DE102015116537B4

DE102015116537B4 - Elektrischer Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015116537B4
Application number: DE102015116537.6A
Authority: DE
Inventors: Gary Avery; Daniel Knoblauch
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2035-10-01
Also published as: DE102015116537A1

Abstract

Elektrischer Achsantrieb (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei dieser eine Getriebeanordnung mit zwei Gängen aufweist, mit einer Elektromaschine (2) zum Antreiben mindestens einer Abtriebswelle (15, 16) der Achse (17) des Kraftfahrzeugs, einer Stirnradgetriebestufe (4) zum Antreiben, in einer ersten Schaltstufe, einer Zwischenwelle (7) und eines fest mit der Zwischenwelle (7) verbundenen Stirnrads (8), wobei das Stirnrad (8) mit einem Hohlrad (10) eines koaxial zur Abtriebswelle (15, 16) angeordneten Planetengetriebes (9) kämmt, sowie mit einem mit einer Ausgangswelle (3) der Elektromaschine (2) oder der Zwischenwelle (7) koppelbarem weiterem Stirnrad (18) zum Antreiben, in einer zweiten Schaltstufe, eines Sonnenrades (11) des Planetengetriebes (9).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug, wobei dieser eine Getriebeanordnung mit zwei Gängen aufweist.
Derartige elektrische Achsantriebe sind aus der Praxis bekannt. Hierbei sind unterschiedliche Momente von einer Elektromaschine zu mindestens einer Abtriebswelle der Achse des Kraftfahrzeugs zu übertragen. Hohe zu übertragende Momente erfordern in dem jeweiligen Getriebeabschnitt der Getriebeanordnung die Verwendung von Zahnrädern mit relativ großem Durchmesser. Dies erhöht den für die Getriebeanordnung und damit den elektrischen Achsantrieb erforderlichen Bauraum.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug, der eine kompakt gestaltete Getriebeanordnung aufweist, zu schaffen. Es soll ein relativ hohes Drehmoment bei relativ kleiner Bauweise von Zahnrädern der Getriebeanordnung übertragen werden können.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen elektrischen Achsantrieb, der gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
Der erfindungsgemäße elektrische Achsantrieb weist eine Getriebeanordnung mit zwei Gängen auf. Eine Elektromaschine, dient dem Antreiben mindestens einer Abtriebswelle der Achse des Kraftfahrzeugs. Es ist eine Stirnradgetriebestufe zum Antreiben einer Zwischenwelle und eines fest mit der Zwischenwelle verbundenen Stirnrads in einer ersten Schaltstufe vorgesehen. Das Stirnrad kämmt mit einem Hohlrad eines koaxial zur Abtriebswelle angeordneten Planetengetriebes. Ferner ist ein mit einer Ausgangswelle der Elektromaschine oder der Zwischenwelle koppelbares weiteres Stirnrad vorgesehen. Dies dient dem Antreiben eines Sonnenrads des Planetengetriebes in einer zweiten Schaltstufe.
Der Abtrieb des Planetengetriebes erfolgt über Planetenräder, die in einem Planetenträger drehbar gelagert sind.
Wesentlich ist bei dieser Ausbildung des elektrischen Achsantriebs, dass das Planetengetriebe koaxial zur mindestens einen Abtriebswelle der Achse des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Hierdurch kann das mittels der Elektromaschine eingeleitete Drehmoment aufgeteilt werden, womit die im Momentenfluss befindlichen Zahnräder kleiner gebaut werden können als ein Zahnrad, das das gesamte Moment übertragen muss. Die Ausbildung der Getriebeanordnung mit den relativ kleineren Zahnrädern ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise des Achsantriebs.
Vorzugsweise ist der elektrische Achsantrieb derart gestaltet, dass der Abtrieb im Planetengetriebe unmittelbar über mit dem Hohlrad und dem Sonnenrad kämmende Planetenräder und einen diese aufnehmenden Planetenträger zu einem Differentialgetriebe, das mit zwei Abtriebswellen zusammenwirkt, erfolgt. Der elektrische Achsantrieb weist somit gemäß dieser Weiterbildung zwei Abtriebswellen auf. Die Elektromaschine dient dem Antrieb der beiden Räder der Achse, die jeweils einer Abtriebswelle zugeordnet sind.
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn das mit der Zwischenwelle koppelbare weitere Stirnrad mit einem mit dem Sonnenrad fest verbundenen Stirnrad kämmt. Bei Kopplung von Zwischenwelle und weiterem Stirnrad wird somit unmittelbar das eingeleitete Drehmoment in das mit dem Sonnenrad fest verbundene Stirnrad eingeleitet.
