DE102014109776A1

DE102014109776A1 - Elektrisch angetriebene Achse in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014109776A1
Application number: DE102014109776.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Knoblauch; Falk Heilfort; Wael Mohamed
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Achse (1) in einem Kraftfahrzeug, mit einer einzigen Elektromaschine (2), die über ein Getriebe (3) mit einem Achsdifferential (4) in Eingriff steht, zum Antrieb von Rädern (6) der Achse (1). Bei einer solchen elektrisch angetriebenen Achse ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Getriebe (3) einen Freilauf mit mechanischer Sperre (17) und eine Trennkupplung (22) zur Realisierung einer Gangschaltung mit zwei schaltbaren Gängen aufweist, wobei beide Enden (9, 10) einer Achse (7) der Elektromaschine (2) jeweils mit einem Zahnrad (11, 12) des Getriebes (3) verbunden sind. Eine derartig elektrisch angetriebene Achse benötigt bei einfacher Bauweise nur einen relativ geringen Bauraum im Bereich von Elektromaschine und Getriebe.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Achse in einem Kraftfahrzeug, mit einer einzigen Elektromaschine, die über ein Getriebe mit einem Achsdifferential in Eingriff steht, zum Antrieb von Rädern der Achse.
Kraftfahrzeuge mit einer derart elektrisch angetriebenen Achse, insbesondere Kraftfahrzeuge, sind aus der Praxis bekannt.
In der US 2013/0319149 A1 ist ein Zweigang-Schaltgetriebe zur Verwendung im Zusammenhang mit einer Elektromaschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs bekannt. Hierbei weist das Getriebe einen Freilauf mit mechanischer Sperre und eine Trennkupplung zur Realisierung der Gangschaltung mit den zwei schaltbaren Gängen auf. Die Anbindung des Getriebes an die Elektromaschine erfolgt im Bereich einer einzigen Eingangswelle des Getriebes. Diese Anordnung bedingt, dass die Elektromaschine neben dem Getriebe angeordnet ist. Dies erfordert einen relativen großen Bauraum im Bereich von Elektromaschine und Getriebe.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrisch angetriebene Achse der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei einfacher Bauweise nur ein relativ geringer Bauraum im Bereich von Elektromaschine und Getriebe erforderlich ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine elektrisch angetriebene Achse in einem Kraftfahrzeug, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
Bei der elektrisch angetriebenen Achse ist somit erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Getriebe einen Freilauf mit mechanischer Sperre und eine Trennkupplung zur Realisierung einer Gangschaltung mit zwei schaltbaren Gängen aufweist. Hierbei sind beide Enden einer Achse der Elektromaschine jeweils mit einem Zahnrad des Getriebes versehen.
Bei der derart gestalteten, elektrisch angetriebenen Achse erfolgt die Momenteneinleitung von der Elektromaschine in das Getriebe somit nicht über ein Ende einer Achse der Elektromaschine, sondern über die beiden Enden der Achse der Elektromaschine. Dies ermöglicht es, die Anordnung von Elektromaschine und Getriebe wesentlich kompakter zu gestalten, weil die Elektromaschine nicht neben dem Getriebe angeordnet ist, sondern die Elektromaschine zumindest zwischen Bestandteilen des Getriebes angeordnet ist.
Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das Getriebe zumindest im Bereich von mit der Achse der Elektromaschine zusammenwirkenden Getriebeteilen symmetrisch aufgebaut ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Getriebe weitgehend symmetrisch aufgebaut ist.
In einem ersten Gang ist vorzugsweise die Trennkupplung geöffnet und es erfolgt der Kraftschluss zwischen Elektromaschine und dem Achsdifferential bei mechanischer Sperre des Freilaufs. Im zweiten Gang ist die Kupplung geschlossen und die mechanische Sperre entsperrt, sodass der Freilauf wirksam ist. Baulich besonders einfach und platzsparend ist die Anordnung von Elektromaschine und Getriebe dann im Bereich der Elektromaschine gestaltet, wenn die Zahnräder der Achse der Elektromaschine mit weiteren Zahnrädern des Getriebes in Eingriff stehen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Zahnräder der Achse der Elektromaschine mit den weiteren Zahnrädern des Getriebes bei identischen Übersetzungsverhältnissen in Eingriff stehen. Vorzugsweise sind die Zahnräder der Achsen der Elektromaschine identisch ausgebildet. Die vorgenannten Gestaltungen ermöglichen einen weitgehend symmetrischen Aufbau des Getriebes.
