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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Achsantrieb mit einem elektrischen Antriebsmotor, einem Planetengetriebe sowie einem Differenzial gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Bei elektrischen Antriebsachsen sind Untersetzungsgetriebe, insbesondere Planetengetriebe, bekannt, welche eine vergleichsweise hohe Drehzahl eines elektrischen Antriebsmotors auf eine geringere Drehzahl zum Antrieb einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeuges reduzieren und gleichzeitig das Drehmoment entsprechend erhöhen. Dabei umfasst die elektrische Antriebsachse einen elektrischen Antriebsmotor, ein Untersetzungsgetriebe und ein Differenzial, um das Antriebsmoment des elektrischen Antriebsmotors auf die angetriebenen Räder der Antriebsachse zu verteilen.
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Aus der
DE 10 2010 054 544 A1 ist ein Übersetzungs- und Ausgleichsgetriebe mit einer Eingangswelle und zwei koaxial zur Eingangswelle angeordneten Ausgangswellen bekannt. Das Getriebe umfasst ein Gehäuse, in welchem ein wenigstens eine Planetenstufe umfassender Übersetzungsabschnitt und ein als Stirnraddifferenzial ausgebildeter Ausgleichsabschnitt angeordnet sind. Der Übersetzungsabschnitt weist zwei Planetenstufen auf. Dabei ist die erste Stufe als eine Eingangsstufe ausgeführt, deren Sonnenrad mit einer Eingangswelle des Übersetzungsgetriebes verbunden ist. Die zweite Stufe ist als Laststufe ausgeführt, welche ein drehfestes, mit dem Gehäuse verbundenes Hohlrad aufweist. Das Ausgleichsgetriebe ist als Stirnraddifferenzial ausgeführt, welches dem Planetengetriebe nachgeschaltet ist und das Antriebsmoment auf die angetriebenen Räder verteilt.
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Aus der
DE 10 2017 108 001 A1 ist eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebsmaschine, einem Übersetzungsgetriebe und einem Differenzial bekannt. Dabei ist das Differenzial dazu vorgesehen, eine Antriebsleistung der Antriebsmaschine auf eine erste und eine zweite Abtriebswelle zu verteilen. Ferner ist eine Kupplung zwischen der Antriebsmaschine und dem Übersetzungsgetriebe angeordnet, um das Übersetzungsgetriebe von der Antriebsmaschine entkoppeln zu können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Achsantrieb vorzuschlagen, welcher ein hohes Übersetzungsverhältnis aufweist und mit vergleichsweise geringem Bauraum auskommt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen elektrischen Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor, welcher über eine Antriebswelle mit einem Planetengetriebe verbunden ist, gelöst. Dabei ist die Antriebswelle mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes drehfest verbunden, wobei das Sonnenrad mit einer ersten Planetenradstufe eines gestuften Planetenrades in Eingriff steht. Das Planetengetriebe weist ein erstes Hohlrad auf, welches drehfest in einem Gehäuse des Planetengetriebes fixiert ist. Der elektrische Achsantrieb umfasst ferner ein dem Planetengetriebe nachgeschaltetes Differenzial, welches das Antriebsmoment des elektrischen Antriebsmotors auf eine erste Abtriebswelle und eine zweite Abtriebswelle verteilt. Das Planetengetriebe weist ein zweites Hohlrad auf, wobei der Abtrieb aus dem Planetengetriebe über eine Abtriebsstufe des gestuften Planetenrades erfolgt, welche das zweite Hohlrad antreibt, wobei das zweite Hohlrad ein Antriebsmoment auf einen Eingang des Differenzials überträgt. Ein solches Planetengetriebe mit einem feststehenden Hohlrad und einem Abtriebshohlrad wird auch als Wolfromgetriebe bezeichnet. Durch ein solches Getriebe können bei geringem Bauraumbedarf hohe Übersetzungsverhältnisse