad 20, ein mit diesem kämmendes größeres Zahnrad 21 und eine Abtriebswelle 22 auf. Die Abtriebswelle 22 wirkt mit einer gleichfalls nicht veranschaulichten Gelenkwelle zusammen, die dem Antrieb des auf der linken Seite befindlichen Rades dieser Achse dient.
  • Die Stirnradstufen, die als Untersetzungsgetriebe ausgebildet sind, ermöglichen ein Tieferlegen der Elektromaschine gegenüber dem Unterboden des Kraftfahrzeugs und somit eine Absenkung des Schwerpunkts des Kraftfahrzeugs.
  • Die elektrische Portalachse 1 weist zum Schalten zweier Gangstufen der Portalachse 1 ein Schaltmittel auf, das als Schaltmuffe 23 ausgebildet ist. Eine Schaltaktuatorik 24 dient dem Schalten der Schaltmuffe 23 in Achsrichtung der Abtriebswelle 12 der Elektromaschine 2. Die Schaltmuffe 23 weist im Bereich ihres dem Hohlrad 9 zugewandten Endes eine Schiebeansatz 25 auf, der mit einer am äußeren radialen Umfang des Hohlrads 9 angeordneten Führungsmuffe 26 zusammenwirkt, derart, dass die Schaltmuffe 23 und damit der Schiebeansatz 25 in Axialrichtung, demnach in Axialrichtung des Hohlrads 9 relativ zu diesem verschieblich, aber drehfest mit diesem verbunden ist. Im Bereich des dem Hohlrad 9 abgewandten Endes ist die Schaltmuffe 23 mit einem Kupplungskörper 27 verbindbar, der mit einem Gehäuse 28 der Portalachse 1 fest verbunden ist. Ferner ist eine Kupplung 29, die als Lamellenkupplung ausgebildet ist, zwischen dem Hohlrad 9, konkret der drehmomentübertragend mit dem Hohlrad 9 verbundenen Schaltmuffe 23, und dem Planetenträger 11 angeordnet.
  • 2 veranschaulicht die in 1 in der Prinzipskizze dargestellten Komponenten der elektrischen Portalachse 1 in einer konkreten Ausführungsform. Insofern sind in der 2 die Bauteile, die mit denjenigen gemäß 1 übereinstimmen, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Insbesondere ist das Hohlrad 9 mit Führungsmuffe 26 und Rücklaufsperre, die den Freilauf 6 bildet, und die Schaltmuffe 23 einschließlich der äußeren Lamellen 30 der Kupplung 29 veranschaulicht. Des Weiteren ist der Planetenträger 11 einschließlich der inneren Lamellen 31 der Kupplung 29 und der Eingang des Differentials 7 gezeigt. Schließlich ist der Kupplungskörper 27, der gehäusefest ist, einschließlich Backlashcontrol (Umschlagspiel-Steuerung) veranschaulicht.
  • 3 zeigt den eigentlichen Schaltbereich der elektrischen Portalachse 1 gemäß 2 in einer vergrößerten Darstellung.
  • Die 4 bis 6 zeigen die unterschiedlichen Schaltzustände der in zwei Gangstufen schaltbaren Portalachse:
    4 veranschaulicht den Schaltzustand bei erster Gangstufe. In dieser ist das Hohlrad 9 des Planetengetriebes 5 und der gehäusefeste Kupplungskörper 27 fest verbunden wobei die Kupplung 29 geöffnet ist. Die Übersetzungsbildung erfolgt über das Planetengetriebe 5. In Zugrichtung ist das Hohlrad 9 über den Freilauf 6 und in Schubrichtung über den Kupplungskörper 27 gehäusefest. Damit ist in Schubrichtung eine Rekuperation möglich. Der Abtrieb erfolgt über den Planetenträger 11 zum Differential 7 und von dort über die Abtriebswelle 16 zur Stirnradstufe 13 und über die die Abtriebswelle 19 zur Stirnradstufe 14. Über die Stirnradstufen 13, 14 werden die Räder der Achse angetrieben.
  • 5 veranschaulicht den Schaltvorgang beim Schalten von der ersten Gangstufe in die zweite Gangstufe. Hierbei wird über die Schaltaktuatorik 24 die Verbindung von Hohlrad 9 und Kupplungskörper 27 getrennt. Die Übertragung des Antriebsmoments erfolgt über den Freilauf 6. Es wird die Kupplung 29 geschlossen, wobei der Kisspoint der Kupplung 29 bei Annäherung deren äußeren und inneren Lamellen reibschlüssig angefahren wird. Die Kupplung 29 wird reibschlüssig geschlossen und hierbei der Freilauf 6 überholt. Dies geschieht bei Drehzahlanpassung der Elektromaschine 2. Es erfolgt der Leistungsfluss über die Kupplung 29 reibschlüssig.