Vorzugsweise sind die Zahnräder der Achsen der Elektromaschine als Stirnräder ausgebildet. Somit kann der Bereich neben der Elektromaschine, der von dem Getriebe eingenommen wird, recht schmal gestaltet werden. Dies trägt gleichfalls dazu bei, den Bauraum im Bereich von Elektromaschine und Getriebe zu optimieren.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die als Stirnräder ausgebildeten Zahnräder der Achse der Elektromaschine mit Stirnrädern von zwei weiteren Achsen des Getriebes kämmen, wobei eine erste der weiteren Achsen mit dem Freilauf mit mechanischer Sperre und eine zweite der weiteren Achsen mit der Trennkupplung zusammenwirkt. Eine derartige Gestaltung zeichnet sich durch einen sehr weitgehend realisierbaren symmetrischen Aufbau der Anordnung von Elektromaschine und Getriebe aus.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Getriebe ein als Planetengetriebe ausgebildetes Teilgetriebe aufweist, wobei mit dem Planetengetriebe der Freilauf mit mechanischer Sperre zusammenwirkt. Insbesondere wirkt der Freilauf mit mechanischer Sperre mit einem Hohlrad des Planetengetriebes zusammen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die mechanische Sperre bei geöffneter Kupplung das Hohlrad blockiert, und dass bei geschlossener Kupplung der Freilauf wirksam ist. Somit ist bei geschlossener Kupplung das Hohlrad nicht blockiert. Baulich ist das Planetengetriebe vorzugsweise derart gestaltet, dass in einem Motorbetrieb der Elektromaschine der Momentenfluss unmittelbar von Planetenrädern des Planetengetriebes zum Achsdifferential erfolgt.
Die Elektromaschine kann sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb betrieben werden. Somit dient die Elektromaschine in dem einen Fall dem Antrieb der Räder – Laufräder – und es treiben im anderen Fall, beim Abbremsen des Fahrzeugs, die Laufräder die Elektromaschine an, womit diese im Generatorbetrieb arbeitet.
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 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Achse, veranschaulicht in einer schematischen Darstellung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Achse, veranschaulicht in einer schematischen Darstellung.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine elektrisch angetriebene Achse 1 eines Kraftfahrzeugs, bei dem es sich insbesondere um einen Personenkraftwagen handelt. Diese elektrisch angetriebene Achse 1 weist eine einzige Elektromaschine 2, die im Motor- und Generatorbetrieb betrieben werden kann, ein Getriebe 3, ein Achsdifferential 4, Achswellen 5 und zwei Räder 6 des Fahrzeugs, somit Laufräder auf. Die Elektromaschine 2 steht über das Getriebe 3 in Eingriff mit dem Achsdifferential 4, zum Antrieb der Räder 6 der elektrisch angetriebenen Achse 1.
Eine Achse 7 der Elektromaschine, wobei es sich bei dieser Achse 7 um eine Rotorwelle der Elektromaschine 2 handelt, ist beidendig über ein Gehäuse 8 der Elektromaschine 2 hinaus verlängert, wobei diese beiden Enden mit den Bezugsziffern 9 und 10 bezeichnet sind. Mit der Achse 7 sind im Bereich der beiden Enden 9, 10 identische Zahnräder 11, 12, die als Stirnräder ausgebildet sind, drehfest verbunden. Diese Zahnräder 11 und 12 kämmen mit identischen Zahnrädern 13, 14, die gleichfalls als Stirnräder ausgebildet sind. Das Zahnrad 13 ist drehfest mit einer Welle 15, das Zahnrad 14 drehfest mit einer Welle 16 verbunden. Die Wellen 15 und 16 sind auf derselben Achse angeordnet und parallel zur Achse 7 positioniert. Bezogen auf die bislang erfolgte Beschreibung des Getriebes 3 ist dieses symmetrisch ausgebildet, bezogen auf eine Symmetrieebene senkrecht zur Achse 7 der Elektromaschine 2.
Im Bereich des dem Zahnrad 13 abgewandten Endes der Welle 15 ist in dieser, über einen Freilauf mit mechanischer Sperre, insgesamt mit der Bezugsziffer 17 bezeichnet, ein Zahnrad 18 gelagert. Dieses Zahnrad 18 kämmt mit einem Zahnrad 19, das gleichfalls als Stirnrad ausgebildet ist. Dieses Zahnrad 19 ist fest mit einer Welle 20 verbunden. Das Zahnrad 19 kämmt mit einem Eingangszahnrad 21 des Achsdifferentials 4.
