DE102017121540B3

DE102017121540B3 - Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine, einem Planetengetriebe und einer Kupplungseinheit

Info

Publication number: DE102017121540B3
Application number: DE102017121540.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Proschko
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2037-09-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine, einem Planetengetriebe mit eine Kupplungseinheit und mit einer Abtriebswelle, wobei mittels der Kupplungseinheit über eine zweite Anschlusswelle eine erste Leistungen übertragende Wirkverbindung zwischen einer Rotorwelle der elektrischen Maschine und der Abtriebswelle ausbildbar ist und ferner über eine erste Anschlusswelle eine zweite Leistungen übertragende Wirkverbindung zwischen der Rotorwelle und der Abtriebswelle ausbildbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine, einem Planetengetriebe mit eine Kupplungseinheit und mit einer Abtriebswelle, wobei mittels der Kupplungseinheit über eine zweite Anschlusswelle eine erste Leistungen übertragende Wirkverbindung zwischen einer Rotorwelle der elektrischen Maschine und der Abtriebswelle ausbildbar ist und ferner über eine erste Anschlusswelle eine zweite Leistungen übertragende Wirkverbindung zwischen der Rotorwelle und der Abtriebswelle ausbildbar ist.
Aus der DE 10 2011 007 268 A1 ist eine Antriebsvorrichtung bekannt, die in einem Fahrzeug in Längsrichtung eingebaut ist und über ein Differenzial die Fahrzeugräder einer Hinterachse antreibt.
Die DE 10 2010 031 746 A1 beschreibt eine Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine und einem Planetengetriebe, das zwischen der elektrischen Maschine und einem Differential schaltbar angeordnet ist.
Die DE 10 2012 024 751 A1 beschreibt ein Übersetzungs- und Ausgleichsgetriebe mit zwei Gangstufen, wobei ein zweiter Gang über die Übersetzung der Laststufe erfolgt, während das Hohlrad der Eingangsstufe mit dem Planetenträger der Eingangsstufe gekoppelt ist und damit die Eingangsstufe verblockt umläuft.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine variable Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug zu schaffen, mit der wenig elektrische Energie verbraucht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Das Planentengetriebe weist mindestens eine erste und eine zweite Planetenstufe auf. Die Kupplungseinheit weist mindestens eine erste und eine zweite Kupplung auf, von denen mindestens eine die erste und die zweite Planetenstufe miteinander koppeln bzw. voneinander trennen können.
Antriebsdrehzahlen der Rotorwellen elektrischer Maschinen sind im Allgemeinen so hoch, dass man sie nicht im Verhältnis 1:1 auf die Antriebsräder übertragen will, sondern über Getriebestufe. Je nach Aufbau des Planetengetriebes ergibt sich damit in den aus dem Stand der Technik bekannten Antriebsvorrichtungen ein Betriebsbereich, der nicht jedem Fahrzustand optimal angepasst werden kann.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass in der Antriebsvorrichtung mit nur zwei Planetenstufen wahlweise eine einfache Planetenstufe oder ein aus zwei gekoppelten Planetenstufen gebildetes Planetengetriebe geschaltet werden kann. So ist es mit der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, die Drehzahlen der elektrischen Maschine durch die Koppelung von zwei Planetenstufen an der Abtriebswelle erheblich zu reduzieren. Durch geeignete Wahl der Übersetzungen mit zwei Gängen können größere Drehzahl-bzw. Drehmoment-Bereiche für den Antrieb der Abtriebswelle und damit für den Antrieb des Fahrzeugs abgedeckt werden. Darüber hinaus können auch im Vergleich zum bisherigen bekannten Stand der Technik kleinere und energiesparende elektrische Maschinen eingesetzt werden, um vergleichbare Drehmomente zu erzielen.
Sowohl über die erste getriebliche Verbindung als auch über die zweite getriebliche Verbindung sind Leistungen übertragbar. Dies gilt auch zum Zwecke der Rekuperation in umgekehrter Richtung - also von der Abtriebswelle zur Rotorwelle hin. Die Kupplungen sind wahlweise wechselseitig ein-bzw. ausrückbar oder alternativ gemeinsam ein-bzw. ausrückbar. Im eingerückten Zustand wird Leistung zwischen der Rotorwelle und der Abtriebswelle oder zwischen der Abtriebswelle und der Rotorwelle übertragen. Im ausgerückten Zustand wird der Leistungsfluss zwischen der Rotorwelle und der Abtriebswelle oder aus umgekehrter Richtung unterbrochen.
