DE102018202837B4

DE102018202837B4 - Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018202837B4
Application number: DE102018202837.0A
Authority: DE
Inventors: Tassilo Scholle
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: DE102018202837A1

Abstract

Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer als Magnetgetriebe ausgebildeten Elektromaschine (1), die zumindest einen Stator (7) aufweist, der im Fahrbetrieb mit zumindest zwei Rotoren (9, 11) elektromagnetisch Energie austauscht, von denen ein erster Rotor (11) drehfest auf einer Elektromaschinenwelle (13) angeordnet ist, die in trieblicher Verbindung mit einem Achsdifferenzial (5) einer Fahrzeugachse ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung einer Zweigangschaltung die Antriebsvorrichtung ein Schaltelement (SE) aufweist, das in einer ersten Schaltstellung den zweiten Rotor an einem Getriebegehäuse (31) festsetzt, und zwar unter Bildung eines ersten Vorwärtsganges, und in einer zweiten Schaltstellung den zweiten Rotor (9) mit dem ersten Rotor (11) drehfest koppelt, und zwar unter Bildung eines zweiten Vorwärtsganges, und dass die Elektromaschine (1) eine Doppelrotor-Elektromaschine ist, in der in konzentrischer Anordnung der erste Rotor (11) radial innen läuft, der zweite Rotor (9) in Radialrichtung mittig angeordnet ist, und der Stator (7) radial außen angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein zweispuriges Fahrzeug mit Elektroantrieb kann ein automatisiertes zwei- oder mehrgängiges Getriebe mit zum Beispiel zwei Elektromaschinen aufweisen. Im Stand der Technik werden solche zwei- oder mehrgängige Getriebe meist durch elektrisch oder hydraulisch betätigte kraftschlüssige Lamellenkupplungen oder formschlüssige Klauenkupplungen geschaltet. Bei solchen Formschlussschaltungen sind zusätzliche Synchronisierungen mittels zusätzlicher Bauteile und/oder Synchronisierungen durch entsprechende Ansteuerung der Elektromaschinen erforderlich. Kraftschlüssige nasse Lamellenkupplungen weisen zudem starke Schleppverluste durch das Öl zwischen den Lamellen auf.
Zudem ist zum Beispiel aus der DE 10 2016 102 575 A1 der Einsatz eines schaltbaren Magnetgetriebes bekannt, bei dem das Magnetgetriebe zusammen mit einer Elektromaschine eine Baueinheit bildet. In der Baueinheit (auch Magnetmotor oder Magnetgetriebe genannt) sind in konzentrischer Anordnung ein radial äußerer Stator, ein in Radialrichtung mittlerer Rotor und ein radial innerer Rotor angeordnet. Von den beiden Rotoren ist ein erster Rotor drehfest auf einer zu einem Achsdifferenzial einer Fahrzeugachse führenden Ausgangswelle angeordnet. Der zweite Rotor ist dagegen drehfest auf einer Elektromaschinenwelle einer zweiten Elektromaschine drehfest angeordnet. Durch unterschiedliche magnetische Teilungen der beiden Rotoren lassen sich die rotatorischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen den entsprechenden Polen und somit die Übersetzungsverhältnisse in dem Magnetgetriebe definieren. Auf diese Weise wirkt die Baueinheit aufgrund verschiedener Polaufteilung analog einem mechanischen Planetengetriebe.
Weitere verstellbare Magnetgetriebe sind aus der EP 2 644 946 A1 , EP 2 497 974 A2 , EP 2 390 994 A1 , WO 2010/ 015 299 A1 und WO 2017/ 076 565 A1 bekannt.
Aus der DE 10 2016 204 488 A1 ist eine Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug bekannt. Aus der DE 10 2005 046 531 A1 ist ein stufenloses Getriebe bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, deren automatisiertes Zwei-Gang-Getriebe im Vergleich zum obigen Stand der Technik bauteilreduziert aufgebaut ist sowie einen vereinfachten Schaltmechanismus aufweist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Antriebsvorrichtung zur Bereitstellung einer Zwei-Gang-Schaltung ein Schaltelement auf, das in einer ersten Schaltstellung den zweiten Rotor, insbesondere ein in Radialrichtung mittlerer Rotor, an einem Getriebegehäuse festsetzt, und zwar unter Bildung eines ersten Vorwärtsganges. In einer zweiten Schaltstellung kann das Schaltelement den zweiten Rotor dagegen drehfest mit dem ersten Rotor koppeln, wodurch ein zweiter Vorwärtsgang gebildet wird.
