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Die Erfindung betrifft eine elektrische Achsantriebseinheit (auch kurz als elektrische Achse / E-Achse bezeichnet) für ein Kraftfahrzeug, wie einen Pkw, Lkw, Bus oder ein sonstiges Nutzfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine, einer ein zweistufiges Planetengetriebe aufweisenden zweigängigen Getriebeeinrichtung, wobei eine Eingangswelle der Getriebeeinrichtung mit einem Rotor der elektrischen Maschine drehfest verbunden ist und eine Ausgangswelle der Getriebeeinrichtung mit einem Abtrieb eines Antriebsstranges weiter verbindbar ist, sowie mehreren jeweils zwischen einer aktivierten Stellung und einer deaktivierten Stellung verstellbaren Schalteinrichtungen. Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das mit dieser elektrischen Achsantriebseinheit ausgestattet ist.
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Antriebseinheiten, wie sie in Antriebssträngen eines Kraftfahrzeuges einsetzbar sind, sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Diesbezüglich offenbart bspw. die
WO 2018/099542 A1 ein schaltbares Zweiganggetriebe, insbesondere für E-Drive-Anwendungen. Weiterer Stand der Technik ist mit der
DE 10 2018 005 372 A1 sowie der
WO 2018/153403 A1 bekannt.
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Somit sind einerseits bereits Anwendungen bekannt, in denen eine Achsantriebseinheit entweder mit einem einzigen festen Gang oder mit zwei Gängen ausgestattet werden kann. Die mit einem festen Gang umgesetzten Ausführungen haben zumeist den Nachteil, dass sie den Anforderungen hinsichtlich eines Drehmomentes für kleine Geschwindigkeiten sowie den Anforderungen an hohe Maximalgeschwindigkeiten des Fahrzeuges nicht gerecht werden. Der Nachteil der mit den zwei Gängen umgesetzten Ausführungen besteht darin, dass diese meist für elektrische Achsen mit einem relativ geringen Produktionsvolumen ausgelegt sind. Diese Achsen sind daher relativ aufwändig in ihrer Herstellung.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und eine elektrische Achsantriebseinheit zur Verfügung zu stellen, die eine effiziente Wirkweise in möglichst allen geforderten Fahrzuständen des Kraftfahrzeuges aufweist sowie durch einen geringen Herstellaufwand herstellbar ist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass nicht mehr als zwei Schalteinrichtungen zum Umsetzen zweier unterschiedlicher Getriebeübersetzungen zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle eingesetzt sind, wobei die Schalteinrichtungen jeweils als eine auf ein Sonnenrad einer Getriebestufe des Planetengetriebes einwirkende Bremse umgesetzt sind oder jeweils als eine zwischen der Eingangswelle und einem Bestandteil des Planetengetriebes wirkend eingesetzte Kupplung umgesetzt sind.
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Dadurch wird eine in ihrem Wirkungsgrad weiter verbesserte elektrische Achsantriebseinheit zur Verfügung gestellt, die im Aufbau einfach realisiert ist und folglich in besonders effizient in Serie herstellbar ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Zunächst wird auf vorteilhafte Ausführungen zu der Ausbildung der beiden Schalteinrichtungen als Bremse eingegangen.
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Demnach ist es auch von Vorteil, wenn eine erste Schalteinrichtung auf ein erstes Sonnenrad (einer ersten Getriebestufe) des Planetengetriebes einwirkt und mehrere mit dem ersten Sonnenrad in Zahneingriff befindliche erste Planetenräder auf einem ersten Planetenträger drehbar gelagert sind, welcher erste Planetenträger drehfest mit der Eingangswelle verbunden ist. Dadurch ist die erste Schalteinrichtung platzsparend integrierbar.
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Folglich ist es zweckmäßig, wenn die erste Schalteinrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie in ihrer aktivierten Stellung eine Rotation des ersten Sonnenrades blockiert und in ihrer deaktivierten Stellung eine freie Rotation des ersten Sonnenrades ermöglicht.
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Wenn eine zweite Schalteinrichtung auf ein zweites Sonnenrad (einer zweiten Getriebestufe) des Planetengetriebes einwirkt und mehrere mit dem zweiten Sonnenrad in Zahneingriff befindliche zweite Planetenräder auf einem zweiten Planetenträger drehbar gelagert sind, welcher zweite Planetenträger drehfest mit der Ausgangswelle verbunden ist, ist auch die zweite Schalteinrichtung platzsparend integrierbar.