dargestellt werden. Dadurch kann die Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors reduziert werden, was die Dauerhaltbarkeit des elektrischen Antriebsmotors erhöht. Ferner kann durch die reduzierte Drehzahl die Reibung verringert werden, was die Effizienz des elektrischen Achsantriebes erhöht. Zudem können die Verluste verringert werden, da der elektrische Antriebsmotor nicht so oft in einem Feldschwächebereich betrieben werden muss. Durch eine Reduzierung der Taktfrequenz können zudem die Verluste in einem Umrichter zur Erzeugung der elektrischen Spannung zum Betrieb des elektrischen Antriebsmotors minimiert werden. Zudem können einfachere und günstigere Bauteile in der Leistungselektronik verwendet werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen elektrischen Achsantriebes möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebswelle als Hohlwellen ausgeführt und koaxial zu den Abtriebswellen des Differenzials angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders kompakte Bauweise des elektrischen Achsantriebes möglich.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der elektrische Antriebsmotor und die Antriebswelle des Planetengetriebes koaxial zueinander und achsparallel zu den Abtriebswellen des Differenzials angeordnet sind. Dadurch kann eine zusätzliche Übersetzungsstufe zwischen dem zweiten Hohlrad und dem Differenzial realisiert werden, wodurch größere Übersetzungsverhältnisse erreicht werden können. Alternativ kann bei gleichem Übersetzungsverhältnis das Planetengetriebe kleiner und leichter ausgeführt werden, was die Fertigungskosten, den Materialaufwand und das Gewicht reduziert. Durch das geringere Gewicht kann wiederum der Verbrauch eines Kraftfahrzeuges mit einem solchen elektrischen Achsantrieb reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des elektrischen Achsantriebes ist vorgesehen, dass das Differenzial als Stirnraddifferenzial ausgeführt ist. Durch ein Stirnraddifferenzial kann im Vergleich zu einem Kegelraddifferenzial Bauraum und Gewicht eingespart werden, wodurch sich der Bauraumbedarf und das Gewicht des elektrischen Achsantriebes nochmals minimieren lassen.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Differenzial als Kegelraddifferenzial ausgeführt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des elektrischen Achsantriebes ist vorgesehen, dass eine erste Planetenradstufe in einer ersten Verzahnungsebene mit dem Sonnenrad und dem ersten Hohlrad in Eingriff steht. Gleichzeitig steht eine mit der ersten Planetenradstufe drehfest verbundene zweite Planetenradstufe des gestuften Planetenrades in einer zweiten Verzahnungsebene mit dem zweiten Hohlrad in Eingriff. Dabei sind die ersten Planetenradstufe und die zweite Planetenradstufe vorzugsweise einteilig ausgeführt. Dadurch lässt sich das Getriebe in kompakter Bauweise mit nur zwei Verzahnungsebenen ausführen, wodurch die Baulänge in axialer Richtung reduziert werden kann.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des elektrischen Achsantriebes ist vorgesehen, dass das Differenzial zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in das Planetengetriebe integriert ist, indem Hohlräume im Planetengetriebe genutzt werden. Durch eine Integration des Differenzials in das Planetengetriebe kann der Bauraumbedarf nochmals reduziert werden.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung des elektrischen Achsantriebes ist vorgesehen, dass das zweite Hohlrad eine weitere Übersetzungsstufe aufweist, welche mit einer Eingangsverzahnung des Differenzials in Eingriff steht. Dadurch kann das Übersetzungsverhältnis zwischen dem elektrischen Antriebsmotor und dem Differenzial nochmals angepasst werden.