Die Elektromaschine ist als eine Doppelrotor-Elektromaschine ausgebildet, in der in konzentrischer Anordnung der erste Rotor radial innen läuft, der zweite Rotor in Radialrichtung mittig angeordnet ist und der Stator radial außen angeordnet ist. In diesem Fall kann der radial innere Rotor drehfest auf einer Elektromaschinenwelle angeordnet sein, die in trieblicher Verbindung mit einem Achsdifferenzial einer Fahrzeugachse ist. Demgegenüber kann der mittlere Rotor über einen Kupplungsflansch mit einer Kupplungs-Hohlwelle verbunden sein, innerhalb die Elektromaschinenwelle koaxial verläuft. In der ersten Schaltstellung kann das Schaltelement die Kupplungs-Hohlwelle am Getriebegehäuse festsetzen, während in der zweiten Schaltstellung das Schaltelement die Kupplungs-Hohlwelle trieblich mit der Elektromaschinenwelle koppelt.
Im Hinblick auf einen einfachen Schaltmechanismus ist es bevorzugt, wenn das aktorbetätigte Schaltelement eine mechanische Schalteinrichtung, zum Beispiel eine Klauenschaltung, eine Magnetkupplung oder dergleichen ist. In diesem Fall kann das Schaltelement aus einer Neutralstellung axial beidseitig entweder in die erste Schaltstellung oder in die zweite Schaltstellung verstellt werden.
Mittels der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ergibt sich eine Vereinfachung des Schaltmechanismus für die Zwei-Gang-Schaltung. Zudem erfolgt im Vergleich zum Stand der Technik eine Teilereduzierung im Getriebe, wobei speziell aktiv geschaltete kraftschlüssige Kupplungen (das heißt hydraulisch oder elektromechanisch aktivierte Lamellenkupplungen wegfallen können). Zudem ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik eine Effizienzoptimierung durch Reduzierung von Schleppverlusten (zum Beispiel aufgrund von Lamellenkupplungen).
Wie oben ausgeführt kann in der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung eine als Magnetgetriebe ausgebildete Doppelrotor-Elektromaschine Anwendung finden, bei der die durch den bestromten Stator aufgeprägte Drehzahl der Elektromaschine in den beiden Rotoren übersetzt wird. Durch eine nachgeschaltete Nachgelegestufe kann durch entsprechende Zahngetriebeübersetzungen die Drehzahl auf erforderliche Raddrehzahl und somit auf die Fahrzeuggeschwindigkeit übersetzt werden. Für den Abtrieb zu den Fahrzeugrädern kann ein übliches Kugel- oder Parallelachsen-Differenzial benutzt werden.
Die Schaltübergänge zwischen den beiden Vorwärtsgängen können bevorzugt durch die variable Bestromung des Stators beeinflusst werden, so dass der Schaltmechanismus einfach ausführbar ist (das heißt ohne lastschaltfähige Reibkupplungen) und ein ruckfreier Übergang ermöglicht ist. Darüber hinaus bestehen noch weitere Verschaltungsmöglichkeiten, bei denen zum Beispiel der Stator radial innen liegt und die Rotoren radial außen angeordnet sind. Alternativ können auch zwei Statoren mit dazwischen angeordneten . Rotoren vorgesehen sein. Ferner ist auch eine axiale Anordnung von Stator und Rotoren denkbar, wie es aus der EP 2 390 994 A1 bekannt ist.
Wie bereits oben erwähnt, kann die Antriebsvorrichtung eine der Elektromaschine nachgeschaltete Nachgelegestufe aufweisen, wobei die Nachgelegestufe komplett aus mechanisch kämmenden Zahnrädern aufgebaut sein kann. Mittels der Nachgelegestufe wird eine hohe Drehzahl auf eine erforderliche Raddrehzahl übersetzt.
In einer ersten Ausführungsvariante kann die Nachgelegestufe ein Planetengetriebe sein, dessen Eingangselement, insbesondere ein Sonnenrad, drehfest auf der Elektromaschinenwelle angeordnet ist. Das Ausgangselement des Planetengetriebes kann bevorzugt ein Hohlrad sein, das drehfest mit einer Eingangsseite des Achsdifferenzials verbunden ist. Zudem kann das Planetengetriebe ein Reaktionselement aufweisen, das bevorzugt ein, die Planetenräder tragender Planetenradträger ist, der mit einem Getriebegehäuse verbunden ist.