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Demnach ist es ebenfalls zweckmäßig, wenn die zweite Schalteinrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie in ihrer aktivierten Stellung eine Rotation des zweiten Sonnenrades blockiert und in ihrer deaktivierten Stellung eine freie Rotation des zweiten Sonnenrades ermöglicht.
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Für die Ausbildung der beiden Schalteinrichtungen als Kupplung sind folgende Ausführungen besonders vorteilhaft.
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Demnach ist es auch von Vorteil, wenn eine erste Schalteinrichtung als eine zwischen der Eingangswelle und einem ersten Sonnenrad (einer ersten Getriebestufe) des Planetengetriebes wirkend eingesetzte Kupplung ausgebildet ist, sodass in einer aktivierten Stellung der ersten Schalteinrichtung eine Antriebsleistung zwischen der Eingangswelle und dem ersten Sonnenrad übertragbar ist und in der deaktivierten Stellung der ersten Schalteinrichtung keine Antriebsleistung zwischen der Eingangswelle und dem ersten Sonnenrad übertragbar ist.
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Des Weiteren ist es zweckdienlich, wenn eine zweite Schalteinrichtung als eine zwischen der Eingangswelle und einem Planetenträger eines ersten Planetenradsatzes (einer ersten Getriebestufe) des Planetengetriebes wirkende Kupplung ausgebildet ist, sodass in der aktivierten Stellung der zweiten Schalteinrichtung eine Antriebsleistung zwischen der Eingangswelle und dem Planetenträger des ersten Planetenradsatzes übertragbar ist und in der deaktivierten Stellung der zweiten Schalteinrichtung keine Antriebsleistung zwischen der Eingangswelle und dem Planetenträger des ersten Planetenradsatzes übertragbar ist.
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Für beide Ausbildungen der Schalteinrichtung als Bremse oder Kupplung ist es des Weiteren zweckmäßig, wenn ein mit dem ersten Planetenradsatz des Planetengetriebes in Zahneingriff befindliches erstes Hohlrad mit einem Planetenträger eines zweiten Planetenradsatzes des Planetengetriebes drehfest gekoppelt ist und/oder der Planetenträger des ersten Planetenradsatzes mit einem mit dem zweiten Planetenradsatz in Zahneingriff befindlichen zweiten Hohlrad drehfest gekoppelt ist. Dadurch ergibt sich eine geschickte Ausbildung des Planetengetriebes zur Umsetzung der Übersetzungen in den entsprechenden Gängen der Getriebeeinrichtung.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das mit zumindest einer Achsantriebseinheit der zuvor beschriebenen Ausführungen ausgestattet ist, wobei die Ausgangswelle der Achsantriebseinheit zum Antrieb zumindest zweier Räder des Kraftfahrzeuges mit Abtriebswellen gekoppelt ist.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß eine elektrische Achse mit zwei Gängen umgesetzt. Um zwei reine elektrische Gänge zu erreichen, wird vorzugsweise eine elektrische Maschine mit zwei Bremsen eingesetzt. Es sind keine weiteren Schalteinrichtungen notwendig.
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Die Erfindung wird nun anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Achsantriebseinheit nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei zwei, die unterschiedlichen Gänge einer Getriebeeinrichtung ermöglichenden Schalteinrichtungen als Bremsen realisiert sind,
- 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der verschiedenen Betriebsmodi der Achsantriebseinheit nach 1 mit den beispielhaft gewählten Übersetzungen, wie sie durch die Gänge realisierbar sind,
- 3 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Achsantriebseinheit nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, das sich insbesondere durch die Ausbildung der beiden Schalteinrichtungen als Kupplung von dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet,
- 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der durch die Achsantriebseinheit nach 3 realisierbaren Betriebsmodi samt der beispielhaft gewählten Übersetzungen, sowie
- 5 eine Draufsicht auf ein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug, wie es mit einem der Achsantriebseinheiten der 1 und 3 ausgestattet sein kann.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Mit den 1 und 3 sind zwei unterschiedlich ausgeführte erfindungsgemäße Achsantriebseinheiten 1 veranschaulicht. Die mit 1 dargestellte elektrische Achsantriebseinheit 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen gemäß der Achsantriebseinheit 1 des zweiten Ausführungsbeispiels nach 3 aufgebaut sowie funktioniert. Der Kürze wegen werden daher nachfolgend lediglich die Unterschiede zwischen diesen beiden Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Wie zunächst in 1 hinsichtlich des ersten Ausführungsbeispiels zu erkennen, ist die Achsantriebseinheit 1 als eine reine elektrische Achsantriebseinheit 1 umgesetzt. Diese elektrische Achsantriebseinheit 1 weist somit eine elektrische Maschine 3 auf, die alleine einen Antriebsmotor eines in Verbindung mit 5 angedeuteten Antriebsstranges 10 eines Kraftfahrzeuges 2 bildet.
