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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
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Eine solche Antriebseinrichtung für einen Kraftwagen sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebseinrichtung sind beispielsweise bereits der
DE 10 2010 061 217 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Antriebseinrichtung umfasst eine einen Rotor aufweisende elektrische Maschine, deren Stator an einem Gehäuse der Antriebseinrichtung festgelegt ist. Die Antriebseinrichtung weist ferner ein Planetengetriebe auf, welches auch als Planetensatz oder Planetenradsatz bezeichnet wird. Das Planetengetriebe umfasst ein drehfest mit dem Rotor verbundenes Sonnenrad, ein Hohlrad, einen mit Rädern des Kraftwagens drehfest verbindbaren Planetenträger und wenigstens ein mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad in Eingriff stehendes und drehbar an dem Planetenträger gelagertes Planetenrad.
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Ferner umfasst die Antriebseinrichtung eine Schalteinrichtung, welche zwischen einer Schaltstellung und wenigstens einer Offenstellung schaltbar ist. In der Schaltstellung ist das Hohlrad an dem Gehäuse mittels der Schalteinrichtung festgelegt, sodass sich das Hohlrad nicht relativ zum Gehäuse drehen kann. In der Offenstellung gibt die Schalteinrichtung das Hohlrad frei, sodass das Hohlrad relativ zu dem Gehäuse drehen kann. Im Rahmen des Verfahrens wird somit die Schalteinrichtung zwischen der Offenstellung und der Schaltstellung geschaltet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antriebseinrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb der Antriebseinrichtung realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Antriebseinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb der Antriebseinrichtung realisiert werden kann, ist erfindungsgemäß wenigstens ein Drehzahlsensor zum Erfassen der Drehzahl des Rotors vorgesehen. Der Einsatz des Drehzahlsensors schafft somit die Voraussetzung, einen vorteilhaften Betrieb der Antriebseinrichtung zu realisieren, da die Antriebseinrichtung, insbesondere die elektrische Maschine, beispielsweise in Abhängigkeit von der mittels des Drehzahlsensors erfassten Drehzahl des Rotors betrieben, das heißt beispielsweise geregelt oder gesteuert werden kann.
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Darüber hinaus ist es bei der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung möglich, das Hohlrad vom Gehäuse zu entkoppeln, indem die Schalteinrichtung in die Offenstellung geschaltet wird. Dann kann sich das Hohlrad relativ zu dem Gehäuse drehen. Der Einsatz der beispielsweise als Klauenschaltung ausgebildeten Schalteinrichtung im Zusammenspiel mit der elektrischen Maschine und dem Planetengetriebe ermöglicht die Realisierung einer besonders hohen Effizienz und Leistungsfähigkeit der Antriebseinrichtung. Mittels der Schalteinrichtung kann die elektrische Maschine auf einfache Weise von einem Antrieb, insbesondere den Rädern, über welche der Kraftwagen auf einer Fahrbahn abrollt, abgekoppelt werden, da das Planetengetriebe dann kein Drehmoment mehr am Gehäuse abstützen kann.
