DE102017205149A1

DE102017205149A1 - Antriebsanordnung mit einem Zapfwellengetriebe

Info

Publication number: DE102017205149A1
Application number: DE102017205149.3A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Reick; Lena Amann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Fahrzeug, umfassend einen Antriebsmotor (1), ein elektromechanisches stufenloses Hauptgetriebe (2) und ein stufenlos leistungsverzweigtes elektromechanisches Zapfwellengetriebe (3), wobei das Hauptgetriebe (2) über eine Hauptgetriebeeingangswelle (4) drehfest mit dem Antriebsmotor (1) verbindbar ist und über eine erste und/oder zweite Abtriebswelle (AB1, AB2) einen Fahrantrieb des Fahrzeugs realisiert, wobei ferner das Zapfwellengetriebe (3) eine elektrische Maschine (5) und ein damit verbundenes Planetengetriebe (14) mit einem Hohlrad (7), einem Sonnenrad (8) und einem drehbar auf einem Planetenträger (9) angeordneten Planetenradsatz (10) aufweist, wobei das Zapfwellengetriebe (3) über eine Zapfwellengetriebeeingangswelle (11) drehfest mit dem Antriebsmotor (1) verbindbar ist und über eine dritte Abtriebswelle (AB3) einen Nebenabtrieb des Fahrzeugs realisiert, und wobei das Hauptgetriebe (2) und das Zapfwellengetriebe (3) über eine elektrische Leitung (6) miteinander wirkverbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Fahrzeug, umfassend einen Antriebsmotor, ein Hauptgetriebe und ein Zapfwellengetriebe. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Arbeitsmaschine oder ein landwirtschaftliches Fahrzeug mit einer solchen Antriebsanordnung.
Arbeitsmaschinen und landwirtschaftliche Fahrzeuge sind in zunehmendem Umfang mit stufenlos leistungsverzweigten Getrieben ausgestattet. Durch den Einsatz stufenlos leistungsverzweigter Getriebe in Kombination mit einer entsprechenden Fahrstrategie sind die Leistungsfähigkeit, der Komfort sowie der Kraftstoffverbrauch dieser Fahrzeuge optimierbar.
Nebenabtriebe bei solchen Fahrzeugen sind auch unter der Bezeichnung PTO (Power Take Off) bekannt. Der Nebenabtrieb dient dem Antrieb einer oder mehrerer Zapfwellen, welche für den Antrieb von Anbaugeräten benötigt werden. Der Nebenabtrieb umfasst in der Regel mindestens ein Getriebe, insbesondere ein Zapfwellengetriebe, welches im Antriebsstrang zwischen dem Antriebsmotor des Fahrzeugs und der Zapfwelle, die als Abtriebswelle ausgebildet ist, angeordnet ist.
Beispielsweise geht aus der DE 10 2014 214 477 A1 ein Nebenabtrieb eines Nutzfahrzeuges mit Fahrmotor für einen stufenlosen Antrieb einer Zapfwelle hervor. Der Nebenantrieb umfasst ein Zapfwellengetriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle, wobei auf der Getriebeeingangswelle ein mechanischer Variator und zwischen der Getriebeeingangswelle und der Getriebeausgangswelle mindestens eine Übersetzungsstufe angeordnet sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antriebsanordnung mit einem Zapfwellengetriebe weiterzuentwickeln und insbesondere kompakt auszubilden. Gleichzeitig soll die Leistungsdichte erhöht werden. Ferner besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein leistungsoptimiertes Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung mit einem Zapfwellengetriebe zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 9 bis 11. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung für ein Fahrzeug umfasst einen Antriebsmotor, vorzugsweise ein elektromechanisches stufenloses Hauptgetriebe und ein stufenlos leistungsverzweigtes elektromechanisches Zapfwellengetriebe, wobei das Hauptgetriebe über eine Hauptgetriebeeingangswelle drehfest mit dem Antriebsmotor verbindbar ist und über eine erste und/oder zweite Abtriebswelle einen Fahrantrieb des Fahrzeugs realisiert, wobei ferner das Zapfwellengetriebe eine elektrische Maschine und ein damit verbundenes Planetengetriebe mit einem Hohlrad, einem Sonnenrad und einem drehbar auf einem Planetenträger angeordneten Planetenradsatz aufweist, wobei das Zapfwellengetriebe über eine Zapfwellengetriebeeingangswelle drehfest mit dem Antriebsmotor verbindbar ist und über eine dritte Abtriebswelle einen Nebenabtrieb des Fahrzeugs realisiert, und wobei das Hauptgetriebe und das Zapfwellengetriebe über eine elektrische Leitung miteinander wirkverbunden sind. Vorzugsweise ist das Planetengetriebe als Minus-Planetenradsatz ausgebildet.