Unter getrieblicher Verbindung ist eine wahlweise oder zugleich Drehmomente bzw. Drehzahlen und/oder Drehmomente, Drehrichtungen bzw. Drehzahlen ändernde und dabei Leistungen übertragende Verbindung zwischen wenigstens zwei miteinander im Zahneingriff stehenden Zahnrädern zu verstehen.
Unter Wellen von Planetengetrieben bzw. von Planetenstufen sind alle nicht ortsfest gelegten und Leistungen übertragenden Glieder eines Planetengetriebes, außer den Planetenrädern, zu verstehen. Unter Anschlusswellen sind diejenigen Wellen zu verstehen, an denen Leistungen in das Planetengetriebe oder in die Planetenstufe eingeleitet oder ausgeleitet werden können. Demnach können Sonnenräder, Hohlräder und Planetenträger die Anschlusswellen sein. Antriebs- und Drehmomente werden rotativ um die jeweilige Rotationsachse der Anschlusswelle übertragen, die in diesem Fall der koaxialen Anordnung die zentrale Achse des Planetengetriebes ist. Ortsfest heißt, dass eine oder mehrere Anschlusswellen eines Planetengetriebes um ihre Rotationsachse rotativ unbeweglich zum Beispiel an einem Gehäuse der Antriebsvorrichtung festgelegt sind.
Die ein-und ausrückbare Wirkverbindung kann wahlweise eine formschlüssige und/oder reibschlüssige Verbindung sein oder ist alternativ durch Anziehungskräfte charakterisiert.
Beide Planetenstufen sind zumindest aus einem Sonnenrad, einem Hohlrad sowie wenigstens einem mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad im Zahneingriff stehenden Satz an Planetenrädern gebildet. Damit weisen die erste und zweite Planetenstufe die gleiche Wirkstruktur auf, insbesondere dann, wenn beide Hohlräder ortsfest sind. Zum einen können durch eine entsprechende Kopplung der Anschlusswellen die Drehzahlen von elektrischen Maschinen an der Abtriebswelle wesentlich reduziert und die Antriebsmomente dadurch entsprechend erhöht werden. Zum anderen können bei der Herstellung und dem Zusammenbau beider Planetenstufen Gleichteile verwendet werden. Als Gleichteile können, je nach gewünschter Übersetzung, wahlweise gleiche Planetenräder, Sonnenräder, Hohlräder und/oder Planetenträger eingesetzt werden. Dadurch kann die Herstellung derartiger Antriebsvorrichtungen mit einer wesentlich verbesserten Fahrcharakteristik versehen und trotzdem kostengünstig gestaltet werden.
Eine weitere Ausgestaltungen der Erfindungen sieht vor, dass die erste Anschlusswelle das Sonnenrad der ersten Planetenstufe ist. Erfindungsgemäß ist die zweite Anschlusswelle der Planetenträger der zweiten Planetenstufe. Auf diese Weise lassen sich die Drehzahlen an der Abtriebswelle, verglichen zu denen der elektrischen Maschine, über die beiden Planetenstufen vergleichsweise stark reduzieren und hohe Drehmomente an der Abtriebswelle erzeugen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine erste Drehmoment-Übersetzung von der Rotorwelle zur Abtriebswelle über die erste getriebliche Verbindung größer ist als eine zweite Drehmoment-Übersetzung der zweiten getrieblichen Verbindung in die gleiche Richtung. Daraus ergibt sich vorteilhaft, dass die erste getriebliche Verbindung zum Beispiel für die Charakteristik eines ersten Ganges gewählt werden kann. In diesem 1. Gang liegt die Leistung der elektrischen Maschine an der Abtriebswelle mit hohen Antriebs-Drehmomenten und relativ niedrigen Drehzahlen an. Mit der zweiten getrieblichen Verbindung ist in diesem Fall die Charakteristik eines 2. Ganges gewählt. Die Leistung der elektrischen Maschine ist dadurch an der Abtriebswelle mit höheren Drehzahlen umgesetzt. Im Vergleich zum 1. Gang liegen dabei geringere Antriebsmomente an.
Die Gesamtübersetzung der Antriebsvorrichtung ergibt sich aus der Übersetzung in dem Planetengetriebe und der Übersetzung eines Final Drives. Die Übersetzung des Final Drives ist von dessen Konstruktion abhängig und kann zum Beispiel durch eine einfache Getriebestufe gebildet sein. Die einfache Getriebestufe ist zum Beispiel ein Winkeltrieb mit zwei Kegelrädern oder alternativ eine Stirnradstufe mit zwei Stirnrädern. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die Abtriebswelle zum Beispiel über einen Final Drive mit einem Differenzial getrieblich wirkverbunden ist.