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Bevorzugt ist dabei, wenn eine Innenverzahnung des zweiten Hohlrades und die weitere Übersetzungsstufe in axialer Richtung in jeweils unterschiedlichen Verzahnungsebenen ausgebildet sind. Dadurch kann das Übersetzungsverhältnis quasi frei gewählt werden, da der Durchmesser der weiteren Übersetzungsstufe größer oder kleiner als der Durchmesser an der Innenverzahnung des Hohlrades gewählt werden kann. Somit ergeben sich in der Auslegung des Planetengetriebes zusätzliche Freiheitsgrade.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass das zweite Hohlrad eine Innenverzahnung und eine Außenverzahnung aufweist, wobei die Innenverzahnung und die Außenverzahnung in der gleichen Verzahnungsebene ausgebildet sind und wobei die Außenverzahnung mit einer Eingangsverzahnung des Differenzials in Eingriff steht. Dabei erfolgt stets eine zusätzliche Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses, wodurch das Übersetzungsverhältnis der Planetenstufen des Planetengetriebes reduziert werden kann. Zudem benötigt eine solche Bauweise in axialer Richtung weniger Bauraum, da auf eine zusätzliche Verzahnungsebene verzichtet werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des elektrischen Achsantriebes weist das erste Hohlrad einen größeren Innendurchmesser als das zweite Hohlrad auf. Dadurch kann das drehbare zweite Hohlrad auf einfache Art und Weise in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem ersten Hohlrad angeordnet und darin drehbar gelagert werden. Dies erleichtert zudem die Montage des Planetengetriebes, da die Anzahl an Bauteilen reduziert und insbesondere das Gehäuse des Planetengetriebes vergleichsweise einfach gestaltet werden kann.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebes für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor, einem Planetenradgetriebe sowie einem Differenzial in koaxialer Anordnung;
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebes mit einem elektrischen Antriebsmotor, einem Planetengetriebe sowie einem Differenzial in koaxialer Anordnung;
- 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb mit einem elektrischen Antriebsmotor, einem Planetengetriebe sowie einem Kegelraddifferenzial in koaxialer Anordnung;
- 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebes für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor, einem Planetengetriebe und einem Differenzial in achsparalleler Anordnung; und
- 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebes mit einem elektrischen Antriebsmotor, einem Planetengetriebe sowie einem Differenzial in achsparalleler Anordnung.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebes 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Der elektrische Achsantrieb 1 umfasst einen elektrischen Antriebsmotor 2, ein Planetengetriebe 3 sowie ein dem Planetengetriebe 3 nachgeschaltetes Differenzial 4. Der elektrische Antriebsmotor 2 ist über eine Antriebswelle 5 mit dem Planetengetriebe 3 verbunden. Dabei ist die Antriebswelle 5 drehfest mit einem Sonnenrad 6 des Planetengetriebes 3 verbunden, welches in einer ersten Verzahnungsebene I mit einer ersten Planetenradstufe 8 eines gestuften Planetenrades 7 in Eingriff steht. Die erste Planentenradstufe 8 steht in der ersten Verzahnungsebene I zudem mit einem ersten Hohlrad 10 in Eingriff, welches drehfest mit einem Gehäuse 12 des Planetengetriebes 3 verbunden ist. Das gestufte Planetenrad 7 weist ferner eine Abtriebsstufe 9, welche auch als zweite Planetenradstufe 9 bezeichnet wird, auf, welche drehfest, vorzugsweise einteilig, mit der ersten Planetenradstufe 8 verbunden ist. Die Abtriebsstufe 9 treibt in der zweiten Verzahnungsebene II ein zweites Hohlrad 11 an, welches mit einem Differenzial 4 verbunden ist. Das Differenzial 4 überträgt das Antriebsmoment des elektrischen Antriebsmotors 2 auf eine erste Abtriebswelle 14 und eine zweite Abtriebswelle 15, welche jeweils mit einem angetriebenen Rad eines Kraftfahrzeuges in Verbindung stehen. Dabei sind die Antriebswelle 5 des elektrischen Antriebsmotors 2 sowie die Abtriebswellen 14, 15 des Differenzials koaxial zueinander angeordnet, wobei die Antriebswelle 5 als Hohlwelle ausgeführt ist.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebes 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Der elektrische Achsantrieb 1 umfasst einen elektrischen Antriebsmotor 2, ein Planetengetriebe 3 sowie ein dem Planetengetriebe 3 nachgeschaltetes Differenzial 4. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel das Differenzial 4 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in das Planetengetriebe 3 integriert. Dabei liegt das Differenzial in einer Verzahnungsebene II, III, in welcher die Abtriebsstufe 9 des gestuften Planetenrades 7 mit dem zweiten Hohlrad 11 in Eingriff steht. Dabei können sich Teile des Differenzials 4 an dem zweiten Hohlrad 11 abstützen und in diesem drehbar gelagert sein. Das Differenzial 4 ist dabei vorzugsweise als Stirnraddifferenzial ausgeführt.
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In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebes 1 dargestellt. Der elektrische Achsantrieb 1 umfasst einen elektrischen Antriebsmotor 2, ein Planetengetriebe 3 und ein dem Planetengetriebe nachgeschaltetes Differenzial 4. Bei im Wesentlichen gleichen Aufbau wie zu 1 und 2 ausgeführt, ist das Differenzial 4 in diesem Ausführungsbeispiel als Kegelraddifferenzial 19 ausgeführt.