Der Ausdruck verbindbar beschreibt in dem obigen Zusammenhang, dass der Antriebsmotor direkt oder indirekt (zum Beispiel über eine Stirnradstufe) drehfest mit der Hauptgetriebeeingangswelle und/oder der Zapfwellengetriebeeingangswelle, alternativ aber auch lösbar mit diesen verbunden sein kann. Eine lösbare drehfeste Verbindung ist unter Zuhilfenahme eines Schaltelements, insbesondere einer Kupplung, darstellbar. Dadurch sind ist hinsichtlich der Übertragung einer Drehbewegung zwischen Antriebsmotor und Hauptgetriebe-/Zapfwelleneingangswelle, eine Trennung, eine drehfeste oder (bei Verwendung eines reibschlüssigen Schaltelements) eine schlupfende Verbindung darstellbar,
Unter leistungsverzweigt ist zu verstehen, dass eine Eingangsleistung in mehrere Leistungszweige aufgeteilt wird. Das Planetengetriebe dient als Leistungsverzweigungsgetriebe und weist mindestens drei Wellen auf. In einem Zwei-Wellen-Betrieb ist eine der Wellen festgesetzt, wodurch sich zwangsläufig die Drehung der nicht angetriebenen Welle ergibt. In einem Drei-Wellen-Betrieb arbeitet das Planetengetriebe als Summiergetriebe oder als Verteilergetriebe. Bei dem Summiergetriebe sind zwei Wellen treibend ausgeführt und eine Welle ist getrieben. Im Gegensatz dazu ist bei einem Verteilergetriebe eine Welle treibend ausgeführt und zwei Wellen sind getrieben. Unter einer Welle ist nachfolgend nicht ausschließlich ein beispielsweise zylindrisches, drehbar gelagertes Getriebeelement zur Übertragung von Drehmomenten und Drehzahlen zu verstehen, sondern vielmehr sind hierunter auch allgemeine Verbindungselemente zu verstehen, die einzelne Bauteile oder Elemente miteinander verbinden. Insbesondere ist eine Welle eines Planetengetriebes als Sonnenrad, Hohlrad oder Planetenträger ausgebildet.
Die Kopplung des Hauptgetriebes und des Zapfwellengetriebes über die elektrische Leitung impliziert, dass sowohl das Hauptgetriebe als auch das Zapfwellengetriebe zumindest eine elektrische Maschine umfassen, wobei die jeweilige elektrische Maschine dazu vorgesehen ist, die Übersetzung des jeweiligen Getriebes stufenlos einzustellen. Die jeweilige elektrische Maschine umfasst einen drehbaren Rotor mit einer Rotorwelle sowie einen gehäusefesten Stator. Ferner sind das Hauptgetriebe und das Zapfwellengetriebe über Wellen und Zahnräder auch mechanisch miteinander gekoppelt.
Die erste und zweite Abtriebswelle sind im Leistungsfluss nach dem Hauptgetriebe angeordnet und zumindest mittelbar mit dem Hauptgetriebe verbunden. Mithin ist das Hauptgetriebe primär dazu vorgesehen, eine Antriebsleistung auf mindestens eine der beiden Abtriebswellen zu verteilen. Vorzugsweise ist im Leistungsfluss zwischen dem Hauptgetriebe und der ersten oder zweiten Abtriebswelle eine Kupplung angeordnet. Unter einer Kupplung ist ein Schaltelement zu verstehen, das je nach Betätigungszustand eine Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen zulässt oder eine feste Verbindung zur Übertragung eines Drehmoments beziehungsweise einer Drehbewegung ermöglicht. Insbesondere ist die Kupplung als reibschlüssige Kupplung ausgebildet, wobei über einen Aktuator eine Kraft auf die Kupplung eingeleitet wird, um eine Reibkraft zu erzeugen, durch welche eine Drehbewegung beziehungsweise ein Drehmoment zwischen den zwei drehbeweglichen Bauteilen übertragbar ist. Dabei ist die erste Abtriebswelle zumindest mittelbar mit einer ersten Antriebsachse des Fahrzeugs verbunden und die zweite Abtriebswelle ist zumindest mittelbar mit einer zweiten Achse des Fahrzeugs verbunden. Mithin ist die Kupplung in einem geschlossenen Zustand dazu vorgesehen, einen Allradantrieb des Fahrzeugs zu realisieren. Im geöffneten Zustand der Kupplung wird die Antriebsleistung vorzugsweise auf die beiden Räder der Hinterachse des Fahrzeugs verteilt.
Bei dem Antriebsmotor handelt es sich in bevorzugter Weise um eine Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einen mit Gas, Benzin oder Dieselkraftstoff betriebenen Motor. Alternativ kann der Antriebsmotor jedoch auch in Form einer elektrischen Maschine oder als eine Kombination aus einer Verbrennungskraftmaschine beliebiger Bauart und einer elektrischen Maschine ausgebildet sein.