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Mit 1 wird weiterhin deutlich, dass die elektrische Maschine 3 typischerweise einen Stator 25 sowie einen relativ zu diesem Stator 25 verdrehbar gelagerten Rotor 7 aufweist. Der Rotor 7 ist unmittelbar mit einer Eingangswelle 6 einer Getriebeeinrichtung 5 der Achsantriebseinheit 1 drehfest verbunden. Die Getriebeeinrichtung 5 weist weiterhin ein zweistufiges Planetengetriebe 4 auf. Das Planetengetriebe 4 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel eingangsseitig (seitens eines Planetenträgers 16) mit der Eingangswelle 6 drehfest verbunden und ausgangsseitig mit einer Ausgangswelle 8 drehfest verbunden.
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Des Weiteren ist prinzipiell in 1 zu erkennen, dass der Ausgang der Achsantriebseinheit 1, d.h. die Ausgangswelle 8, mit weiteren in dem Antriebsstrang 10 des Kraftfahrzeuges 2 vorgesehenen Einrichtungen verbindbar ist. Die Ausgangswelle 8 geht in dieser Ausführung in ein als Final Drive 26 bezeichnetes Element eines Abtriebs 9 über, welcher Final Drive 26 / Abtrieb wiederum mit einem Differenzial 27 gekoppelt ist. Auf typische Weise sind zwei Abtriebswellen 24a, 24b mit dem Differenzial 27 gekoppelt, welche Abtriebswellen 24a, 24b gemäß 5 drehfest mit Rädern 23a bzw. 23b des Kraftfahrzeuges 2 verbunden sind.
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Hinsichtlich des weiteren Aufbaus des Planetengetriebes 4 sei anzumerken, dass eine erste Getriebestufe dieses Planetengetriebes 4 / der Getriebeeinrichtung 5 durch einen ersten Planetenradsatz 19 mit gebildet ist. Der erste Planetenradsatz 19 ist auf einem ersten Planetenträger 16 drehbar gelagert. Folglich sind mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete erste Planetenräder 15 des ersten Planetenradsatzes 19 jeweils auf dem ersten Planetenträger 16 drehbar gelagert. Der erste Planetenträger 16 ist in der Ausführung gemäß 1 direkt und permanent drehfest mit der Eingangswelle 6 und somit dem Rotor 7 verbunden. Mit dem ersten Planetenradsatz 19 befindet sich ein erstes Sonnenrad 13 in Zahneingriff. Auch befindet sich der erste Planetenradsatz 19 mit einem ersten Hohlrad 20 in Zahneingriff. Das erste Hohlrad 20, der erste Planetenradsatz 19, mit dem ersten Planetenträger 16, und das erste Sonnenrad 13 bilden somit zusammen die erste Getriebestufe aus.
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Eine zweite Getriebestufe des Planetengetriebes 4 / der Getriebeeinrichtung 5 ist durch einen zweiten Planetenradsatz 21 mit gebildet. Der zweite Planetenradsatz 21 ist auf einem zweiten Planetenträger 18 drehbar gelagert. Insbesondere sind mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete zweite Planetenräder 17 des zweiten Planetenradsatzes 21 jeweils drehbar an dem zweiten Planetenträger 18 aufgenommen.
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Der zweite Planetenträger 18 ist unmittelbar drehfest mit der Ausgangswelle 8 verbunden. Die zweite Getriebestufe weist des Weiteren ein zweites Sonnenrad 14 auf, das sich mit dem zweiten Planetenradsatz 21 in Zahneingriff befindet. Auch weist die zweite Getriebestufe ein zweites Hohlrad 22 auf, das sich ebenfalls mit dem zweiten Planetenradsatz 21 in Zahneingriff befindet. Des Weiteren ist zu erkennen, dass der erste Planetenträger 16 unmittelbar mit dem zweiten Hohlrad 22 permanent drehfest verbunden ist. Das erste Hohlrad 20 ist permanent drehfest mit dem zweiten Planetenträger 18 verbunden.