Die Antriebsvorrichtung ist, insbesondere bei der Verwendung eines als Winkeltrieb ausgebildeten Final Drives, vorzugsweise längs in Fahrtrichtung in einem rein elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug oder alternativ in einem Hybridfahrzeug angeordnet. Das Differenzial ist das in Fahrzeugen übliche längs oder quer angeordnete Ausgleichs-bzw. Verteilergetriebe der Bauart eines Kegelraddifferenzials oder Stirnraddifferenzials.
Erfindungsgemäß sind die Kupplungen gemeinsam an einer doppelt wirkenden Kupplungseinheit ausgebildet. Das erste Kupplungselement ist wahlweise mit einem zweiten Kupplungselement an der ersten Anschlusswelle oder mit einem dritten Kupplungselement an der Abtriebswelle oder mit beiden Kupplungselementen zugleich ein- bzw. ausrückbar. Besonders geeignet für derartige Anwendungen sind axial verschiebbare und damit längs entlang der zentralen Achse bewegliche Klauenkupplungen oder Schaltmuffen - aber auch Reibkupplungen wie Lamellenkupplungen. Letztere sind zum Beispiel vorteilhaft doppelt wirkend in den auch aus schaltbaren Kfz-Getrieben allseits bekannten Schaltmuffen mit Synchronisierung eingesetzt. Unter „doppelt wirkend“ ist dabei zu verstehen, dass die erste Kupplung und die zweite Kupplung ein gemeinsames erstes Kupplungselement, zum Beispiel diese Schaltmuffe, aufweisen. Das erste Kupplungselement ist wahlweise mit einem zweiten Kupplungselement an der ersten Anschlusswelle oder einem dritten Kupplungselement an der Abtriebswelle ein- bzw. ausrückbar. Auf diese Weise können Bauteile vorteilhaft kostengünstig hergestellt bzw. axialer Bauraum eingespart werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

1 zeigt die Antriebsvorrichtung 1 schematisch stark vereinfacht und nicht maßstäblich.
2 zeigt die Antriebsvorrichtung 1 in einem Betriebszustand, in dem ein 1. Gang geschaltet ist.
3 zeigt die Antriebsvorrichtung 1 in einem Betriebszustand, in dem ein 2. Gang geschaltet ist.
4 zeigt die Antriebsvorrichtung 1 einem Betriebszustand, in dem kein Gang eingelegt ist.

1 zeigt ist die Antriebsvorrichtung 1 ist mit einer elektrischen Maschine 2, einem Planetengetriebe 3, einer Kupplungseinheit 13 einer Abtriebswelle 5 und einem Differenzial 15. Die Kupplungseinheit 13 umfasst eine erste Kupplung 4 und eine zweite Kupplung 14. Das Planetengetriebe 3 umfasst eine erste Planetenstufe 6 und eine zweite Planetenstufe 12. Die Planetenstufen 6 und 12 sind über die Kupplungseinheit 13 miteinander koppelbar.
Die erste Planetenstufe 6 umfasst ein erstes Sonnenrad 7, ein erstes Hohlrad 8, einen ersten Planetenträger 9 und einen ersten Satz erster Planetenräder 10. Das erste Hohlrad 8 ist an einem nicht dargestellten Gehäuse der Antriebseinheit 1 festgelegt. Die ersten Planetenräder 10 stehen mit dem ersten Sonnenrad 7 und dem ersten Hohlrad 8 im Zahneingriff.
Die zweite Planetenstufe 12 sitzt axial zwischen der ersten Planetenstufe 6 und der elektrischen Maschine 2 und weist ein zweites Sonnenrad 17, ein zweites Hohlrad 18, einen zweiten Planetenträger 19 sowie einen zweiten Satz zweiter Planetenräder 20 auf. Die zweiten Planetenräder 20 stehen im Zahneingriff mit dem zweiten Sonnenrad 17 und dem zweiten Hohlrad 18.
