DE102018221693A1

DE102018221693A1 - Getriebe und Antriebsstrang einer elektrisch angetriebenen Achse

Info

Publication number: DE102018221693A1
Application number: DE102018221693.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Brehmer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Schaltgetriebe mit einer Eingangswelle (1), einem darauf angeordneten ersten und zweiten Losrad (2, 3), einem auf einer Zwischenwelle (6) angeordneten ersten und zweiten Festrad (4, 5) und einem Schaltelement (7), wobei das Schaltelement (7) als Doppelschaltelement ausgeführt ist, wodurch eine erste oder zweite Gangstufe oder eine Neutralstellung schaltbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltgetriebe für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für einen Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine als Antriebselement. Dabei ist nicht ausschließlich ein rein elektrischer Antrieb umfasst. Der Erfindungsgemäße Antriebsstrang mit elektrischer Maschine kann auch mit einem konventionellen Antriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine als Antriebselement kombiniert werden. Insbesondere können verschiedene Fahrzeugachsen mit entsprechenden Antriebssträngen angetrieben werden.
Es ist mitunter bekannt, ein mehrgängiges Schaltgetriebe für einen (elektrischen) Antriebsstrang vorzusehen. Hier wird jedoch häufig eine Anordnung mit Planetengetriebe vorgesehen, wodurch eine kompakte Bauweise in Bezug auf eine Längsachse erzielt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein bauraumoptimales Schaltgetriebe für einen elektrischen Antriebsstrang mit einem hohen Wirkungsgrad vorzusehen.
Die zuvor genannte Aufgabe wird gelöst mit einem Schaltgetriebe gemäß Patentanspruch 1. Dieses weist eine Eingangswelle auf, auf welcher ein erstes und zweites Losrad angeordnet sind. Diese kämmen jeweils mit einem ersten und zweiten Festrad, welche zusammen mit einem dritten Festrad, auf einer Zwischenwelle angeordnet sind. Ferner weist das Schaltgetriebe ein Kupplungselement auf, welches an der Eingangswelle angeordnet ist und als Doppelkupplung ausgeführt ist. Somit können eine erste und eine zweite Gangstufe oder eine Neutralstellung des Schaltgetriebes geschaltet werden. Für das Schalten einer der Gangstufen wird durch das Kupplungselement eine drehfeste Verbindung mit einem der Losräder und der Eingangswelle hergestellt. Hierdurch erfolgt dann eine Übertragung der Drehbewegung bzw. des Drehmoments von der Eingangswelle auf die Zwischenwelle.
Das Kupplungselement kann auch in Form von zwei voneinander getrennten, also separaten, Kupplungselementen ausgeführt sein. Allgemein sind kraft- oder formschlüssige Kupplungselemente einsetzbar. Bei dem Kupplungselement handelt es sich bevorzugt um ein kraftschlüssiges Schaltelement. Das Schaltelement kann hydraulisch, pneumatisch, elektromechanisch oder elektrisch betätigt werden. Dabei kann das Schaltelement in einem geöffneten, einem geschlossenen oder einem schlupfenden Zustand betrieben werden. Unter einem geöffneten bzw. nicht betätigten Schaltelement ist dabei zu verstehen, dass keine Drehmoment- bzw. keine Drehbewegungsübertragung erfolgt. Hingegen ist unter einem geschlossenen bzw. betätigten Schaltelement zu verstehen, dass ein Drehmoment bzw. eine Drehbewegung übertragen wird. Dabei drehen die zwei zu verbindenden Bauteile insbesondere mit der gleichen Drehzahl in die gleiche Drehrichtung. In Ergänzung dazu ist unter einem schlupfenden Betrieb zu verstehen, dass das Schaltelement einen Teil des eingeleiteten Drehmoments bzw. der eingeleiteten Drehbewegung auf das schlupfend verbundene Bauteil überträgt. Insbesondere drehen sich in dem Fall die zwei zu verbindenden Bauteile mit einer Differenzgeschwindigkeit zueinander.