Alternativ kann die Nachgelegestufe auch als eine Stirnradstufe realisiert sein, deren antriebsseitiges Stirnrad drehfest auf der Elektromaschinenwelle angeordnet ist und mit einem abtriebsseitigen Stirnrad kämmt, das die Eingangsseite des Achsdifferenzials bildet (zum Beispiel ein Achsdifferenzial-Hohlrad). In diesem Fall ergibt sich insgesamt eine achsparallele Ausführung, bei der die ausgangsseitigen Flanschwellen des Achsdifferenzials, die zu den Fahrzeugrädern der Fahrzeugachse geführt sind, achsparallel zu der Elektromaschinenwelle verlaufen. Im Gegensatz dazu kann die Ausführung der Nachgelegestufe als Planetengetriebe eine konzentrische Getriebeanordnung ergeben, bei der die Elektromaschine und die Nachgelegestufe koaxial zu den beiden ausgangsseitigen Flanschwellen des Achsdifferenzials positioniert sind.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 eine erste Getriebestruktur der Antriebsvorrichtung in konzentrischer Ausführung; und
2 eine zweite Getriebestruktur der Antriebsvorrichtung in achsparalleler Ausführung.

In der 1 ist eine Antriebsvorrichtung für eine Fahrzeugachse eines zweitspurigen Fahrzeugs gezeigt, bei der eine Doppelrotor-Elektromaschine 1 über eine Nachgelegestufe 3 auf ein Achsdifferenzial 5 der Fahrzeugachse des Fahrzeugs abtreibt. Die Doppelrotor-Elektromaschine 1 weist in konzentrischer Anordnung einen radial äußeren Stator 7, einen in Radialrichtung mittleren Rotor 9 sowie einen radial inneren Rotor 11 auf. Der innere Rotor 11 ist dabei drehfest auf einer Elektromaschinenwelle 13 angeordnet, die in trieblicher Verbindung mit der Nachgelegestufe 3 ist. Der mittlere Rotor 9 ist in der 1 über einen Kupplungsflansch 15 mit einer Kupplungs-Hohlwelle 17 verbunden, innerhalb die Elektromaschinenwelle 13 koaxial verläuft. Auf der Kupplungswelle 17 sitzt ein in Axialrichtung beidseitig verstellbares Schaltelement SE, das beispielhaft als eine Klauenschaltung realisierbar ist.
Das aktorbetätigte Schaltelement SE ist in der 1 in einer Neutralstellung gezeigt. In einer ersten, nach links ausgerückten Schaltstellung kann das Schaltelement SE den mittleren Rotor 9 an einem Getriebegehäuse 31 festsetzen oder festbremsen, um einen ersten Vorwärtsgang zu realisieren. In einer zweiten, nach rechts ausgerückten Schaltstellung kann das Schaltelement SE die Kupplungswelle 15 mit einem drehfest auf der Elektromaschinenwelle 13 angeordneten Schaltkörper 19 koppeln, um einen zweiten Vorwärtsgang zu realisieren.
Wie aus der 1 weiter hervorgeht, ist die Nachgelegestufe 3 als ein Planetengetriebe ausgebildet, dessen Sonnenrad 21 als Eingangselement wirkt, das drehfest auf der Elektromaschinenwelle 13 angeordnet ist. Das Sonnenrad 21 kämmt über Planetenräder 23 mit einem radial äußeren Hohlrad 25, das als ein Ausgangselement mit der Eingangsseite des Achsdifferenzials 3 verbunden ist. Ein, die Planetenräder 23 tragender Planetenradträger 27 ist in der 1 als ein Reaktionselement fest am Getriebegehäuse 31 angebunden. Das Achsdifferenzial 3 weist ausgangsseitig in Axialrichtung beidseitig Flanschwellen 29 auf, mit denen die Fahrzeugräder der Fahrzeugachse antreibbar sind. In der 1 erstreckt sich die linke Flanschwelle 29 koaxial durch die als Hohlwelle ausgebildete Elektromaschinenwelle 13, wodurch sich insgesamt eine konzentrische Anordnung der Antriebsvorrichtung ergibt, bei der sowohl die Doppelrotor-Elektromaschine 1 als auch die Nachgelegestufe 3 koaxial zu den beiden Flanschwellen 29 positioniert sind.
Im Schaltungsfall kann mittels einer gezielten Drehzahlsteuerung der Elektromaschine 1 ein ruckfreies komfortables Schalten ermöglicht werden. Die präzise Ansteuerung der Elektromaschine 1 auf eine bestimmte Drehzahl bestimmt den Komfort der Schaltung. Die Schaltübergänge können durch variable Bestromung des Stators 7 beeinflusst werden, sodass der Schaltmechanismus einfach ausgeführt sein kann und ein ruckfreier Schaltübergang möglich ist.
