DE102018216322B3 - Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einer 2-Gang-Schaltung und Verfahren zum Betrieb eines solchen - Google Patents

Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einer 2-Gang-Schaltung und Verfahren zum Betrieb eines solchen Download PDF

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Abstract

Antrieb (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer 2-Gang-Schaltung und einer Doppelkupplung (5) die mit einer Antriebsmaschine verbunden ist, wobei eine erste Teilkupplung (K1) der Doppelkupplung (5) mit einem ersten Zahnradsatz (6) für den ersten Gang und eine zweite Teilkupplung (K2) der Doppelkupplung (5) mit einem zweiten Zahnradsatz (7) für den zweiten Gang antriebswirksam jeweils verbindbar ist, wobei der erste Zahnradsatz (6) für den ersten Gang eine fliehkraftabhängige Vorrichtung zur Verbindung mit einer Antriebswelle (4) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einer 2-Gang-Schaltung und einer Doppelkupplung die mit einer Antriebsmaschine verbunden ist, wobei eine erste Teilkupplung der Doppelkupplung mit einem ersten Zahnradsatz für den ersten Gang und eine zweite Teilkupplung der Doppelkupplung mit einem zweiten Zahnradsatz für den zweiten Gang antriebswirksam jeweils verbindbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebs mit 2-Gang-Schaltung.
  • Stand der Technik
  • Elektroautos sind effizient, emissionsfrei und bieten guten Fahrkomfort. Bei vielen Anwendungen genügt ein einzelner Gang. Um auch höheren Anforderungen gerecht zu werden, können Getriebe mit mehreren Fahrstufen eingesetzt werden, die zusätzliche Vorteile wie verbessertes Fahren in Steigungen und höhere Endgeschwindigkeiten bieten. Ein 2-Gang-Getriebe erfüllt diese Anforderungen.
    Ein 2-Gang-Getriebe liefert ein höheres Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten und höhere Beschleunigung mit einem kleineren Antriebsmotor.
    Das Fahren in Steigungen wird auch bei Höchstgeschwindigkeit deutlich verbessert und die Elektroantriebe laufen im Hochleistungsbereich.
  • Ein solches 2-Gang-Getriebe ist aus der DE 10 2014 109 776 A1 bekannt. Das Dokument offenbart eine elektrisch angetriebene Achse in einem Kraftfahrzeug, mit einer einzigen Elektromaschine, die über ein Getriebe mit einem Achsdifferential in Eingriff steht, zum Antrieb von Rädern der Achse. Dabei ist vorgesehen, dass das Getriebe einen Freilauf mit mechanischer Sperre und eine einzelne Trennkupplung zur Realisierung einer Gangschaltung mit zwei schaltbaren Gängen aufweist, wobei beide Enden einer Achse der Elektromaschine jeweils mit einem Zahnrad des Getriebes verbunden sind.
  • Aus der DE 10 2012 015 863 A1 ist ein Stufengetriebe bekannt, das einen Antrieb mit 2-Gang-Getriebe und Einwegkupplung beschreibt.
  • Aus der US 2014/026 675 A1 ist eine 2-Gang-Schaltung bekannt, die eine Doppelkupplung aufweist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Zweiganggetriebe zu schaffen, das einen einfachen Aufbau mit einer Doppelkupplung aufweist.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einem Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einer 2-Gang-Schaltung und einer Doppelkupplung die mit einer Antriebsmaschine verbunden ist, wobei eine erste Teilkupplung der Doppelkupplung mit einem ersten Zahnradsatz für den ersten Gang und eine zweite Teilkupplung der Doppelkupplung mit einem zweiten Zahnradsatz für den zweiten Gang antriebswirksam jeweils verbindbar ist, wobei der erste Zahnradsatz für den ersten Gang eine fliehkraftabhängige Vorrichtung zur Verbindung mit einer Antriebswelle aufweist.
  • Durch die Verwendung einer Doppelkupplung wird eine bewährte Technologie auch für den Aufbau einer einfachen 2-Gang-Schaltung realisiert.
  • Das Doppelkupplungsgetriebe muss allerdings nicht drehzahloptimiert werden, sondern kann ein Standard- Doppelkupplungsgetriebe sein.
  • Durch die fliehkraftabhängige Vorrichtung wird der Schleppverlust bei Überschreitung einer Grenzdrehzahl reduziert.