Die Rotorwelle 16 der elektrischen Maschine 2, die Sonnenräder 7 und 17, die Planetenträger 9 und 19 sowie die Abtriebswelle 5 sind relativ zu einander um eine gemeinsame zentrale Achse 11 rotierbar, welche auch Zentralachse der Antriebsvorrichtung 1 ist. Die Abtriebswelle 5 ist mit einer dritten Anschlusswelle des Planetengetriebes 3, nämlich mit dem ersten Planetenträger 9, verbunden und ist koaxial durch den ersten Planetenträger 9, die erste Sonne 10 und durch die als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle 2 hindurchgeführt. Außerdem ist die Abtriebswelle 5 an der von dem Planetengetriebe 3 axial abgewandten Seite der elektrischen Maschine 2 mit einem Ritzel 21 versehen. Das Ritzel 21 ist Bestandteil einer einfachen aus dem Ritzel 21 und einem Antriebsrad 22 (Tellerrad) gebildeten Zahnradstufe, welche in diesem Fall als Winkeltrieb ausgeführt ist. Die Abtriebswelle 5 des Planetengetriebes 3 und das Differenzial 15 sind über den Winkeltrieb getrieblich wirkverbunden, wobei das Differenzial 15 an einer von dem Planetengetriebe 3 abgewandten Seite der elektrischen Maschine 2 angeordnet ist.
Die erste Kupplung 4 und die zweite Kupplung 14 sind an der axial doppelseitig wirkenden Kupplungseinheit 13 ausgebildet. Axial bedeutet gleichgerichtet mit der zentralen Achse 11. Radial bedeutet demenzufolge senkrecht zur zentralen Achse 11 gerichtet. Die Kupplungseinheit 13 ist aus einer Schaltmuffe 23 sowie aus nicht weiter dargestellten Kupplungselementen 25 und 26 gebildet. Die erste Kupplung 4 und die zweite Kupplung 14 weisen die Schaltmuffe 23 als ein gemeinsames erstes Kupplungselement 24 auf. Über das erste Kupplungselement 24 ist wahlweise eine erste Leistungen übertragende Wirkverbindung zwischen der Rotorwelle 16 und der Abtriebswelle bzw. eine zweite Leistungen übertragende Wirkverbindung zwischen der Rotorwelle 16 und der ersten Anschlusswelle 27 über die zweite Anschlusswelle 28 ein-und ausrückbar.
Die 2, 3 und 4 zeigen verschiedene Gangpositionen mit dem jeweiligen Wirkfluss gestrichelt dargestellt. Das erste Kupplungselement 24 ist über die Kupplung 4 axial verschiebbar aber drehfest mit der zweiten Anschlusswelle 28 verbunden, die gleichzeitig der zweite Planetenträger 19 ist. Das dritte Kupplungselement 26 ist an der ersten Anschlusswelle 27 ausgebildet, die gleichzeitig das erste Sonnenrad 7 ist. Das zweite Kupplungselement 25 ist drehmomentfest mit der Abtriebswelle 5.
Die einzelnen axial zueinander benachbarten Positionen, in die das erste Kupplungselement 24 wahlweise axial verschiebbar ist, sind in den Darstellungen der 2, 3 und 4 mit „I“, „II“ und „0“ markiert.
2 zeigt das erste Kupplungselement 24 in der Position I mit Hilfe der ersten Kupplung 4. Das entspricht einem geschalteten 1. Gang. Die erste getriebliche Verbindung zwischen der Rotorwelle 16 und der Abtriebswelle 5 ist durch die über die Planetenstufe 12 gebildet.
3 zeigt das erste Kupplungselement in der Position II. Das entspricht einem geschalteten 2. Gang. Diese zweite getriebliche Verbindung ist zwischen der Rotorwelle 16 und der Abtriebswelle 5 durch die mit einander gekoppelte erste Planetenstufe 6 und zweite Planetenstufe 12 gebildet.
Es wird beispielhaft eine Gesamtübersetzung in der Antriebsvorrichtung 1 für den 1. Gang mit I = 8,88 angegeben. Die Gesamtübersetzung des 2. Gangs kann beispielhaft mit I = 2,98 angegeben werden, so dass die erste Drehmoment-Übersetzung der ersten getrieblichen Verbindung größer ist als die zweite Drehmoment-Übersetzung der zweiten getrieblichen Verbindung und somit die Ausgangsdrehzahl der Rotorwelle im 1. Gang wesentlich mehr reduziert ist als die im 2. Gang.