In der 2 ist eine zweite Ausführungsvariante der Antriebsvorrichtung gezeigt, deren Aufbau sowie Funktionsweise in großen Teilen der in der 1 gezeigten Antriebsvorrichtung entspricht, sodass auf deren Figurenbeschreibung verwiesen wird und nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird: So betrifft die 2 eine achsparallele Ausführung der Antriebsvorrichtung, bei der die Nachgelegestufe 3 nicht als ein Planetengetriebe, sondern als eine Stirnradstufe realisiert ist, deren antriebsseitiges Stirnrad 31 drehfest auf der Elektromaschinenwelle 13 angebunden ist und deren abtriebsseitiges Stirnrad 33 die Eingangsseite des Achsdifferenzials 3 bildet. Die Elektromaschinenwelle 13 ist in der 2 nicht mehr als Hohlwelle, sondern als Vollwelle realisiert, wobei die beiden Flanschwellen 29 des Achsdifferenzials 3 mit einem Achsabstand zur Elektromaschinenwelle 13 angeordnet sind und radial außerhalb der Doppelrotor-Elektromaschine 1 verlaufen.

Claims

Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer als Magnetgetriebe ausgebildeten Elektromaschine (1), die zumindest einen Stator (7) aufweist, der im Fahrbetrieb mit zumindest zwei Rotoren (9, 11) elektromagnetisch Energie austauscht, von denen ein erster Rotor (11) drehfest auf einer Elektromaschinenwelle (13) angeordnet ist, die in trieblicher Verbindung mit einem Achsdifferenzial (5) einer Fahrzeugachse ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung einer Zweigangschaltung die Antriebsvorrichtung ein Schaltelement (SE) aufweist, das in einer ersten Schaltstellung den zweiten Rotor an einem Getriebegehäuse (31) festsetzt, und zwar unter Bildung eines ersten Vorwärtsganges, und in einer zweiten Schaltstellung den zweiten Rotor (9) mit dem ersten Rotor (11) drehfest koppelt, und zwar unter Bildung eines zweiten Vorwärtsganges, und dass die Elektromaschine (1) eine Doppelrotor-Elektromaschine ist, in der in konzentrischer Anordnung der erste Rotor (11) radial innen läuft, der zweite Rotor (9) in Radialrichtung mittig angeordnet ist, und der Stator (7) radial außen angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Rotor (11) drehfest auf der Elektromaschinenwelle (13) angeordnet ist, und der mittlere Rotor (9) über einen Kupplungsflansch (15) mit einer Kupplungs-Hohlwelle (17) verbunden ist, innerhalb der die Elektromaschinenwelle (13) koaxial verläuft, und dass insbesondere in der ersten Schaltstellung das Schaltelement (SE) die Kupplungs-Hohlwelle (17) am Getriebegehäuse (31) festsetzt und in der zweiten Schaltstellung das Schaltelement (SE) die Kupplungs-Hohlwelle (17) trieblich mit der Elektromaschinenwelle (13) koppelt.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (SE) aus einer Neutralstellung axial beidseitig entweder in die erste oder in die zweite Schaltstellung verstellbar ist, und dass insbesondere das Schaltelement (SE) eine Klauenschaltung, eine Magnetkupplung oder dergleichen ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung eine Nachgelegestufe (3) aufweist, die der Elektromaschine (1) nachgeschaltet ist, wobei die Nachgelegestufe (3) aus mechanisch kämmenden Zahnrädern aufgebaut ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachgelegestufe (3) ein Planetengetriebe ist, dessen Eingangselement, insbesondere ein Sonnenrad (21), drehfest auf der Elektromaschinenwelle (13) angeordnet ist, und dessen Ausgangselement, insbesondere ein Hohlrad (25), drehfest mit einer Eingangsseite des Achsdifferenzials (5) verbunden ist, und dessen Reaktionselement, insbesondere ein Planetenräder (23) tragender Planetenradträger (27), mit einem Getriebegehäuse (31) drehfest verbunden ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachgelegestufe (3) eine Stirnradstufe ist, deren antriebsseitiges Stirnrad (31) drehfest auf der Elektromaschinenwelle (13) angeordnet ist und mit einem abtriebsseitigen Stirnrad (33) kämmt, das die Eingangsseite des Achsdifferenzials (5) bildet.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Achsdifferenzial (5) an seiner Ausgangsseite in einer Fahrzeugquerrichtung (y) beidseitig Flanschwellen (29) aufweist, mit denen die Fahrzeugräder der Fahrzeugachse antreibbar sind.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschinenwelle (13) als eine Hohlradwelle ausgebildet ist, durch die eine der Flanschwellen (29) geführt ist.