Die Welle 16 ist mittels einer Trennkupplung 22 mit einer Welle 23 koppelbar. Die Wellen 16 und 23 weisen dieselbe Drehachse auf. Mit der Welle 23 ist drehfest ein Zahnrad 24, das als Stirnrad ausgebildet ist, verbunden. Dieses Zahnrad 24 kämmt mit einem Zahnrad 25, das gleichfalls als Stirnrad ausgebildet ist. Dieses Zahnrad 25 ist fest mit der Welle 20 verbunden.
Unter Berücksichtigung der vorgenannten Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels ergeben sich für die elektrisch betriebene Achse 1 folgende Schaltzustände:
In einem ersten Gang ist die Trennkupplung 22 geöffnet. Im Motorbetrieb der Elektromaschine 2 wird über das Ende 9 der Achse 7, somit das Ende 9 der Rotorwelle, das Zahnrad 11 angetrieben und über dieses das Zahnrad 13. In diesem Gang befindet sich der Freilauf mit mechanischer Sperre 17 in der gesperrten Stellung, sodass über die Welle 15 das Zahnrad 18 angetrieben wird, das seinerseits das Zahnrad 19 antreibt. Über dieses Zahnrad 19 wird das Eingangszahnrad 21 des Achsdifferentials 4 angetrieben und über Letztgenanntes die Achswellen 5 und damit die Räder 6 des Kraftfahrzeugs. – Im zweiten Gang ist die Trennkupplung 23 geschlossen, womit der Momentenfluss über das andere Ende 10 der Achse 7 bzw. Rotorwelle, das Zahnrad 12, das Zahnrad 14, die Welle 16, die geschlossene Trennkupplung 22, die Welle 23, das Zahnrad 24, das Zahnrad 25, die Welle 20, das Zahnrad 19 zum Eingangszahnrad 21 des Achsdifferentials 4 führt und von dort über die Achswellen 5 zu den Rädern 6. In diesem Gang befindet sich der Freilauf mit mechanischer Sperre 17 in der Funktion des Freilaufs, somit bei entsperrter mechanischer Sperre. Beim Schließen der Trennkupplung 23 wird aufgrund der veränderten, höheren Rotationsgeschwindigkeit der Welle 20 und damit des Zahnrads 19 die mechanische Sperre aktiviert und der Freilauf zwischen Zahnrad 18 und Welle 15 wirksam. Diese Anordnung ermöglicht eine zugkraftfreie Schaltung.
2 zeigt ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach der 1 modifiziertes Ausführungsbeispiel. Mit dem Ausführungsbeispiel nach 1 übereinstimmende Teile sind der Einfachheit halber mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. So erfolgt entsprechend bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 die Momentenübertragung über das eine Ende 9 der Achse 7 der Elektromaschine 2 zum Zahnrad 11 und von dort zum Zahnrad 13, das allerdings im Unterschied in einer Welle 15 gelagert ist, die nur als Lagerwelle dient, somit nicht in Verbindung steht mit einem Freilauf mit mechanischer Sperre. Das andere Ende 10 ist momentenschlüssig an das Zahnrad 12 und dieses an das Zahnrad 14 angebunden. Von dort erfolgt über die Welle 16 und die Trennkupplung 22 in deren geschlossenen Stellung der Kraftfluss zur Welle 23 und zum Zahnrad 24. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 erfolgt der Momentenfluss vom Zahnrad 13 und vom Zahnrad 24 zum Achsdifferential 4 abweichend zum Momentenfluss von diesen Zahnrädern 13 und 24 zum Achsdifferential 4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1. Dieser Unterschied wird für das Ausführungsbeispiel nach 2 nachfolgend beschrieben:
Der Momentenfluss zwischen Zahnrädern 13, 24 und dem Achsdifferential 4 erfolgt mittels eines Planetengetriebes 26, das ein Teilgetriebe des Getriebes 3 darstellt.