Unter wirkverbunden ist zu verstehen, dass zwei Elemente direkt miteinander verbunden sein können, oder sich zwischen zwei Elementen noch weitere Elemente befinden, beispielsweise eine oder mehrere Stirnradstufen. Eine Verbindung zwischen zwei Getriebeelementen ist im Wesentlichen dazu vorgesehen, ein Drehmoment und eine Drehbewegung von einem Getriebeelement auf das andere Getriebeelement zu übertragen.
Die Übersetzung des Zapfwellengetriebes kann stufenlos verändert werden. Insbesondere kann eine konstante Drehzahl an der dritten Abtriebswelle von beispielsweise 540 1/min oder 1000 1/min bei verschiedenen Drehzahlen des Antriebsmotors eingestellt werden. Der Antriebsmotor wird idealerweise mit einer möglichst geringen Motordrehzahl, beispielsweise von 1400 1/min bis 1600 1/min, betrieben. Durch diese relativ geringe Drehzahl des Antriebsmotors wird der Antriebsmotor besser ausgelastet als ein Antriebsmotor, der mit einer höheren Drehzahl betrieben wird. Daraus resultiert vor allen Dingen eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs. Insbesondere kann die Drehzahl an der dritten Abtriebswelle bei voller Leistung des Antriebsmotors stufenlos zwischen den Drehzahlen von 540 1/min bis 1000 1/min variiert werden. Vorteilhaft wird bei einem Betrieb der Zapfwelle mit 540 1/min oder 1000 1/min das Auftreten von Blindleistungen vermieden. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine motorisch betrieben und der Nebenabtrieb stets angetrieben wird. In alternativen Ausführungen kann die elektrische Maschine auch generatorisch betrieben werden, dies erfordert jedoch das Vorhandensein eines elektrischen Verbrauchers, um die bereitgestellte elektrische Energie aufzunehmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hohlrad drehfest mit der Zapfwellengetriebeeingangswelle wirkverbunden, wobei das Sonnenrad drehfest mit einer Rotorwelle der elektrischen Maschine wirkverbunden ist, und wobei der Planetenträger mit der dritten Abtriebswelle wirkverbunden ist. Mithin wird über das Hohlrad die Antriebsleistung des Antriebsmotors in das Zapfwellengetriebe eingeleitet. Demgegenüber wird in einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine das Sonnenrad als Antriebswelle verwendet, indem Antriebsleistung von der elektrischen Maschine in das Zapfwellengetriebe eingeleitet wird. In einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine wird das Sonnenrad als Abtriebswelle verwendet, wobei dann die Rotorwelle der elektrischen Maschine angetrieben wird, sodass die elektrische Maschine elektrische Energie erzeugt, die über die elektrische Leitung abgeführt wird. Ferner wird über den Planetenträger ein Abtrieb realisiert. Insbesondere ist am Planetenträger eine Verzahnung ausgebildet, die mit einem ersten Stirnrad im Zahneingriff steht, wobei das erste Stirnrad mit einem zweiten Stirnrad im Zahneingriff steht, und wobei das zweite Stirnrad mit einem Festrad an der dritten Abtriebswelle im Zahneingriff steht. Die dritte Abtriebswelle ist parallel zur Rotorwelle ausgebildet. Über die Stirnradstufen wird ein Achsversatz zwischen der Rotorwelle und der dritten Abtriebswelle realisiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Planetenträger drehfest mit der Zapfwellengetriebeeingangswelle wirkverbunden, wobei das Sonnenrad drehfest mit einer Rotorwelle der elektrischen Maschine wirkverbunden ist, und wobei das Hohlrad mit der dritten Abtriebswelle wirkverbunden ist. Mithin wird über den Planetenträger die Antriebsleistung des Antriebsmotors in das Zapfwellengetriebe eingeleitet. Demgegenüber wird in einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine das Sonnenrad als Antriebswelle verwendet, indem die Antriebsleistung von der elektrischen Maschine in das Zapfwellengetriebe eingeleitet wird. In einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine wird das Sonnenrad als Abtriebswelle verwendet, wobei dann die Rotorwelle der elektrischen Maschine angetrieben wird, sodass die elektrische Maschine elektrische Energie erzeugt, die über die elektrische Leitung abgeführt wird. Ferner wird über das Hohlrad ein Abtrieb realisiert. Insbesondere ist am Planetenträger eine Verzahnung ausgebildet, die mit einem ersten Stirnrad im Zahneingriff steht, wobei das erste Stirnrad mit einem zweiten Stirnrad im Zahneingriff steht, und wobei das zweite Stirnrad mit einem Festrad an der dritten Abtriebswelle im Zahneingriff steht. Die dritte Abtriebswelle ist parallel zur Rotorwelle ausgebildet. Über die Stirnradstufen wird ein Achsversatz zwischen der Rotorwelle und der dritten Abtriebswelle realisiert.