Alternativ ist vorgesehen, dass das mit der Ausgangswelle koppelbare weitere Stirnrad mit einem ersten Stirnrad eines koaxial zur Zwischenwelle angeordneten Stirnradpaares kämmt, und ein zweites Stirnrad dieses Stirnradpaares mit einem mit dem Sonnenrad fest verbundenen Stirnrad kämmt. In diesem Fall erfolgt somit die Momentübertragung von der Ausgangswelle und einer mit dieser koppelbaren Stirnradgetriebestufe zum Sonnenrad.
Insbesondere wird der elektrische Achsantrieb derart angesteuert, dass in der ersten Schaltstufe eine Kupplung zum Kuppeln der Ausgangswelle der Elektromaschine oder der Zwischenwelle mit dem Sonnenrad geöffnet ist und ein Freilauf das Sonnenrad blockiert. In der zweiten Schaltstufe ist insbesondere vorgesehen, dass eine Kupplung zum Kuppeln der Ausgangswelle der Elektromaschine oder der Zwischenwelle mit dem Sonnenrad geschlossen ist und ein Freilauf das Sonnenrad freigibt.
Unter dem Aspekt der vorgenannten Schaltzustände wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der Freilauf mit einer Kupplung, insbesondere einer Klauenkupplung, zur Rekuperation kombinierbar ist. Diese mit dem Freilauf kombinierbare Kupplung, insbesondere die Klauenkupplung, ist immer dann aktiviert, wenn ein negatives Drehmoment am Abtrieb anliegt, somit beim Betriebszustand der Rekuperation, somit die Elektromaschine als Generator betrieben wird.
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 für ein erstes Ausführungsbeispiel eine schematische Darstellung der Antriebskomponenten des elektrischen Achsantriebs,
2 ein Nomogramm zur Veranschaulichung der Drehzahlen der Komponenten eines Planetengetriebes der elektrischen Antriebseinheit,
3 für ein zweites Ausführungsbeispiel eine schematische Darstellung der Antriebskomponenten des elektrischen Achsantriebs.

Figurenbeschreibung
Der elektrische Achsantrieb findet insbesondere Verwendung bei einem Personenkraftwagen. Mittels des Achsantriebs werden zwei Räder einer Achse des Kraftfahrzeugs angetrieben.
1 veranschaulicht, betreffend das erste Ausführungsbeispiel, den grundsätzlichen Aufbau des elektrischen Achsantriebs 1. Veranschaulicht ist eine Elektromaschine 2 - Traktions-Elektromaschine - mit deren Ausgangswelle 3. Diese wirkt mit einer Stirnradgetriebestufe 4 zusammen, die Zahnräder 5 und 6 aufweist. Das im Durchmesser relativ kleinere Zahnrad 5 ist drehfest mit der Ausgangswelle 3 verbunden und das im Durchmesser relativ größere Zahnrad 6 drehfest mit einer Zwischenwelle 7 verbunden. Drehfest mit dieser ist ferner ein Zahnrad 8 verbunden, dessen Durchmesser deutlich geringer ist als derjenige des Zahnrades 6.
Das Zahnrad 8 wirkt mit einem Planetengetriebe 9 zusammen. Dieses weist ein Hohlrad 10, ein Sonnenrad 11, mit dem Hohlrad 10 und dem Sonnenrad 11 kämmende Planetenräder 12 und einen Planetenträger 13, der die Planetenräder 12 drehbar aufnimmt, auf. Über den Planetenträger 13 wird das Abtriebsmoment des Planetengetriebes 9 in ein Differentialgetriebe 14 eingeleitet und von dort zu zwei Abtriebswellen 15, 16 der Achse 17 des elektrischen Achsantriebs für das Kraftfahrzeug. Mittels dieser Abtriebswellen 15, 16 werden die der Achse 17 zugeordneten Räder/Laufräder des Kraftfahrzeugs angetrieben.
Das Hohlrad 10 ist radial innen mit einer Verzahnung versehen, die mit einer komplementären Verzahnung der Planetenräder 12 kämmt, ferner ist das Hohlrad 13 außen mit einer Verzahnung versehen, die mit einer komplementären Verzahnung des Zahnrades 8 kämmt.
Das Planetengetriebe 9 ist somit koaxial zu den Abtriebswellen 15, 16 angeordnet.