Ferner können Schaltelemente als formschlüssige Schaltelemente ausgeführt sein. Hierunter ist beispielsweise eine Klauenkupplung zu verstehen, aber auch eine Schaltverzahnung, welche eine Synchronisierung aufweist und beispielsweise über eine Schaltgabel betätigt wird, ist hierunter zu fassen.
Soweit das Kupplungselement als kraftschlüssiges Schaltelement ausgeführt ist, sind auch Überschneidungsschaltungen realisierbar. Dies bedeutet, dass während eines Fahrbetriebs von einer in eine andere Gangstufe gewechselt wird, wobei eine Drehzahldifferenz durch einen schlupfenden Betrieb abgebaut wird. Hingegen kann eine Umschaltung zwischen zwei Gangstufen unter Verwendung von einem formschlüssigen Kupplungselement in der Regel nur im Stillstand erfolgen. Andernfalls müsste durch die elektrische Maschine eine Drehzahldifferenz dahingehend abgebaut werden, dass bei geöffnetem Kupplungselement die Drehzahl der Eingangswelle an die Drehzahl in der neuen Gangstufe angepasst, also angehoben oder gesenkt, wird.
Weiter vorteilhaft weisen die beiden Losräder und das erste, zweite und dritte Festrad eine Schrägverzahnung auf. Dabei sind Schrägungswinkel der Schrägverzahnung des ersten und zweiten Festrads zu einem Schrägungswinkel des dritten Festrads entgegengesetzt. Dies führt dazu, dass axiale Kräfte, welche durch eine Schrägverzahnung entstehen, reduziert oder im besten Fall kompensiert werden. Durch die entgegengesetzte Anordnung der Schrängungswinkel wirken die entstehenden axialen Kräfte ebenfalls entgegengesetzt zueinander.
Ebenfalls vorteilhaft weist das Schaltgetriebe an der Zwischenwelle ein fünftes Festrad auf. Durch ein Verbindungselement und ein Schaltelement ist das fünfte Festrad an einem ortsfesten Element, bspw. einem Gehäuse, bremsbar bzw. festsetzbar. Mit anderen Worten bilden das fünfte Festrad, das Verbindungselement und das Schaltelement eine Parksperre aus. Dabei kann das fünfte Festrad als Parksperrenrad ausgeführt sein, während das Verbindungselement eine Sperrklinke ist. Diese greift in eine korrespondierende Vertiefung in Form einer Außenverzahnung in das fünfte Festrad bzw. Parksperrenrad ein. Das Schaltelement könnte in Form eines Betätigungsmechanismus der Parksperre ausgeführt sein. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Schaltelement vorteilhaft um ein formschlüssiges Schaltelement. Da hierdurch eine feste Verbindung zu dem Gehäuse herstellbar ist, kann dieses Schaltelement als Bremse bezeichnet werden. In alternativen Ausführungen kann die Parksperre bzw. das korrespondierende Schaltelement auch als kraftschlüssiges Schaltelement ausgeführt sein. Das Vorsehen einer Parksperre ist dabei optional.
Das erste Losrad und das erste Festrad bilden ein erstes Stirnradgetriebe bzw. eine erste Stirnradstufe, während das das zweite Losrad und das zweite Festrad ein zweites Stirnradgetriebe bzw. eine zweite Stirnradstufe bilden. In gleicher Weise bilden das dritte und vierte Festrad ein drittes Stirnradgetriebe bzw. eine dritte Stirnradstufe.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Antriebsstrang mit einem erfindungsgemäßen Schaltgetriebe. Ferner umfasst der Antriebsstrang eine elektrische Maschine. Das dritte Festrad kämmt darüber hinaus mit einem vierten Festrad, welches mit einer Verteileinrichtung verbunden ist. Bei der Verteileinrichtung kann es sich um ein Verteilergetriebe oder Differenzial handeln, auch ist ein Verteilergetriebe mit einer aktiven Drehmomentverteilung umsetzbar. Unter einer aktiven Drehmomentverteilung ist beispielsweise ein Torque-Vectoring-System zu verstehen. In einer simplen Ausführung kann die Verteileinrichtung als einfache, feste Verbindung des vierten Festrads mit einer Abtriebswelle ausgeführt sein. In einer weiteren Ausgestaltung kann das vierte Festrad auch als Außenverzahnung der Verteileinrichtung ausgeführt sein. Soweit die Verteileinrichtung als Differenzial ausgeführt ist, kann es sich um ein Kugeldifferenzial handeln.