Vorzugsweise umfasst das Zapfwellengetriebe eine Gangschaltungsvorrichtung, wobei die Gangschaltungsvorrichtung im Leistungsfluss zwischen dem Planetengetriebe und der dritten Abtriebswelle angeordnet ist. Mithin wird die dritte Abtriebswelle über die Gangschaltungsvorrichtung mit dem Planetengetriebe verbunden. Insbesondere ist die Gangschaltungsvorrichtung dazu vorgesehen, zwei Gangstufen zu realisieren, die über ein in der Gangschaltungsvorrichtung integrierte Schaltvorrichtung wählbar sind.
Bevorzugt ist die Zapfwellengetriebeeingangswelle über eine erste Bremse stationär festlegbar. Ferner bevorzugt ist die dritte Abtriebswelle über eine zweite Bremse stationär festlegbar. Unter einer Bremse ist ein reibschlüssiges Schaltelement zu verstehen, welches auf der einen Seiten mit einem feststehenden Element, beispielsweise einem Gehäuse, und auf einer anderen Seite mit einem rotierbaren Element, beispielsweise der Zapfwellengetriebeeingangswelle oder der dritten Abtriebswelle, verbunden ist. Über einen Aktuator wird eine Kraft auf die Verbindungsstelle eingeleitet, wodurch eine Reibkraft entsteht, durch welche eine Drehbewegung des drehbaren Bauteils gegen das feststehende Bauteil abgestützt und somit die Drehbewegung gehemmt beziehungsweise verhindert wird. Im Folgenden ist unter einer nicht betätigten Bremse eine geöffnete Bremse zu verstehen. Dies bedeutet, dass sich das rotierbare Bauteil im Freilauf befindet, und die Bremse somit keinen Einfluss auf die Drehzahl des rotierbaren Bauteils nimmt. Bei betätigter beziehungsweise geschlossener Bremse erfolgt eine Reduzierung der Drehzahl des rotierbaren Bauteils. Je nach Anwendung kann die Reduzierung der Drehzahl des rotierbaren Bauteils bis hin zum Stillstand erfolgen. Dies bedeutet dann, dass eine feste Verbindung zwischen dem rotierbaren Bauteil und dem feststehenden Bauteil herstellbar ist. Alternativ dazu sind auch Ausführungen denkbar, bei denen die Bremse im betätigten Zustand geöffnet und im nicht betätigten Zustand geschlossen ist.
In weiteren alternativen Ausführungsformen ist auch eine formschlüssige Bremse denkbar. Bei formschlüssigen Verbindungen erfolgt eine beispielsweise drehfeste Verbindung zweier Bauteile aufgrund des Eingriffs der Konturen der zu verbindenden Bauteile. Formschlüssige Verbindungen weisen insbesondere den Vorteil auf, dass sie bei vergleichsweise geringen Abmessungen und Gewicht hohe Kräfte und Momente übertragen können. Darüber hinaus ist die aufzubringende Energie für die Verbindungsherstellung wesentlich geringer als bei reibschlüssigen Verbindungen, wodurch beispielsweise der Aktuator kleiner ausgelegt werden kann.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die elektrische Leitung mit einer elektrischen Schnittstelle verbindbar ist. Beispielsweise dient die elektrische Schnittstelle zur Anbindung eines Energiespeichers an die elektrische Leitung. Der Energiespeicher ist vorzugsweise als Akkumulator ausgebildet und dazu vorgesehen, abgezweigte elektrische Energie zu speichern, beziehungsweise gespeicherte elektrische Energie den elektrischen Maschinen des Haupt- und/oder Zapfwellengetriebes aber auch anderen Verbrauchern zuzuführen. Ferner ist es denkbar, dass die elektrische Leitung über die elektrische Schnittstelle mit einem elektrischen Netz verbunden ist, um elektrische Energie in das elektrische Netz einzuspeisen oder aus dem elektrischen Netz abzugreifen.
Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung wird die dritte Abtriebswelle stationär festgelegt, wobei der Antriebsmotor bei einem Stillstand des Fahrzeugs mechanische Leistung in das Zapfwellengetriebe und/oder in das Hauptgetriebe einspeist, um über das Zapfwellengetriebe und/oder das Hauptgetriebe elektrische Leistung zu erzeugen, die über die elektrische Leitung an der elektrischen Schnittstelle bereitgestellt wird. Mithin wird die gesamte Systemleistung der Antriebsanordnung von dem Antriebsmotor bereitgestellt. Zur stationären Festlegung der dritten Abtriebswelle wird die zweite Bremse geschlossen. Die jeweilige elektrische Maschine des Zapfwellengetriebes und/oder des Hauptgetriebes wird generatorisch betrieben, um mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln.
Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung wird die Zapfwellengetriebeeingangswelle stationär festgelegt, wobei die elektrische Schnittstelle bei einem Stillstand des Fahrzeugs elektrische Leistung in das Zapfwellengetriebe einspeist, um über das Zapfwellengetriebe mechanische Leistung an der dritten Abtriebswelle bereitzustellen. Mithin wird die gesamte Systemleistung der Antriebsanordnung von der elektrischen Schnittstelle bereitgestellt. Der Antriebsmotor ist nicht im Betrieb. Zur stationären Festlegung der Zapfwellengetriebeeingangswelle wird die erste Bremse geschlossen. Die elektrische Maschine des Zapfwellengetriebes wird motorisch betrieben, um die elektrische Leistung in mechanische Leistung an der dritten Abtriebswelle umzuwandeln.
Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung wird die Zapfwellengetriebeeingangswelle stationär festgelegt, wobei die elektrische Schnittstelle elektrische Leistung in das Zapfwellengetriebe und/oder in das Hauptgetriebe einspeist, um über das Zapfwellengetriebe und/oder das Hauptgetriebe mechanische Leistung an der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Abtriebswelle bereitzustellen. Mithin wird die gesamte Systemleistung der Antriebsanordnung von der elektrischen Schnittstelle bereitgestellt. Der Antriebsmotor ist nicht im Betrieb. Zur stationären Festlegung der Zapfwellengetriebeeingangswelle wird die erste Bremse geschlossen. Die jeweilige elektrische Maschine des Zapfwellengetriebes und/oder des Hauptgetriebes wird motorisch betrieben, um die elektrische Leistung in mechanische Leistung der jeweiligen Abtriebswelle umzuwandeln.
Im Folgenden werden drei exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt

1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit einem Hauptgetriebe und einem Zapfwellengetriebe,
2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Zapfwellengetriebes der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Zapfwellengetriebes der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
4 eine vereinfachte schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Zapfwellengetriebes der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
5a eine vereinfachte schematische Darstellung einer ersten Betriebsstrategie der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
5b eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Betriebsstrategie der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, und
5c eine vereinfachte schematische Darstellung einer dritten Betriebsstrategie der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung.

Gemäß 1 umfasst eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung für eine - hier nicht dargestellte - Arbeitsmaschine einen Antriebsmotor 1, ein elektromechanisches stufenloses Hauptgetriebe 2 und ein stufenlos leistungsverzweigtes elektromechanisches Zapfwellengetriebe 3. Das Hauptgetriebe 2 ist eingangsseitig über eine Hauptgetriebeeingangswelle 4 drehfest mit dem Antriebsmotor 1 wirkverbunden. Ferner ist das Hauptgetriebe 2 ausgangsseitig mit einer ersten und zweiten Abtriebswelle AB1, AB2 wirkverbunden, um einen Fahrantrieb des Fahrzeugs zu realisieren. Im Leistungsfluss zwischen dem Hauptgetriebe 2 und der zweite Abtriebswelle AB2 ist eine Kupplung K angeordnet, die dazu vorgesehen ist, eine Allradzu- oder abschaltung vorzunehmen und somit die zweite Abtriebswelle AB2 von dem Hauptgetriebe 2 zu trennen oder mit dem Hauptgetriebe 2 zu verbinden. Ferner ist das Zapfwellengetriebe 3 eingangsseitig über eine Zapfwellengetriebeeingangswelle 11 drehfest mit dem Antriebsmotor 1 verbindbar. Die Zapfwellengetriebeeingangswelle 11 und die Hauptgetriebeeingangswelle 4 sind vorliegend über eine - hier nicht weiter dargestellte - Stirnradstufe miteinander wirkverbunden. In alternativen Weiterbildungen kann es sich bei der Zapfwellengetriebeeingangswelle 11 und der Hauptgetriebeeingangswelle 4 um ein und dieselbe Welle handelt, sodass die Stirnradstufe entfällt. Ausgangsseitig ist das Zapfwellengetriebe 3 mit einer dritten Abtriebswelle AB3 wirkverbunden, um über die dritte Abtriebswelle AB3 einen mechanischen Nebenabtrieb des Fahrzeugs zu realisieren. Unter einem mechanischen Nebenabtrieb ist eine PTO-Verbindung (PTO = Power Take Off) zu verstehen, über welche ein - hier nicht dargestelltes - Anbaugerät mechanisch angetrieben werden kann. Des Weiteren sind das Hauptgetriebe 2 und das Zapfwellengetriebe 3 über eine elektrische Leitung 6 miteinander wirkverbunden und können somit über einen Austausch von elektrischer Energie miteinander wechselwirken. Die elektrische Leitung 6 ist mit einer elektrischen Schnittstelle 15, einer sogenannten EPTO-Verbindung (EP-TO = Electric Power Take Off) wirkverbunden. Über die elektrische Schnittstelle 15 kann der Antriebsanordnung elektrische Energie zu- oder abgeführt werden.