Auf der dem Zahnrad 6 abgewandten Seite des Zahnrades 8 ist in der Zwischenwelle 7, koaxial zu dieser angeordnet, ein weiteres Stirnrad 18 drehbar gelagert. Zum Kuppeln von Stirnrad 18 und Zwischenwelle 7 ist eine Kupplung 19 vorgesehen. Diese weist ein drehfest mit der Zwischenwelle 7 verbundenes Kupplungsteil 20 und ein drehfest mit dem Stirnrad 18 verbundenes Kupplungsteil 21 auf.
Das Stirnrad 18 kämmt mit einem koaxial zu den Antriebswellen 15, 16 angeordneten Stirnrad 22, das fest mit dem Sonnenrad 11 verbunden ist. Ein Freilauf 23 ist zwischen einem gehäusefesten Abschnitt 24 und dem Stirnrad 23, somit zwischen dem gehäusefesten Abschnitt 24 und dem Sonnenrad 11 wirksam. Zusätzlich kann eine Klauenkupplung 25 in Wirkverbindung zwischen gehäusefestem Abschnitt 24 und Stirnrad 22 demnach zum Sonnenrad 11 gebracht werden.
Im 1. Gang des Kraftfahrzeugs erfolgt der Momentenfluss von der Elektromaschine 2 und der Stirnradgetriebestufe 4 zur Zwischenwelle 7 und von dort über das Zahnrad 8 in das Hohlrad 10 des Planetengetriebes, womit das Moment über den Planetenträger 13 und das Differential 14 zu den Abtriebswellen 15, 16 geleitet wird zwecks Antrieb der Räder des Kraftfahrzeugs. Im 1. Gang, somit der ersten Schaltstufe, ist die Kupplung 19 zum Kuppeln der Zwischenwelle 7 mit dem Sonnenrad 11 geöffnet und es blockiert der Freilauf 23 das Sonnenrad 11. Im 2. Gang, somit der zweiten Schaltstufe, ist diese Kupplung 19 geschlossen, womit Drehmoment sowohl von der Zwischenwelle 7 über die Kupplung 19 zum Sonnenrad 11 als auch über das Zahnrad 8 in das Hohlrad 10 des Planetengetriebes (Momentenaufteilung) und von dort zum Planetenträger 13 übertragen wird und von dort zum Differentialgetriebe 14 und den beiden Abtriebswellen 15, 16. In diesem 2. Gang wird aufgrund der Rotation der diesen Antriebsstrang zugeordneten Bauteile der Freilauf 23 überholt, womit dieser das Sonnenrad 11 freigibt.
Im Rekuperationsbetrieb, somit, wenn Drehmoment über die Abtriebswellen 15, 16 in das Differentialgetriebe 14 eingeleitet wird, wird die Klauenkupplung 25 in deren geschlossene Stellung geschaltet, womit eine kraftschlüssige Verbindung zwecks Generatorbetrieb zur Elektromaschine 2 hergestellt ist.
2 zeigt in einem Nomogramm die Drehzahlen von Hohlrad 10, Sonnenrad 11 und Planetenträger 13 im 1. und 2. Gang.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des elektrischen Achsantriebs, das gegenüber dem Ausführungsbeispiel des Achsantriebs nach 1 in Teilbereichen des Achsantriebs abgewandelt ist. Mit dem Ausführungsbeispiel nach 1 übereinstimmende Teile sind der Einfachheit halber mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Es gilt im Übrigen für dieses Ausführungsbeispiel nach 3 das Nomogramm gemäß 2.
Wie der Darstellung der 3 zu entnehmen ist, befindet sich die Kupplung 19 auf der Ausgangswelle 3 und der Freilauf 23, somit die Klauenkupplung 25 auf der Zwischenwelle 7, um die jeweils erforderliche Drehmomentkapazität weiter zu reduzieren. Es können somit noch kleinere Komponenten eingesetzt werden.
Im Detail veranschaulicht das Ausführungsbeispiel nach der 3, dass drehfest mit der verlängert ausgebildeten Ausgangswelle 3 das Kupplungsteil 20 der Kupplung 19 verbunden ist und koaxial zur Ausgangswelle 3 ein Stirnrad 26 angeordnet ist, mit dem das Kupplungsteil 21 verbunden ist. Dieses Stirnrad 26 kämmt mit einem Stirnrad 27, das fest mit dem Stirnrad 18 verbunden und gleichfalls koaxial zur Zwischenwelle 7 angeordnet ist. Mit dieser Einheit aus Stirnrad 27 und Stirnrad 18 wirkt der Freilauf 23 und die Klauenkupplung 25 zusammen.