  • Vorteilhafterweise ist die Antriebsmaschine eine elektrische Maschine. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die fliehkraftabhängige Vorrichtung mindestens zwei Kraftübertragungselemente in Ausnehmungen in dem Zahnrad des ersten Zahnradsatzes aufweist.
  • Die paarweise Anordnung der Kraftübertragungselemente ermöglicht eine Kraftübertragung sowohl im Zug- als auch im Schubbetrieb.
  • Für die Realisierung sind die Kraftübertragungselemente in den Ausnehmungen mit Druckfedern vorgespannt.
  • Die Lösung sieht weiterhin vor, dass die Antriebswelle Nuten aufweist, in die die Kraftübertragungselemente eingreifen.
  • Dabei sind die Nuten paarweise angeordnet und verlaufen auf einen Steg zu.
  • Vorteilhafterweise sind die Nuten so ausgestaltet, dass die Nuten jeweils unter einem Rampenwinkel auf den Steg zu laufen, sodass die kraftschlüssige Verbindung immer hergestellt wird, weil sich immer eines der Kraftübertragungselemente abhängig von der Drehrichtung gegen den Steg abstützt.
  • Die Kraftübertragungselemente sind vorteilhafterweise kugelförmige oder nadelförmige Elemente, allerdings sind auch alle anderen Lösungen, die für den Fachmann für eine kraftschlüssige Verbindung möglich wären, erlaubt.
  • Um die Kraftübertragung effizient zu gestalten, sind die Kraftübertragungselemente radial am Umfang des Zahnrades des ersten Zahnradsatzes verteilt angeordnet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines schaltbaren Antriebs weist ein Doppelkupplungsgetriebe auf, das einen 1. und einen 2. Gang schaltet, wobei der Zahnradsatz des 1. Ganges von der Antriebswelle entkoppelt wird, wenn die Drehzahl eine Grenzdrehzahl überschreitet.
  • Bei Verwendung einer elektrischen Maschine ist die Grenzdrehzahl durch die höchste Drehzahl der elektrischen Maschine vorgegeben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine Ausführungsform eines 2-Gang-Getriebes,
    • 2 und 3 zeigen Schnitte durch die Antriebswelle auf Höhe des ersten Ganges.
  • 1 veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau des Antriebs 1. Gezeigt ist eine elektrische Maschine 2 mit deren Rotor 3 und einer damit verbundenen Rotorwelle, die auch die Antriebswelle 4 der elektrischen Maschine 2 darstellt. Die elektrische Maschine 2 weist nur diesen einen Antriebsausgang auf.
  • Die Antriebswelle 4 ist mit einer Doppelkupplung 5 verbunden, wobei die Antriebswelle 4 der elektrischen Maschine 2 einen Kupplungskorb der Teilkupplungen K1 und K2 antreibt.
  • Ausgangsseitig ist die erste Teilkupplung K1 mit einem ersten Zahnradsatz 6 verbunden, die ein Antriebszahnrad 6a und einen Abtriebszahnrad 6b aufweist, wobei letzteres auf einer Zwischenwelle 8 drehfest gelagert ist.
  • Ausgangsseitig ist die zweite Teilkupplung K2 mit einen zweiten Zahnradsatz 7 verbunden, dessen Antriebszahnrad 7a mit einem Abtriebszahnrad 7b kämmt, das ebenfalls auf der Zwischenwelle 8 drehfest gelagert ist.
  • Damit sind die Antriebszahnräder 6a, 7a beider Gangstufen auf der Antriebswelle 4 und beide Abtriebszahnräder 6b, 7b mit der Zwischenwelle 8 drehfest verbunden, wenn die jeweiligen Kupplungen geschlossen sind..
  • Über eine Abtriebsstufe 9, die ebenfalls auf der Zwischenwelle 8 drehfest gelagert ist, wird ein Differential 10 angebunden, das die Antriebskraft auf zwei Teilachsen 11 a und 11 b verteilt.
  • Im ersten Gang ist die erste Teilkupplung K1 geschlossen und die zweite Teilkupplung K2 geöffnet. Damit wird das Antriebszahnrad 6a des ersten Zahnradsatzes angetrieben.