In den 2 und 3 ist ein jeweiliges Ausführungsbeispiel des Zapfwellengetriebes 3 dargestellt. Das jeweilige Zapfwellengetriebe 3 weist eine elektrische Maschine 5 und ein damit verbundenes Planetengetriebe 14 auf. Das Planetengetriebe 14 umfasst ein Hohlrad 7, ein Sonnenrad 8 und ein drehbar auf einem Planetenträger 9 angeordneten Planetenradsatz 10 mit mehreren Planetenrädern. Die Planetenräder des Planetenradsatzes 10 kämmen radial zwischen dem Hohlrad 7 und dem Sonnenrad 8. Das Hohlrad 7 ist drehfest mit der Zapfwellengetriebeeingangswelle 11 wirkverbunden. Das Sonnenrad 8 ist drehfest mit einer Rotorwelle 12 der elektrischen Maschine 5 wirkverbunden. Ferner ist der Planetenträger 9 mit der dritten Abtriebswelle AB3 wirkverbunden.
Gemäß 2 ist im Leistungsfluss zwischen dem Planetenträger 9 und der dritten Abtriebswelle AB3 ein erstes, zweites und drittes Stirnrad S1, S2, S3 angeordnet, wobei das erste Stirnrad S1 mit einer Verzahnung am Planetenträger 9 und dem zweiten Stirnrad S2 kämmt, wobei ferner das zweite Stirnrad S2 mit dem dritten Stirnrad S3 kämmt, und wobei das dritte Stirnrad S3 als Festrad an Abtriebswelle AB3 ausgebildet und somit drehfest mit der Abtriebswelle AB3 verbunden ist. Mithin weist das Zapfwellengetriebe 3 vier parallel zueinander angeordnete Rotationsachsen auf.
Nach 3 ist im Leistungsfluss zwischen dem Planetenträger 9 und der dritten Abtriebswelle AB3 eine erste und zweite Welle W1, W2 sowie eine Gangschaltungsvorrichtung 13 angeordnet. An der ersten Welle W1 ist ein erstes und ein zweites als Festrad ausgebildetes Stirnrad S1, S2 angeordnet und an der zweiten Welle W2 ist ein drittes und ein viertes als Festrad ausgebildetes Stirnrad S3, S4 angeordnet. Ferner weist die Gangschaltungsvorrichtung 13 ein fünftes und ein sechstes Stirnrad S5, S6 auf, wobei je nach Schaltstellung der Gangschaltungsvorrichtung 13 entweder das fünfte oder das sechste Stirnrad S5, S6 mit der dritten Abtriebswelle AB3 drehfest verbindbar ist und dadurch zwei unterschiedliche Übersetzungen realisierbar sind. Das erste Stirnrad S1 kämmt mit einer Verzahnung am Planetenträger 9. Das zweite Stirnrad S2 kämmt mit dem dritten Stirnrad S3, wobei ferner das dritte Stirnrad S3 mit dem fünften Stirnrad S5 kämmt. Das vierte Stirnrad S4 kämmt mit dem sechsten Stirnrad S6. Das Zapfwellengetriebe 3 weist vier parallel zueinander angeordnete Rotationsachsen auf.
Gemäß 4 weist das Zapfwellengetriebe 3 eine elektrische Maschine 5 und ein damit verbundenes Planetengetriebe 14 auf, wobei das Planetengetriebe 14 ein Hohlrad 7, ein Sonnenrad 8 und ein drehbar auf einem Planetenträger 9 angeordneten Planetenradsatz 10 mit mehreren Planetenrädern umfasst. Die Planetenräder des Planetenradsatzes 10 kämmen radial zwischen dem Hohlrad 7 und dem Sonnenrad 8. Der Planetenträger 9 ist drehfest mit der Zapfwellengetriebeeingangswelle 11 wirkverbunden, wobei das Sonnenrad 8 drehfest mit einer Rotorwelle 12 der elektrischen Maschine 5 wirkverbunden ist, und wobei das Hohlrad 7 mit der dritten Abtriebswelle AB3 wirkverbunden ist. Im Leistungsfluss ist zwischen dem Hohlrad 7 und der dritten Abtriebswelle AB3 eine erste und zweite Welle W1, W2 sowie eine Gangschaltungsvorrichtung 13 angeordnet. An der ersten Welle W1 ist ein erstes und ein zweites als Festrad ausgebildetes Stirnrad S1, S2 angeordnet und an der zweiten Welle W2 ist ein drittes und ein viertes als Festrad ausgebildetes Stirnrad S3, S4 angeordnet. Ferner weist die Gangschaltungsvorrichtung 13 ein fünftes und ein sechstes Stirnrad S5, S6 auf, wobei je nach Schaltstellung der Gangschaltungsvorrichtung 13 entweder das fünfte oder das sechste Stirnrad S5, S6 mit der dritten Abtriebswelle AB3 drehfest verbindbar ist und somit zwei unterschiedliche Übersetzungen realisierbar sind. Das erste Stirnrad S1 kämmt mit einer Verzahnung am Hohlrad 7. Das zweite Stirnrad S2 kämmt mit dem dritten Stirnrad S3, wobei ferner das dritte Stirnrad S3 mit dem fünften Stirnrad S5 kämmt. Das vierte Stirnrad S4 kämmt mit dem sechsten Stirnrad S6. Das Zapfwellengetriebe 3 weist vier parallel zueinander angeordnete Rotationsachsen auf.