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Ohne diese Möglichkeit der Entkopplung beziehungsweise Abkopplung der elektrischen Maschine von dem Antrieb müsste die Übersetzung der elektrischen Maschine zu den Rädern entsprechend der möglichen Höchstgeschwindigkeit des Kraftwagens gewählt werden, um eine Beschädigung des Rotors zu vermeiden. Da nun jedoch die Möglichkeit besteht, die elektrische Maschine von den Rädern abzukoppeln, kann die Übersetzung der elektrischen Maschine auf einen zyklusrelevanten beziehungsweise vorteilhaften Bereich und somit deutlich kürzer ausgelegt werden, sodass sich ein effizienter Betrieb der Antriebseinrichtung insgesamt realisieren lässt. Mit anderen Worten lassen sich eine besonders vorteilhafte Leistungsfähigkeit und eine besonders hohe Effizienz der Antriebseinrichtung realisieren, da die Übersetzung der elektrischen Maschine vorteilhaft gewählt werden kann
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eine Recheneinrichtung vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, ein von dem Drehzahlsensor bereitgestelltes und die mittels des Drehzahlsensors erfasste Drehzahl charakterisierendes Signal zu empfangen und in Abhängigkeit von dem Signal die elektrische Maschine anzusteuern, um die Schalteinrichtung (36) zu synchronisieren.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Schalteinrichtung als Klauenschaltung ausgebildet ist.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb der Antriebseinrichtung realisiert werden kann, ist erfindungsgemäß wenigstens ein Drehzahlsensor vorgesehen, mittels welchem die Drehzahl des Rotors erfasst wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eine Recheneinrichtung dazu vorgesehen, ein von dem Drehzahlsensor bereitgestelltes Signal zu empfangen, wobei das Signal durch die vom Drehzahlsensor erfasste Drehzahl charakterisiert ist. Die Recheneinrichtung ist ferner dazu vorgesehen, die elektrische Maschine in Abhängigkeit von dem vom Drehzahlsensor bereitgestellten Signal anzusteuern, um die Schalteinrichtung zu synchronisieren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Schnittansicht einer Antriebseinrichtung für einen Kraftwagen, mit einer elektrischen Maschine, einem Planetengetriebe und einer Schalteinrichtung, mittels welcher die elektrische Maschine von einem Antrieb des Kraftwagens abkoppelbar ist.
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Die Fig. zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Antriebseinrichtung für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst eine elektrische Maschine 12, welche einen Rotor 14 sowie einen Stator 16 aufweist. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst ferner ein Gehäuse 18, durch welches wenigstens ein Aufnahmeraum 20 gebildet ist. Der Rotor 14 und der Stator 16 sind zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder gar vollständig, in dem Aufnahmeraum 20 angeordnet, wobei der Stator 16 an dem Gehäuse 18 festgelegt ist, sodass sich der Stator 16 nicht relativ zu dem Gehäuse 18 drehen kann. Hingegen ist der Rotor 14 um eine Drehachse 22 relativ zu dem Gehäuse 18 und somit relativ zu dem Rotor 16 drehbar.
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Die Antriebseinrichtung 10 umfasst ferner ein Planetengetriebe 24, welches ein drehfest mit dem Rotor 14 verbundenes Sonnenrad 26 umfasst. Hierfür umfasst die Antriebseinrichtung 10 eine Welle 28, welche einerseits drehfest mit dem Rotor 14 und andererseits drehfest mit dem Sonnenrad 26 verbunden ist, sodass das Sonnenrad 26 über die Welle 28 drehfest mit dem Rotor 14 verbunden ist.
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Das Planetengetriebe 24 wird auch als Planetenradsatz oder Planetensatz bezeichnet und umfasst ferner ein Hohlrad 30 sowie einen Planetenträger, welcher auch als Steg 32 bezeichnet wird. Ferner umfasst das Planetengetriebe 24 wenigstens ein Planetenrad 34, welches in Eingriff mit dem Hohlrad 30 einerseits und mit dem Sonnenrad 26 andererseits steht. Dabei ist das Planetenrad 34 drehbar an dem Steg 32 gelagert ist. Mit anderen Worten ist das Planetenrad 34 relativ zu dem Steg 32 um eine Drehachse drehbar.
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Der Steg 32 ist mit Rädern des Kraftwagens drehfest verbindbar. Die Räder sind Bodenkontaktelemente des Kraftwagens. Dies bedeutet, dass der Kraftwagen über die Räder auf einer Fahrbahn abrollt, wenn der Kraftwagen entlang der Fahrbahn gefahren wird. Beispielsweise ist der Steg 32 über eine Mehrzahl von Wellen, insbesondere Gelenkwellen, sowie über ein Differenzialgetriebe mit den Rädern koppelbar beziehungsweise gekoppelt, sodass beispielsweise die Räder von dem Steg 32 antreibbar sind und/oder sodass der Steg 32 von den Rädern antreibbar ist. Dies bedeutet, dass der Steg 32 im vollständig hergestellten Zustand des Kraftwagens drehfest mit den Rädern verbunden ist, sodass die Räder von dem Steg 32 und der Steg 32 von den Rädern antreibbar sind beziehungsweise ist.