Die Verteileinrichtung kann weiter mit einer Abtriebswelle verbunden sein. Die Abtriebswelle kann mit einem Abtrieb oder direkt mit Rädern eines Fahrzeugs verbunden sein. Der Abtrieb könnte bspw. weiter ein Allradverteilergetriebe darstellen, wodurch eine Antriebsleistung der elektrischen Maschine auf mehrere angetriebene Fahrzeugachsen verteilt wird.
Weiter betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Hier wird wenigstens eine Fahrzeugachse des Kraftfahrzeugs durch die Abtriebswelle angetrieben. Üblicherweise verfügen Kraftfahrzeuge über zwei oder mehr Fahrzeugachsen. Je nach Ausgestaltung kann nur eine durch einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang angetrieben sein. Soweit ein Allradverteilergetriebe vorgesehen ist, können auch zwei oder alle Fahrzeugachsen durch den erfindungsgemäßen Antriebsstrang angetrieben werden. Auch ist es denkbar, dass nur eine Fahrzeugachse mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang angetrieben wird, während eine andere oder alle anderen Fahrzeugachsen durch einen Antriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Antriebsstrangs;
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Antriebsstrangs.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform eines Antriebsstrangs 17. Über eine elektrische Maschine 11 kann ein Drehmoment bzw. eine Drehbewegung über eine Eingangswelle 1 in ein Getriebe eingeleitet werden.
An der Eingangswelle 1 ist, gegenüberliegend zu der elektrischen Maschine 11, ein Kupplungselement 7 angeordnet. Dieses ist hier als Doppelkupplung ausgeführt, kann jedoch auch durch separate Kupplungselemente gebildet werden.
Ferner sind auf der Eingangswelle 1 ein erstes und ein zweites Losrad 2, 3 rotierbar angeordnet. Durch das Kupplungselement 7 ist eine drehfeste Verbindung zwischen dem ersten oder zweiten Losrad 2, 3 und der Eingangswelle 1 herstellbar. Es ist jedoch auch eine Neutralstellung des Kupplungselements 7 realisierbar, wodurch keines der Losräder 2, 3 drehfest mit der Eingangswelle 1 verbunden ist.
Das erste Losrad 2 kämmt mit einem ersten Festrad 4 und das zweite Losrad 3 kämmt mit einem zweiten Festrad 5. Das erste und zweite Festrad 4, 5 sind permanent drehfest auf einer Zwischenwelle 6 angeordnet. Darüber hinaus ist auf der Zwischenwelle 6 noch ein drittes Festrad 8 angeordnet, welches mit einem vierten Festrad 9 kämmt. Das vierte Festrad 9 ist mit einer Verteileinrichtung 10 verbunden, welche weiter mit einer Abtriebswelle 12 in Verbindung steht.
Das erste Losrad 2 und das erste Festrad 4 bilden ein erstes Stirnradgetriebe I bzw. eine erste Stirnradstufe, während das das zweite Losrad 3 und das zweite Festrad 5 ein zweites Stirnradgetriebe II bzw. eine zweite Stirnradstufe bilden. In gleicher Weise bilden das dritte und vierte Festrad 8, 9 ein drittes Stirnradgetriebe III bzw. eine dritte Stirnradstufe.