  • 6 veranschaulicht den Zustand bei eingelegter zweiter Gangstufe. Hierbei ist das Hohlrad 9 vom Kupplungskörper 27 getrennt und es ist die Kupplung 29 reibschlüssig zwischen Hohlrad 9 und Planetenträger 11 geschlossen. Der Freilauf 6 ist entsperrt, da ein Innenring des Freilaufs einen Außenring des Freilaufs überholt. In dieser zweiten Gangstufe ist eine Rekuperation möglich. Der Abtrieb erfolgt über den Planetenträger 11 zum Differential 7.
  • Es wird somit eine elektrische Portalachse 1 zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, bei der während des Schaltvorgangs die Leistung der Elektromaschine 2 über den Freilauf 6 übertragen wird und nach dem Schließen der Kupplung 29 der Freilauf 6 überholt und die Leistung der Elektromaschine 2 über die Kupplung 29 übertragen wird. In der ersten Gangstufe ist das Hohlrad 9 in Zugrichtung über den Freilauf 6 und in Schubrichtung über den Kupplungskörper 27 gehäusefest. In der zweiten Gangstufe ist das Hohlrad 9 vom Kupplungskörper 27 getrennt und es ist die Kupplung 29 geschlossen, sowie der Freilauf 6 entsperrt. Der Schaltaktuator 24 dient dem axialen Verschieben des Schaltmittels 23 bzw. der Schaltmuffe 23. Das Schaltmittel 23 ist mittels des Kupplungskörpers 27 bezüglich Rotation festlegbar und es ist das Schaltmittel 23 bezüglich Rotation in dem Hohlrad 9 festgelegt und axial zum Hohlrad 9 verschieblich.
  • Die Elektromaschine 2, das Planetengetriebe 5, der Freilauf 6, das Differential 7 und die beiden Stirnradstufen 13, 14 sind innerhalb des gemeinsamen Gehäuses 28 angeordnet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Elektrische Portalachse (1) zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, mit zwei Stirnradstufen (13, 14) zum Antrieb von zwei Rädern der Achse, dadurch gekennzeichnet, dass die Portalachse (1) eine einzige Elektromaschine (2), der ein schaltbares Getriebe (5) mit Freilauf (6) und ein Differential in (7) nachgeordnet sind, und ein Gehäuse (28) aufweist, wobei das schaltbare Getriebe (5) als Planetengetriebe ausgebildet ist, sowie zum Schalten zweier Gangstufen der Portalachse (1) diese ein Schaltmittel (23) aufweist, wobei in einer ersten Gangstufe ein Hohlrad (9) des Getriebes (5) und ein gehäusefester Kupplungskörper (27) verbunden sind und eine Kupplung (29) zwischen Hohlrad (9) und einem Planetenträger (11) des Getriebes (5) geöffnet ist, sowie in einer zweiten Gangstufe das Hohlrad (9) und der gehäusefeste Kupplungskörper (27) getrennt sind und die Kupplung (29) geschlossen ist.
  2. Portalachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (29) als reibschlüssig wirksame Kupplung ausgebildet ist.
  3. Portalachse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schaltvorgangs die Leistung der Elektromaschine (2) über den Freilauf (6) übertragen wird und nach dem Schließen der Kupplung (29) der Freilauf (6) überholt und die Leistung der Elektromaschine (2) über die Kupplung (29) übertragen wird.
  4. Portalachse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Gangstufe das Hohlrad (9) in Zugrichtung über den Freilauf (6) und in Schubrichtung über den Kupplungskörper (27) gehäusefest ist.
  5. Portalachse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweite Gangstufe das Hohlrad (9) vom Kupplungskörper (27) getrennt und die Kupplung (29) geschlossen sowie der Freilauf (6) entsperrt ist.
  6. Portalachse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrieb über den Planetenträger (11) zum Differential (7) erfolgt.
  7. Portalachse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (23) als Schaltmuffe ausgebildet ist.
  8. Portalachse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (2), das Getriebe (5), der Freilauf (6), das Differential (7) und die beiden Stirnradstufen (13, 14) innerhalb des Gehäuses (28) angeordnet sind.
  9. Portalachse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Räder der Achse (1) mittels Gelenkwellen antreibbar sind.
  10. Portalachse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltaktuator (24) zum axialen Verschieben des Schaltmittels (23) vorgesehen ist, wobei das Schaltmittel (23) mittels des Kupplungskörpers (27) bezüglich Rotation festlegbar ist und das Schaltmittel (23) bezüglich Rotation in dem Hohlrad (9) festgelegt und axial zum Hohlrad (9) verschieblich ist.
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