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Die Antriebseinrichtung 10 umfasst ferner eine Schalteinrichtung, welche als Klauenschaltung 36 ausgebildet ist. Die Klauenschaltung 36 umfasst eine am Hohlrad 30 vorgesehene erste Schaltverzahnung 38 sowie eine mit dem Gehäuse 18 verbundene, zweite Schaltverzahnung 40. Beispielsweise ist die erste Schaltverzahnung 38 einstückig mit dem Hohlrad 30 ausgebildet.
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Die Klauenschaltung 36 umfasst ferner eine Schaltklaue 46, welche in axialer Richtung der Antriebseinrichtung 10, das heißt entlang der Drehachse 22, relativ zu den Schaltverzahnungen 38 und 40 translatorisch bewegbar ist. Diese translatorische Bewegbarkeit ist in der Fig. durch einen Doppelpfeil 48 veranschaulicht. Dabei ist die Schaltklaue 46 zwischen wenigstens einer in der Fig. gezeigten Schaltstellung und wenigstens einer Offenstellung bewegbar, sodass die Klauenschaltung 36 zwischen der Offenstellung und der Schaltstellung schaltbar ist.
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In der Offenstellung wirkt die Schaltklaue 46 formschlüssig mit dem Gehäuse 18, nicht jedoch mit der Schaltverzahnung 38 zusammen. Dadurch ist das Hohlrad 30 freigegeben. Mit anderen Worten ist das Hohlrad 30 in der Offenstellung von dem Gehäuse 18 entkoppelt beziehungsweise abgekoppelt, sodass sich das Hohlrad 30 um die Drehachse 22 relativ zu dem Gehäuse 18 drehen kann.
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In der Schaltstellung jedoch wirkt die Schaltklaue 46 formschlüssig mit der Schaltverzahnung 38 als auch formschlüssig mit der zweiten Schaltverzahnung 40 zusammen, sodass das Hohlrad 30 über die Klauenschaltung 36 an dem Gehäuse 18 festgelegt ist. Das Hohlrad 30 kann sich dann nicht mehr relativ zu dem Gehäuse 18 drehen, wobei das Planetengetriebe 24 über das am Gehäuse 18 festgelegte Hohlrad 30 Drehmomente am Gehäuse 18 abstützen kann.
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Um einen besonders vorteilhaften Betrieb der Antriebseinrichtung 10 zu ermöglichen, umfasst die Antriebseinrichtung 10 wenigstens einen in der Fig. besonders schematisch dargestellten Drehzahlsensor 50, mittels welchem die Drehzahl des Rotors 14 erfassbar ist. Mit anderen Worten ist es im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben der Antriebseinrichtung 10 vorgesehen, dass mittels des Drehzahlsensors 50 die Drehzahl des Rotors 14 und somit der Welle 28 und des Sonnenrads 26 erfasst wird. Der Drehzahlsensor 50 ist beispielsweise mit einer in der Fig. besonders schematisch dargestellten Recheneinrichtung 52 elektrisch verbunden und stellt ein die mittels des Drehzahlsensors 50 erfasste Drehzahl des Rotors 14 charakterisierendes Signal bereit, welches von der beispielsweise als Steuergerät ausgebildeten Recheneinrichtung 52 erfasst wird. Im Rahmen des Verfahrens wird die elektrische Maschine 12 beispielsweise mittels der Recheneinrichtung 52 angesteuert, wobei es infolge der Erfassung der Drehzahl des Rotors 14 möglich ist, die elektrische Maschine 12 mittels der Recheneinrichtung 52 in Abhängigkeit von dem Signal und somit in Abhängigkeit von der erfassten Drehzahl des Rotors 14 anzusteuern und damit zu betreiben, insbesondere zu steuern oder zu regeln.
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Die elektrische Maschine 12 ist beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar. In dem Motorbetrieb wird der elektrischen Maschine 12 elektrischer Strom zugeführt, welcher zumindest zum Teil mittels der elektrischen Maschine 12 in mechanische Energie umgewandelt wird. In dem Motorbetrieb werden der Rotor 14 und über diesen die Welle 28 und das Sonnenrad 26 mittels der elektrischen Maschine 12 angetrieben, sodass beispielsweise der Steg 32 und über diesen die Räder mittels der elektrischen Maschine 12 in dem Motorbetrieb angetrieben werden. In diesem Fall ist das Sonnenrad 26 ein Antrieb des Planetengetriebes 24, wobei der Steg 32 einen Abtrieb des Planetengetriebes 24 darstellt. Hierbei befindet sich die Klauenschaltung 36 beispielsweise in ihrer Schaltstellung.