  • Im zweiten Gang ist die erste Teilkupplung K1 geöffnet und die zweite Teilkupplung K2 geschlossen. Dabei dreht die erste Teilkupplung K1 sekundärseitig mit einer hohen Drehzahl mit, da die Antriebszahnräder 6b und 7b beide auf der Zwischenwelle drehen.: Die Sekundärdrehzahl auf der Kupplung K1 ist um den Faktor Spreizung/Stufensprung höher als die Primärdrehzahl auf Kupplung K2.
  • Auf Grund dieser Getriebearchitektur wird die erste Teilkupplung K1, die sekundärseitig am 1. Gang angebunden ist, bei Höchstgeschwindigkeit vmax im 2. Gang mit einer höheren Drehzahl belastet, als die elektrische Maschine 2 überhaupt aufbringen kann.
  • Mit einer drehzahlabhängigen „normally closed“ fliehkraftabhängigen Vorrichtung, einer Fliehkraftkupplung auf der Antriebswelle 4 außen oder zwischen dem Antriebszahnrad 6a und Antriebswelle 4 außen, kann der Überlastfall vermieden werden. Sobald die anliegende Drehzahl oberhalb der Motordrehzahl liegt, öffnet die fliehkraftabhängige Vorrichtung und schützt damit den rotierenden Teil der ersten Teilkupplung K1 vor Überlastung.
  • In den 2 und 3 sind Schnittbilder des Antriebszahnrades 6a sowie der Antriebswelle 4 mit einem äußeren Umfang 4a und einem inneren Umfang 4b zu erkennen. In 2 ist sowohl der Zustand der völligen Entkopplung als auch der Zustand der vollständigen Kopplung zwischen den Komponenten dargestellt.
    Als Antriebswelle 4 wird dabei die Kombination aus Welle 4c mit dem inneren Umfang 4b und dem äußeren Umfang 4a definiert.
  • Es sind Kraftübertragungselemente 12, wie beispielsweise die dargestellten Kugeln oder auch Nadeln, mit jeweils einer Druckfeder 13 im Antriebszahnrad 6a des 1. Gangs vormontiert.
    Zur Aufnahme der Kraftübertragungselemente 12 sind Ausnehmungen 14 im Antriebszahnrad 6a vorgesehen.
    Die Kraftübertragungselemente 12 in den Ausnehmungen 14 sind dabei radial gleichmäßig am Antriebszahnrad angeordnet. In den Figuren sind zwei Kraftübertragungselemente 12 exemplarisch gezeigt. Die Kraftübertragungselemente 12 sind jeweils paarweise angeordnet.
    Die Antriebswelle 4 weist an ihrem äußeren Umfang 4a Nuten 15 auf, die jeweils mit einem definierten Rampengefälle auf einen mittleren Steg 16 hin verlaufen. Der Rampenwinkel alpha ist ein spitzer Winkel.
    Der Steg ist mit Stegwänden 16a ausgeführt, die sich leicht zum Stegmittelpunkt 16b hinneigen.
    Durch die geneigte Rampe 17 und die geneigten Stegwände 16a erhält die Nut 15 einen v-förmigen Querschnitt, wobei sich keine der Begrenzungen 17 und 16a in radiale Richtung erstreckt.
  • Dabei sind jeweils zwei Nuten 15 mit einem Steg 16 den paarweise angeordneten Kraftübertragungselemente 12 zugeordnet.
    Die Nuten 15 im äußeren Umfang 4a der Antriebswelle 4 sind gleichmäßig wechselnd verteilt. Die auslösende Grenzdrehzahl wird durch die Federsteifigkeit und einen Rampenwinkel im äußeren Umfang 4a der Antriebswelle 4 festgelegt.
  • In 2 ist gezeigt, dass die Kraftübertragungselemente 12 in den Nuten 15 liegen, wenn die Grenzdrehzahl nicht überschritten ist. Dadurch, dass die Nuten 15 von zwei Seiten ein Gefälle auf den mittleren Steg 16 aufweisen können sowohl Zug- als auch Schubkräfte übertragen werden
  • Bei Überschreitung der Grenzdrehzahl bewegen sich die Kraftübertragungselemente 12 radial in Richtung der Druckfedern 13, die in den Ausnehmungen 14 liegen. Sobald die Kraftübertragungselemente 12 vollständig in den Ausnehmungen 14 des Zahnrads 6a des ersten Gangs eingetaucht sind, wird keine Kraft zwischen dem Antriebszahnrad 6a und dem äußeren Umfang 4a der Antriebswelle 4 übertragen.