Die Ausführungsbeispiele gemäß den 3 und 4 ermöglichen aufgrund der Gangschaltungsvorrichtung 13 die Verwendung einer kleineren und insbesondere drehmomentschwächeren elektrischen Maschine 5 im Zapfwellengetriebe 3.
Gemäß den 5a, 5b und 5c wird ein jeweiliges Verfahren zur Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, insbesondere eine jeweilige Funktion einer jeweiligen erfindungsgemäßen Antriebsanordnung bildlich dargestellt. Der Fluss der mechanischen und elektrischen Leistung wird durch die Pfeile dargestellt, wobei die relative Größe der Pfeile ein Maß für die Leistungsmenge für einen beispielhaften Betriebspunkt ist.
In 5a speist der Antriebsmotor 1 mechanische Leistung in das Zapfwellengetriebe 3 und in das Hauptgetriebe 2 ein, wobei das Fahrzeug stillsteht. Die mechanische Leistung wird im Zapfwellengetriebe 3 und im Hauptgetriebe 2 in elektrische Leistung umgewandelt und über die elektrische Leitung 6 an die elektrische Schnittstelle 15 geleitet. Die dritte Abtriebswelle AB3 wird über eine zweite Bremse B2, die vorliegend mit der dritten Abtriebswelle AB3 und einem Gehäuse 16 wirkverbunden ist, stationär festgelegt. Ferner stehen auch die erste und zweite Abtriebswelle AB1, AB2 still.
Nach 5b wird über die elektrische Schnittstelle 15 und die elektrische Leitung 6 elektrische Leistung in das Zapfwellengetriebe 3 eingespeist, um über das Zapfwellengetriebe 3 mechanische Leistung an der dritten Abtriebswelle AB3 bereitzustellen. Mithin stehen die erste und zweite Abtriebswelle AB1, AB2 und somit auch das Fahrzeug still. Die Zapfwellengetriebeeingangswelle 11 wird über eine erste Bremse B1, die vorliegend mit der Zapfwellengetriebeeingangswelle 11 und einem Gehäuse 16 wirkverbunden ist, stationär festgelegt. Der Antriebsmotor 1 und das Hauptgetriebe 2 sind nicht im Betrieb.
Gemäß 5c wird über die elektrische Schnittstelle 15 und die elektrische Leitung 6 elektrische Leistung in das Zapfwellengetriebe 3 und in das Hauptgetriebe 2 einspeist, um zum einen über das Zapfwellengetriebe 3 mechanische Leistung an der dritten Abtriebswelle AB3 bereitzustellen, und zum anderen über das das Hauptgetriebe 2 mechanische Leistung zumindest an der ersten Abtriebswelle AB1 bereitzustellen. Durch Schließen einer Kupplung K, die wirksam zwischen der zweiten Abtriebswelle AB2 und dem Hauptgetriebe 2 angeordnet ist, kann die zweite Abtriebswelle AB2 ebenfalls mit dem Hauptgetriebe 2 wirkverbunden werden. Das Fahrzeug wird somit mit elektrischer Leistung von der elektrischen Schnittstelle 15 angetrieben. Der Antriebsmotor 1 ist nicht im Betrieb. Die Zapfwellengetriebeeingangswelle 11 wird über eine erste Bremse B1, die vorliegend mit der Zapfwellengetriebeeingangswelle 11 und einem Gehäuse 16 wirkverbunden ist, stationär festgelegt.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsmotor
2: Hauptgetriebe
3: Zapfwellengetriebe
4: Hauptgetriebeeingangswelle
5: elektrische Maschine
6: elektrische Leitung
7: Hohlrad
8: Sonnenrad
9: Planetenträger
10: Planetenradsatz
11: Zapfwellengetriebeeingangswelle
12: Rotorwelle
13: Gangschaltungsvorrichtung
14: Planetengetriebe
15: elektrische Schnittstelle
16: Gehäuse
AB1: erste Abtriebswelle
AB2: zweite Abtriebswelle
AB3: dritte Abtriebswelle
B1: erste Bremse
B2: zweite Bremse
K: Kupplung
S1: erstes Stirnrad
S2: zweites Stirnrad
S3: drittes Stirnrad
S4: viertes Stirnrad
S5: fünftes Stirnrad
S6: sechstes Stirnrad
W1: erste Welle
W2: zweite Welle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014214477 A1 [0004]

Claims