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Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die elektrische Maschine 12 in einem Generatorbetrieb und somit als Generator betreibbar ist. In dem Generatorbetrieb wird beispielsweise der Rotor 14 über die Welle 28 und das Sonnenrad 26 und den Steg 32 von den Rädern des sich bewegenden Kraftwagens und somit von kinetischer Energie des Kraftwagens angetrieben, sodass mittels der elektrischen Maschine 12 im Generatorbetrieb zumindest ein Teil der kinetischen Energie des Kraftwagens in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Maschine 12 stellt diese elektrische Energie bereit, welche dann beispielsweise einem elektrischen Verbraucher und/oder einer elektrischen Speichereinrichtung zugeführt werden kann. Hierbei befindet sich die Klauenschaltung 36 beispielsweise in ihrer Schaltstellung.
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Der Einsatz der elektrischen Maschine 12 in Zusammenspiel mit dem Planetengetriebe 24 und der Klauenschaltung 36 ermöglicht die Realisierung einer besonders hohen Effizienz und einer besonders hohen Leistungsfähigkeit der Antriebseinrichtung 10. Mittels der Klauenschaltung 36 kann die elektrische Maschine 12 auf besonders einfache Weise von den Rädern und somit von einem Antrieb abgekoppelt werden, da dann das Planetengetriebe 24 kein Drehmoment mehr am Gehäuse 18 über das Hohlrad 30 abstützen kann. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine 12 in der Offenstellung von dem genannten Antrieb, das heißt den Bodenkontaktelementen (Rädern) abgekoppelt ist, sodass eine besonders vorteilhafte und insbesondere geringe Übersetzung der elektrischen Maschine 12 zu den Rädern gewählt werden kann, ohne dass es bei hohen Geschwindigkeiten des Kraftwagens zu einer übermäßig hohen Drehzahl der elektrischen Maschine 12 kommt. Dabei ist der Steg 32 sowohl in der Schaltstellung als auch in der Offenstellung mit den Rädern verbunden, wobei jedoch der Rotor 14 und das Hohlrad 30 in der Offenstellung von der Drehzahl des Steges 32 zumindest im Wesentlichen unabhängig sind.
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Durch den Einsatz des Drehzahlsensors 50 ist es insbesondere möglich, die Schalteinrichtung, insbesondere die erste Schaltverzahnung 38 am Hohlrad 30, sehr präzise zu synchronisieren, sodass besonders geräuscharme sowie belastungsarme Schaltungen der Klauenschaltung 36 realisierbar sind. Mittels des Drehzahlsensors 50 kann die Drehzahl des Rotors 14 hochpräzise erfasst werden, sodass eine präzise Synchronisierung der Klauenschaltung 36 darstellbar ist. Im Rahmen des Verfahrens ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Recheneinrichtung 52 die elektrische Maschine 12, insbesondere in deren Motorbetrieb, in Abhängigkeit von dem die erfasste Drehzahl des Rotors 14 charakterisierenden Signal ansteuert, um die Klauenschaltung 36 zu synchronisieren.
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Im Folgenden wird ein Schaltverfahren beschrieben, welches im Rahmen des Verfahrens zum Betreiben der Antriebseinrichtung 10 durchgeführt wird. Im Rahmen des Schaltverfahrens wird die Klauenschaltung 36 geschaltet. Ausgangspunkt ist im folgenden Beispiel die Schaltstellung, in welcher die Klauenschaltung 36 beziehungsweise die Schaltklaue 46 geschlossen ist. Ferner wird beispielsweise die elektrische Maschine 12, insbesondere der Rotor 14, in der Schaltstellung über den Steg 32 von den Rädern des Kraftwagens angetrieben. Dabei steigt die Drehzahl der elektrischen Maschine 12, das heißt die Drehzahl des Rotors 14, zumindest im Wesentlichen linear zur Geschwindigkeit des Kraftwagens, da beispielsweise eine feste Übersetzung zwischen der elektrischen Maschine 12, insbesondere dem Rotor 14, und den Rädern vorgesehen ist.