Im Wesentlichen bilden das erste und zweite Stirnradgetriebe I, II zusammen mit dem Kupplungselement 7 ein Schaltgetriebe aus, durch welches zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zwischen Eingangswelle 1 und Zwischenwelle 6 bzw. Abtriebswelle 12 schaltbar sind. Dabei wird eine erste Gangstufe durch das erste Stirnradgetriebe I und eine zweite Gangstufe durch das zweite Stirnradgetriebe II umgesetzt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Antriebsstrangs 17. Dieser weist nun im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform zusätzlich noch eine Parksperre auf. Dabei ist ein fünftes Festrad 13 drehfest mit der Zwischenwelle 6 verbunden. Durch ein Verbindungselement 14 und ein Schaltelement 15 kann das fünfte Festrad 13 an einem Gehäuse 16 festgesetzt und somit rotatorisch blockiert werden. Insbesondere kann das fünfte Festrad 13 als Parksperrenrad ausgebildet sein, wobei das Verbindungselement 14 als Sperrklinke und das Schaltelement 15 als Betätigungselement der Parksperre ausgeführt sein können. Das fünfte Festrad 13, das Verbindungselement 14 und das Schaltelement 15 bilden somit die Parksperre. Vorliegend ist die Parksperre, also das fünfte Festrad 13, das Verbindungselement 14 und das Schaltelement 15, zwischen dem ersten Festrad 4 und dem dritten Festrad 8 angeordnet. Durch die Parksperre kann, soweit durch das Kupplungselement 7 eine drehfeste Verbindung zwischen der Eingangswelle 1 und einem der beiden Losräder 2, 3 vorliegt, der gesamte Antriebsstrang 17 gesperrt bzw. blockiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Eingangswelle
2: Erstes Losrad
3: Zweites Losrad
4: Erstes Festrad
5: Zweites Festrad
6: Zwischenwelle
7: Kupplungselement
8: Drittes Festrad
9: Viertes Festrad
10: Verteileinrichtung
11: Elektrische Maschine
12: Abtriebswelle
13: Fünftes Festrad
14: Verbindungselement
15: Schaltelement
16: Gehäuse
17: Antriebsstrang
I: erstes Stirnradgetriebe
II: zweites Stirnradgetriebe
III: drittes Stirnradgetriebe

Claims

Schaltgetriebe mit einer Eingangswelle (1), einem darauf angeordneten ersten und zweiten Losrad (2, 3), einem auf einer Zwischenwelle (6) angeordneten ersten und zweiten und dritten Festrad (4, 5, 8) und einem Schaltelement (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (7) als Doppelschaltelement ausgeführt ist, wodurch eine erste oder zweite Gangstufe oder eine Neutralstellung schaltbar sind.
Schaltgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (7) auf der Eingangswelle (1) angeordnet ist.
Schaltgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Losrad (2, 3), sowie das erste, zweite und dritte Festrad 4, 5, 8 eine Schrägverzahnung aufweisen, wobei das erste und zweite Festrad 4, 5 zu dem dritten Festrad 8 einen entgegengesetzten Schrägungswinkel aufweisen.
Schaltgetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Zwischenwelle (6) ein fünftes Festrad (13) angeordnet ist, wobei das fünfte Festrad (13) durch ein Verbindungselement (14) und ein Schaltelement (15) an einem Gehäuse (16) bremsbar oder festsetzbar ist.
Antriebsstrang, wenigstens umfassend eine elektrische Maschine 11 und ein Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Festrad (8) auf der Zwischenwelle 6 mit einem vierten Festrad (9) kämmt, welches mit einer Verteileinrichtung (10) verbunden ist.
Antriebsstrang (17) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Festrad (9) als Außenverzahnung der Verteileinrichtung (10) ausgeführt ist.
Antriebsstrang (17) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (10) als Differenzial, insbesondere als Kugeldifferenzial ausgeführt ist.
Antriebsstrang (17) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (10) als Verteilergetriebe mit einer aktiven Drehmomentverteilung ausgeführt ist.
Antriebsstrang (17) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (10) mit einer Abtriebswelle (12) verbunden ist.
Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang (17) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei wenigstens eine Fahrzeugachse des Kraftfahrzeugs durch die Abtriebswelle (12) antreibbar ist.