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In 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb 1 dargestellt. Der elektrische Achsantrieb 1 umfasst einen elektrischen Antriebsmotor 2, ein Planetengetriebe 3 sowie ein dem Planetengetriebe 3 nachgeschaltetes Differenzial 4. Der elektrische Antriebsmotor 2 ist über eine Antriebswelle 5 mit dem Planetengetriebe 3 verbunden, wobei die Antriebswelle 5 drehfest mit einem Sonnenrad 6 des Planetengetriebes 3 verbunden ist. Das Sonnenrad 6 steht in einer ersten Verzahnungsebene I mit einer ersten Planetenradstufe 8 eines gestuften Planetenrades 7 in Eingriff. Die erste Planentenradstufe 8 steht in der ersten Verzahnungsebene I zudem mit einem ersten Hohlrad 10 in Eingriff, welches drehfest mit einem Gehäuse 12 des Planetengetriebes 3 verbunden ist. Das gestufte Planetenrad 7 weist eine zweite Planetenradstufe 9 auf, welche auch als Abtriebsstufe 9 bezeichnet wird. Diese Abtriebsstufe 9 treibt in einer zweiten Verzahnungsebene II ein zweites Hohlrad 11 an, welches über eine weitere Übersetzungsstufe 13 an dem zweiten Hohlrad 11 mit einer Eingangsverzahnung des Differenzials 4 verbunden ist. Das Differenzial 4 überträgt das Antriebsmoment des elektrischen Antriebsmotors 2 auf eine erste Abtriebswelle 14 und eine zweite Abtriebswelle 15, welche jeweils mit einem angetriebenen Rad eines Kraftfahrzeuges in Verbindung stehen. Dabei sind die Antriebswelle 5 des elektrischen Antriebsmotors 2 beziehungsweise die Drehachse des Planetengetriebes 3 koaxial zueinander in einer Antriebsachse 17 angeordnet. Die mit dem Differenzial 4 verbundenen Abtriebswellen 14, 15 sind achsparallel zu dieser Antriebsachse 17 in einer Abtriebsachse 18 angeordnet.
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Durch die weitere Übersetzungsstufe 13 am zweiten Hohlrad 11 können größere Gesamtübersetzungen im Vergleich zu einer koaxialen Bauform des elektrischen Achsantriebes 1 realisiert werden. Alternativ kann bei gleichem Übersetzungsverhältnis die Übersetzung im Planetengetriebe 3 reduziert werden, wodurch Bauraum und Gewicht eingespart werden können. Hohe Übersetzungen sind insbesondere sinnvoll im Liefer- oder Zustellverkehr, bei Stadtbussen oder Lastkraftwagen, um beim Anfahren ein hohes Antriebsmoment zur Verfügung zu stellen und somit das Anfahren zu erleichtern.
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In 5 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel für einen elektrischen Achsantrieb 1 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 4 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel die weitere Übersetzungsstufe 13 als Außenverzahnung 16 des zweiten Hohlrades 11 ausgeführt, sodass das zweite Hohlrad 11 und die Eingangsverzahnung des Differenzials 4 in einer gemeinsamen, dritten Verzahnungsebene III mit der Abtriebsstufe 9 des gestuften Planetenrades 7 angeordnet sind. Dabei treibt die Abtriebsstufe 9 durch den Eingriff in die Innenverzahnung das zweite Hohlrad 11 an, welches seinerseits über die Außenverzahnung 16 das Antriebsmoment auf die Eingangsverzahnung des Differenzials 4 überträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrischer Achsantrieb
- 2
- Elektrischer Antriebsmotor
- 3
- Planetengetriebe
- 4
- Differenzial
- 5
- Antriebswelle
- 6
- Sonnenrad
- 7
- Gestuftes Planetenrad
- 8
- Erste Planetenradstufe
- 9
- Zweite Planetenradstufe / Abtriebsstufe
- 10
- Erstes Hohlrad
- 11
- Zweites Hohlrad
- 12
- Gehäuse
- 13
- Weitere Übersetzungsstufe
- 14
- Erste Abtriebswelle
- 15
- Zweite Abtriebswelle
- 16
- Außenverzahnung
- 17
- Antriebsachse
- 18
- Abtriebsachse
- 19
- Kegelraddifferenzial
- I
- Erste Verzahnungsebene
- II
- Zweite Verzahnungsebene
- III
- Dritte Verzahnungsebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010054544 A1 [0003]
- DE 102017108001 A1 [0004]