Das Zahnrad 13 kämmt mit einem Zahnrad 27, das drehfest mit einem Sonnenrad 28 des Planetengetriebes 26 verbunden ist. Mit diesem Sonnenrad 28 kämmen Planetenräder 29, die in einem Planetenträger 30 drehbar gelagert sind, der mit einer Eingangswelle des Achsdifferentials 5 drehfest verbunden ist. Mit einem äußeren Hohlrad 31 des Planetengetriebes 26 kämmen die Planetenräder 29. Mit einer Außenverzahnung des Hohlrades 31 kämmt das Zahnrad 24, das dem Antriebsstrang der Trennkupplung 22 zugeordnet ist. Zwischen einem gehäusefesten Teil 32 und dem Hohlrad 31 ist der Freilauf mit mechanischer Sperre, der insgesamt mit der Bezugsziffer 17 bezeichnet ist, wirksam.
Aufgrund der beschriebenen Bauweise ergibt sich folgende Funktion der elektrisch angetriebenen Achse 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel:
Bei offener Kupplung 22 blockiert die mechanische Sperre des Freilaufs mit mechanischer Sperre 17 das Hohlrad 31 des Planetengetriebes 26. Damit erfolgt der Antrieb der Räder 6, ausgehend vom Ende 9 der Elektromaschine 2 über das Sonnenrad 28 und die mit diesem kämmenden Planetenräder 29 mit Planetenträger 30 zum Achsdifferential 4. Im zweiten Gang hingegen, dann, wenn die Trennkupplung 22 geschlossen ist, erfolgt der Antrieb, ausgehend von dem Ende 10 der Achse 7 der Elektromaschine 2 über die geschlossene Trennkupplung 22 und das Zahnrad 24 zum Hohlrad 31, wobei beim Schließen der Trennkupplung 22 die mechanische Sperre unwirksam wird und somit der Freilauf mit mechanischer Sperre 17 im Betriebszustand des Freilaufs sich befindet. Das Hohlrad 31 beginnt sich zu drehen, womit eine zugkraftfreie Schaltung möglich ist.
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

US 2013/0319149 A1 [0003]

Claims

Elektrisch angetriebene Achse (1) in einem Kraftfahrzeug, mit einer einzigen Elektromaschine (2), die über ein Getriebe (3) mit einem Achsdifferential (4) in Eingriff steht, zum Antrieb von Rädern (6) der Achse (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (3) einen Freilauf mit mechanischer Sperre (17) und eine Trennkupplung (22) zur Realisierung einer Gangschaltung mit zwei schaltbaren Gängen aufweist, wobei beide Enden (9, 10) einer Achse (7) der Elektromaschine (2) jeweils mit einem Zahnrad (11, 12) des Getriebes (3) verbunden sind.
Elektrisch angetriebene Achse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (3), zumindest im Bereich von mit der Achse (7) der Elektromaschine (2) zusammenwirkenden Getriebeteilen, symmetrisch aufgebaut ist.
Elektrisch angetriebene Achse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (11, 12) der Achse (7) der Elektromaschine (2) mit weiteren Zahnrädern (13, 14) des Getriebes (3) bei identischem Übersetzungsverhältnis in Eingriff stehen.
Elektrisch angetriebene Achse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (11, 12) der Achse (7) der Elektromaschine (2) identisch ausgebildet sind.
Elektrisch angetriebene Achse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (11, 12) der Achse (7) der Elektromaschine (2) als Stirnräder ausgebildet sind.
Elektrisch angetriebene Achse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die als Stirnräder ausgebildeten Zahnräder (11, 12) der Achse (7) der Elektromaschine (2) mit Stirnrädern von zwei weiteren Achsen (15, 16) des Getriebes (3) kämmen, wobei eine erste Achse (15) der weiteren Achsen (15, 16) mit dem Freilauf mit der mechanischen Sperre (17) und eine zweite Achse (16) der weiteren Achsen (15, 16) mit der Trennkupplung (22) zusammenwirkt.
Elektrisch angetriebene Achse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (3) ein als Planetengetriebe (26) ausgebildetes Teilgetriebe aufweist, wobei mit dem Planetengetriebe (26) der Freilauf mit mechanischer Sperre (17) zusammenwirkt.
Elektrisch angetriebene Achse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf mit mechanischer Sperre (17) mit einem Hohlrad (31) des Planetengetriebes (26) zusammenwirkt.
Elektrisch angetriebene Achse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Sperre bei geöffneter Kupplung (22) das Hohlrad (31) blockiert und bei geschlossener Kupplung (22) der Freilauf wirksam ist.
Elektrisch angetriebene Achse nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Motorbetrieb der Elektromaschine (2) der Momentenfluss unmittelbar von einem die Planetenräder (29) aufnehmenden Planetenträger (30) des Planetengetriebes (26) zum Achsdifferential (4) erfolgt.