4 zeigt das erste Kupplungselement 24 in der Position 0, in der kein Gang geschaltet ist. In der Position 0 besteht keine Wirkverbindung des ersten Kupplungselements 24 mit dem zweiten Kupplungselement 25 und der ersten Anschlusswelle 27 noch mit dem dritten Kupplungselement 26 und der Abtriebswelle 5.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsvorrichtung
2: elektrische Maschine
3: Planetengetriebe
4: erste Kupplung
5: Abtriebswelle
6: erste Planetenstufe
7: erstes Sonnenrad
8: erstes Hohlrad
9: erster Planetenträger
10: erste Planetenräder
11: zentrale Achse
12: zweite Planetenstufe
13: Kupplungseinheit
14: zweite Kupplung
15: Differenzial
16: Rotorwelle
17: zweites Sonnenrad
18: zweites Hohlrad
19: zweiter Planetenträger
20: zweite Planetenräder
21: Ritzel
22: Antriebsrad
23: Schaltmuffe
24: erstes Kupplungselement
25: zweites Kupplungselement
26: drittes Kupplungselement
27: erste Anschlusswelle
28: zweite Anschlusswelle

Claims

Antriebsvorrichtung (1) mit einer elektrischen Maschine (2) mit einer Rotorwelle (16) und einem Planetengetriebe (3) mit - einer ersten Planetenstufe (6), mindestens umfassend ein erstes Sonnenrad (7), ein erstes Hohlrad (8), einen mit dem ersten Sonnenrad (7) und dem ersten Hohlrad (8) im Zahneingriff stehenden Satz erster Planetenräder (10) und einen diesen Satz tragenden ersten Planetenträger (9), - einer zweiten Planetenstufe (12), mindestens umfassend ein zweites Sonnenrad (17), ein zweites Hohlrad (18), einen mit dem zweiten Sonnenrad (17) und dem zweiten Hohlrad (18) im Zahneingriff stehenden Satz zweiter Planetenräder (20) und einen diesen Satz tragenden zweiten Planetenträger (19), - einer Abtriebswelle (5), - einer ersten Kupplung (4) zur Ausbildung einer ersten Wirkverbindung zwischen einer ersten Anschlusswelle (27) und einer zweiten Anschlusswelle (19), - einer zweiten Kupplung (14) zur Ausbildung einer zweiten Wirkverbindung zwischen dem ersten Planetenträger (9) und der zweiten Anschlusswelle (28), wobei die Rotorwelle (16), die erste Anschlusswelle (27) und die Abtriebswelle (5) eine gemeinsame zentrale Achse (11) aufweisen und die Abtriebswelle (5) koaxial durch die Rotorwelle (16) hindurchgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplung (4) und die zweite Kupplung (14) an einer axial doppelseitig wirkenden Kupplungseinheit (13) ausgebildet sind, wobei die Kupplungseinheit (13) in axialer Richtung zwischen der ersten Planetenstufe (6) und der zweiten Planetenstufe (12) angeordnet ist und über die Kupplungseinheit (13) wahlweise eine Drehmomente übertragende - erste Wirkverbindung zwischen einem zweiten Planetenträger (19) der zweiten Planetenstufe (12) und der Abtriebswelle (5) oder - zweite Wirkverbindung zwischen dem zweiten Planetenträger (19) der zweiten Planetenstufe (12) und einem ersten Sonnenrad (7) der ersten Planetenstufe (6) ausbildbar ist, und die Abtriebswelle (5) mit einem Differenzial (15) wirkverbunden ist, wobei das Differenzial (15) an einer von dem Planetengetriebe (3) abgewandten Seite der elektrischen Maschine (2) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Anschlusswelle (27) durch das erste Sonnenrad (7) ausgebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Anschlusswelle (28) durch den zweiten Planetenträger (19) ausgebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine erste getriebliche Verbindung durch die zweite Planetenstufe (12) gebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine zweite getriebliche Verbindung dadurch ausgebildet ist, dass die erste Planetenstufe (6) und die zweite Planetenstufe (12) über die erste Kupplung (4) zwischen der elektrischen Maschine (2) und der Abtriebswelle (5) Leistungen übertragend gekoppelt sind.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ausgehend von der Rotorwelle (16) hin zur Abtriebswelle (5) eine erste Drehmoment-Übersetzung der ersten getrieblichen Verbindung größer ist als eine zweite Drehmoment-Übersetzung der zweiten getrieblichen Verbindung in die gleiche Richtung.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Kupplung (4) und die zweite Kupplung (14) ein gemeinsames erstes Kupplungselement (24) aufweisen und wobei das erste Kupplungselement (24) wahlweise mit einem zweiten Kupplungselement (25) oder einem an der ersten Anschlusswelle (27) sitzenden dritten Kupplungselement (26) verbindbar ist.