Antriebsanordnung für ein Fahrzeug, umfassend einen Antriebsmotor (1), ein elektromechanisches stufenloses Hauptgetriebe (2) und ein stufenlos leistungsverzweigtes elektromechanisches Zapfwellengetriebe (3), wobei das Hauptgetriebe (2) über eine Hauptgetriebeeingangswelle (4) drehfest mit dem Antriebsmotor (1) verbindbar ist und über eine erste und/oder zweite Abtriebswelle (AB1, AB2) einen Fahrantrieb des Fahrzeugs realisiert, wobei ferner das Zapfwellengetriebe (3) eine elektrische Maschine (5) und ein damit verbundenes Planetengetriebe (14) mit einem Hohlrad (7), einem Sonnenrad (8) und einem drehbar auf einem Planetenträger (9) angeordneten Planetenradsatz (10) aufweist, wobei das Zapfwellengetriebe (3) über eine Zapfwellengetriebeeingangswelle (11) drehfest mit dem Antriebsmotor (1) verbindbar ist und über eine dritte Abtriebswelle (AB3) einen Nebenabtrieb des Fahrzeugs realisiert, und wobei das Hauptgetriebe (2) und das Zapfwellengetriebe (3) über eine elektrische Leitung (6) miteinander wirkverbunden sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (7) drehfest mit der Zapfwellengetriebeeingangswelle (11) wirkverbunden ist, wobei das Sonnenrad (8) drehfest mit einer Rotorwelle (12) der elektrischen Maschine (5) wirkverbunden ist, und wobei der Planetenträger (9) mit der dritten Abtriebswelle (AB3) wirkverbunden ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (9) drehfest mit der Zapfwellengetriebeeingangswelle (11) wirkverbunden ist, wobei das Sonnenrad (8) drehfest mit einer Rotorwelle (12) der elektrischen Maschine (5) wirkverbunden ist, und wobei das Hohlrad (7) mit der dritten Abtriebswelle (AB3) wirkverbunden ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfwellengetriebe (3) eine Gangschaltungsvorrichtung (13) umfasst, wobei die Gangschaltungsvorrichtung (13) im Leistungsfluss zwischen dem Planetengetriebe (14) und der dritten Abtriebswelle (AB3) angeordnet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfwellengetriebeeingangswelle (11) über eine erste Bremse (B1) stationär festlegbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Abtriebswelle (AB3) über eine zweite Bremse (B2) stationär festlegbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Leistungsfluss zwischen dem Hauptgetriebe (2) und der ersten oder zweite Abtriebswelle (AB1, AB2) eine Kupplung (K) angeordnet ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (6) mit einer elektrischen Schnittstelle (15) verbindbar ist.
Verfahren zur Ansteuerung einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Abtriebswelle (AB3) stationär festgelegt wird, wobei der Antriebsmotor (1) bei einem Stillstand des Fahrzeugs mechanische Leistung in das Zapfwellengetriebe (3) und/oder in das Hauptgetriebe (2) einspeist, um über das Zapfwellengetriebe (3) und/oder das Hauptgetriebe (2) elektrische Leistung zu erzeugen, die über die elektrische Leitung (6) an der elektrischen Schnittstelle (15) bereitgestellt wird.
Verfahren zur Ansteuerung einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfwellengetriebeeingangswelle (11) stationär festgelegt wird, wobei die elektrische Schnittstelle (15) bei einem Stillstand des Fahrzeugs elektrische Leistung in das Zapfwellengetriebe (3) einspeist, um über das Zapfwellengetriebe (3) mechanische Leistung an der dritten Abtriebswelle (AB3) bereitzustellen.
Verfahren zur Ansteuerung einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfwellengetriebeeingangswelle (11) stationär festgelegt wird, wobei die elektrische Schnittstelle (15) elektrische Leistung in das Zapfwellengetriebe (3) und/oder in das Hauptgetriebe (2) einspeist, um über das Zapfwellengetriebe (3) und/oder das Hauptgetriebe (2) mechanische Leistung an der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Abtriebswelle (AB1, AB2, AB3) bereitzustellen.
Verwendung einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Arbeitsmaschine oder in einem landwirtschaftlichen Fahrzeug.