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Im Rahmen des Schaltverfahrens ist es vorgesehen, dass die Klauenschaltung 36 beziehungsweise die Schaltklaue 46 geöffnet, das heißt beispielsweise mittels eines Aktors in die Offenstellung bewegt wird, wenn eine vorgegebene maximale Drehzahl der elektrischen Maschine 12 erreicht wird. Die Erfassung beziehungsweise Detektion der Drehzahl erfolgt über den Drehzahlsensor 50 der elektrischen Maschine 12. Mit anderen Worten, erreicht die Drehzahl der elektrischen Maschine 12 einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird die Schaltklaue 46 in die Offenstellung bewegt, sodass dann die Drehzahl der elektrischen Maschine 12 unabhängig von der Geschwindigkeit des Kraftwagens ist. Dann ist es möglich, dass die Geschwindigkeit des Kraftwagens die Höchstgeschwindigkeit des Kraftwagens sein kann, ohne dass es zu Schäden der elektrischen Maschine 12 kommt. Für die Regelung der elektrischen Maschine 12 existieren hierbei beispielsweise zwei Regelungszustände: In einem ersten der Regelungszustände wird die Drehzahl der elektrischen Maschine 12, insbesondere des Rotors 14, auf 0 abgebremst, um eine besonders hohe Effizienz zu realisieren. Bei dem zweiten Regelungszustand wird die elektrische Maschine 12, insbesondere der Rotor 14, auf einer vorgebbaren oder vorgegebenen Drehzahl gehalten oder nachgeführt, um beispielsweise Überdrehzahlen in dem Planetengetriebe 24 zu vermeiden.
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Verringert sich die Geschwindigkeit des Kraftwagens wieder so weit, dass bei geschlossener Klauenschaltung 36 die elektrische Maschine 12 unterhalb ihrer maximalen Drehzahl laufen kann, so kann die Schaltklaue 46 wieder geschlossen werden. Die Drehzahl einer ersten Seite der Klauenschaltung 36 kann beispielsweise anhand der Geschwindigkeit des Kraftwagens aus einem jeweiligen Signal von Raddrehzahlsensoren und/oder aus einem Tachosignal über eine Drehzahl eines Getriebes errechnet werden. Mit Hilfe des Drehzahlsensors 50 und der mittels des Drehzahlsensors 50 erfassten Drehzahl und Einstellung einer passenden Synchrondrehzahl der elektrischen Maschine 12 kann nun eine zweite Seite der Klauenschaltung 36 auf eine geeignete Drehzahl gebracht werden, um die Schaltklaue 46 zu schließen.
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Mit anderen Worten ist es beispielsweise denkbar, in der Offenstellung der Klauenschaltung 36 und dann, wenn der Steg 32 über die Räder angetrieben wird, die elektrische Maschine 12 in Abhängigkeit von dem genannten Signal mittels der Recheneinrichtung 52 derart anzusteuern und dabei eine solche Drehzahl des Rotors 14 und somit der Welle 28 und des Sonnenrads 26 einzustellen, dass sich eine besonders vorteilhafte Drehzahl des Hohlrads 30 und somit der ersten Schaltverzahnung 38 in Relation zu dem Gehäuse 18 und somit der zweiten Schaltverzahnung 40 ergibt. Unter diesem Vorgang ist das zuvor beschriebene Synchronisieren der Klauenschaltung 36 zu verstehen. Beispielsweise wird im Rahmen der Synchronisierung eine Differenzdrehzahl zwischen dem Hohlrad 30 und dem Gehäuse 18 und somit zwischen den Schaltverzahnungen 38 und 40 besonders gering gehalten oder sogar auf Null eingestellt, sodass die Schaltklaue 46 besonders geräusch- und belastungsarm aus der Offenstellung in die Schließstellung bewegt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010061217 A1 [0002]