Im 1. Gang erfolgt der Drehmomentenfluss somit entsprechend dem zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 veranschaulichten Drehmomentenfluss. Im 2. Gang hingegen wird über die Ausgangswelle 3, bei geschlossener Kupplung 19 ein Teil des Drehmoments in das weitere Stirnradpaar 28, das aus den Stirnrädern 26 und 27 gebildet ist, eingeleitet und über das mit dem Stirnrad 27 verbundene Stirnrad 18 in das Sonnenrad 11 und von dort über die Planetenträger 12, den Planetenträger 13 in das Differentialgetriebe 14 weitergeleitet. Das andere Teil des Drehmoments fließt wie im 1. Gang vom Stirnrad 18 ins Hohlrad 10.
Wie zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, ist im 1. Gang die Kupplung 19 geöffnet und es blockiert der Freilauf 23 das Sonnenrad 11, während im 2. Gang die Kupplung 19 geschlossen ist und der Freilauf 23 das Sonnenrad 11 freigibt. Im Rekuperationsbetrieb ist die Klauenkupplung 25 geschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Elektrischer Achsantrieb
2: Elektromaschine
3: Ausgangswelle
4: Stirnradgetriebestufe
5: Zahnrad
6: Zahnrad
7: Zwischenwelle
8: Zahnrad
9: Planetengetriebe
10: Hohlrad
11: Sonnenrad
12: Planetenrad
13: Planetenträger
14: Differentialgetriebe
15: Abtriebswelle
16: Abtriebswelle
17: Achse
18: Stirnrad
19: Kupplung
20: Kupplungsteil
21: Kupplungsteil
22: Stirnrad
23: Freilauf
24: Abschnitt
25: Klauenkupplung
26: Stirnrad
27: Stirnrad
28: Stirnradpaar

Claims

Elektrischer Achsantrieb (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei dieser eine Getriebeanordnung mit zwei Gängen aufweist, mit einer Elektromaschine (2) zum Antreiben mindestens einer Abtriebswelle (15, 16) der Achse (17) des Kraftfahrzeugs, einer Stirnradgetriebestufe (4) zum Antreiben, in einer ersten Schaltstufe, einer Zwischenwelle (7) und eines fest mit der Zwischenwelle (7) verbundenen Stirnrads (8), wobei das Stirnrad (8) mit einem Hohlrad (10) eines koaxial zur Abtriebswelle (15, 16) angeordneten Planetengetriebes (9) kämmt, sowie mit einem mit einer Ausgangswelle (3) der Elektromaschine (2) oder der Zwischenwelle (7) koppelbarem weiterem Stirnrad (18) zum Antreiben, in einer zweiten Schaltstufe, eines Sonnenrades (11) des Planetengetriebes (9).
Elektrischer Achsantrieb nach Anspruch 1, wobei der Abtrieb im Planetengetriebe (9) unmittelbar über mit dem Hohlrad (10) und dem Sonnenrad (11) kämmende Planetenräder (12) und einen diese aufnehmenden Planetenträger (13) zu einem Differentialgetriebe (14), das mit zwei Abtriebswellen (15, 16) zusammenwirkt, erfolgt.
Elektrischer Achsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mit der Zwischenwelle (7) koppelbare weitere Stirnrad (18) mit einem mit dem Sonnenrad (11) fest verbundenen Stirnrad (22) kämmt.
Elektrischer Achsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mit der Ausgangswelle (3) koppelbare weitere Stirnrad (18) mit einem ersten Stirnrad (26) eines koaxial zur Zwischenwelle (7) angeordneten Stirnradpaares (28) kämmt, und ein zweites Stirnrad (27) des Stirnradpaares (28) mit einem mit dem Sonnenrad (11) fest verbundenen Stirnrad (22) kämmt.
Elektrischer Achsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in der ersten Schaltstufe eine Kupplung (19) zum Kuppeln der Ausgangswelle (3) der Elektromaschine (2) oder der Zwischenwelle (7) mit dem Sonnenrad (11) geöffnet ist und ein Freilauf (23) das Sonnenrad (11) blockiert.
Elektrischer Achsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in der zweiten Schaltstufe eine Kupplung (19) zum Kuppeln der Ausgangswelle (3) der Elektromaschine (2) oder der Zwischenwelle (7) mit dem Sonnenrad (11) geschlossen ist und ein Freilauf (23) das Sonnenrad (11) freigibt.
Elektrischer Achsantrieb nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Freilauf (23) mit einer Kupplung (25), insbesondere einer Klauenkupplung (25), zur Rekuperation kombinierbar ist.