    Somit wird im Schleppbetrieb die Antriebswelle und Kupplung nicht angetrieben. Sobald die Grenzdrehzahl unterschritten ist, werden die Übertragungselemente 12 von den Druckfedern 13 in Richtung des im äußeren Umfangs 4a Antriebswelle 4 gedrückt. Die volle Kraftübertragung wird gewährleistet, sobald die Kraftübertragungselemente 12 wieder in der dafür vorgesehenen Nuten 15 liegen.
  • Die fliehkraftunterstütze Vorrichtung kann alternativ auch am inneren Umfang 4b der Antriebswelle 4 angebracht sein, um diese an dieser Stelle bei einer Grenzdrehzahl von der Welle 4c zu entkoppeln.
  • In der Figur ist dazu exemplarisch eine einzelne Ausnehmung 14' im inneren Umfang 4b der Antriebswelle 4 zu erkennen mit einem Kraftübertragungselement 12 und einer Nut 15' in der Welle 4c, wobei auch an dieser Stelle immer ein Ausnehmungspaar mit einem Nutenpaar verwendet wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antrieb
    2
    elektrische Maschine
    3
    Rotor
    4
    Antriebswelle
    4a
    Äußerer Umfang
    4b
    Innerer Umfang
    4c
    Welle
    5
    Doppelkupplung
    K1, K2
    Teilkupplungen
    6
    Erster Zahnradsatz
    7
    Zweiter Zahnradsatz
    6a, 7a
    Antriebszahnrräder
    6b, 7b
    Abtriebszahnräder
    8
    Zwischenwelle
    9
    Abtriebszahnsatz
    10
    Differenzial
    11 a, 11 b
    Teilwellen
    12
    Kraftübertragungselement
    13
    Druckfeder
    14
    Ausnehmung
    15
    Nut
    16
    Steg
    16a
    Stegwand
    17
    Rampe

Claims (11)

  1. Antrieb (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer 2-Gang-Schaltung und einer Doppelkupplung (5) die mit einer Antriebsmaschine verbunden ist, wobei eine erste Teilkupplung (K1) der Doppelkupplung (5) mit einem ersten Zahnradsatz (6) für den ersten Gang und eine zweite Teilkupplung (K2) der Doppelkupplung (5) mit einem zweiten Zahnradsatz (7) für den zweiten Gang antriebswirksam jeweils verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zahnradsatz (6) für den ersten Gang eine fliehkraftabhängige Vorrichtung zur Verbindung mit einer Antriebswelle (4) aufweist.
  2. Antrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschine eine elektrische Maschine (2) ist.
  3. Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fliehkraftabhängige Vorrichtung mindestens zwei Kraftübertragungselemente (12) in Ausnehmungen (14, 14') in dem Antriebszahnrad (6a) des ersten Zahnradsatzes (6) oder am inneren Umfang (4b) der Antriebswelle (4) aufweist.
  4. Antrieb (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungselemente (12) in den Ausnehmungen (14, 14') mit Druckfedern (13) vorgespannt sind.
  5. Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (4) oder die Welle (4c) an ihrem äußeren Umfang (4a) Nuten (15) aufweist, in die die Kraftübertragungselemente (12) eingreifen.
  6. Antrieb (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (15) paarweise angeordnet sind und jeweils auf einen Steg (16) zu laufen.
  7. Antrieb (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (15) jeweils unter einem Rampenwinkel (alpha) auf den Steg (16) zu laufen.
  8. Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungselemente (12) kugelförmige oder nadelförmige Elemente sind.
  9. Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungselemente (12) radial am Umfang des Antriebszahnrades (6a) des ersten Zahnradsatzes (6) oder am inneren Umfang (4a) der Antriebswelle (4) verteilt angeordnet sind.
  10. Verfahren zum Betrieb eines schaltbaren Antriebs (1) nach den Ansprüchen 1-9, wobei ein Doppelkupplungsgetriebe (5) einen 1. und einen 2. Gang schaltet, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zahnradsatz (6) des 1. Ganges von der Antriebswelle (4) entkoppelt wird, wenn die Drehzahl der Antriebswelle (4) eine Grenzdrehzahl überschreitet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Grenzdrehzahl durch die höchste Drehzahl der elektrischen Maschine (2) vorgegeben ist.
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