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Erfindungsgemäß sind zusätzlich nicht mehr als zwei Schalteinrichtungen 11, 12 vorhanden, um genau zwei Gänge der Getriebeeinrichtung 5 / des Planetengetriebes 4 zu schalten. Die beiden Schalteinrichtungen 11 und 12 sind somit zum Umsetzen zweier unterschiedlicher Getriebeübersetzungen zwischen der Eingangswelle 6 und der Ausgangswelle 8 wirkend eingesetzt.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 sind eine erste Schalteinrichtung 11 und eine zweite Schalteinrichtung 12 jeweils als Bremse umgesetzt. Die erste Schalteinrichtung 11 wirkt auf das erste Sonnenrad 13 ein. Die zweite Schalteinrichtung 12 wirkt auf das zweite Sonnenrad 14 ein. Die erste Schalteinrichtung 11 hält somit das erste Sonnenrad 13 in ihrer aktivierten Stellung relativ zu einem fahrzeugrahmenfesten Bereich 28 fest. In einer deaktivierten Stellung der ersten Schalteinrichtung 11 gibt die erste Schalteinrichtung 11 eine Rotation des ersten Sonnenrades 13 frei.
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Entsprechend der Ausbildung der ersten Schalteinrichtung 11 ist die zweite Schalteinrichtung 12 aufgebaut. Die zweite Schalteinrichtung 12 wirkt somit in ihrer aktivierten Stellung blockierend auf das zweite Sonnenrad 14 ein und hält dieses relativ zu dem fahrzeugrahmenfesten Bereich 28 fest. In einer deaktivierten Stellung der zweiten Schalteinrichtung 12 ist eine freie Rotation des zweiten Sonnenrades 14 ermöglicht.
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In Verbindung mit 2 sind dann die beiden unterschiedlichen Getriebeübersetzungen / Gänge, wie sie durch die beiden Schalteinrichtungen 11, 12 nach 1 ermöglicht werden, hinsichtlich ihrer Übersetzungen beispielhaft dargestellt. In einem üblichen reinen elektrischen Antrieb (reinen E-Betrieb) der Achsantriebseinheit 11 (erster Betriebszustand) wird ein erster Gang zwischen der Eingangswelle 6 und der Ausgangswelle 8 geschalten, indem die erste Schalteinrichtung 11 in ihre deaktivierte Stellung gebracht wird und die zweite Schalteinrichtung 12 in ihre aktivierte Stellung gebracht wird. In diesem ersten Gang ergibt sich bspw. eine Übersetzung des Planetengetriebes 4 / zwischen der Eingangswelle 6 und der Ausgangswelle 8 von i1=1,5. In einem zweiten Gang der Achsantriebseinheit 1 befindet sich die erste Schalteinrichtung 11 in ihrer aktivierten Stellung und die zweite Schalteinrichtung 12 befindet sich in ihrer deaktivierten Stellung. Dabei ergibt sich eine Übersetzung des Planetengetriebes 4 von i2 = 0,74.
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Da der Final Drive 26 des Weiteren eine Übersetzung von 9 aufweist, ergibt sich eine Gesamtübersetzung von 13,5 in dem ersten Gang und von 6,66 in dem zweiten Gang. Ein Gangsprung zwischen dem ersten Gang und dem zweiten Gang beträgt daher 2,03.
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In einem weiteren zweiten Betriebszustand der Achsantriebseinheit 1 ist ein Rückwärtsfahren möglich, das ebenfalls rein elektrisch erfolgt. Hierbei ist vorzugsweise die erste Schalteinrichtung 11 in ihrer deaktivierten Stellung und die zweite Schalteinrichtung 12 in ihrer aktivierten Stellung. Dadurch ergibt sich wiederum die Übersetzung von 1,5.
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Das mit 3 veranschaulichte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel insbesondere durch Ausbilden der beiden Schalteinrichtungen 11, 12. Auch in dieser Ausführung sind ebenfalls ausschließlich zwei Schalteinrichtungen 11, 12 vorhanden. Jede der beiden Schalteinrichtungen 11, 12 ist als eine zwischen der Eingangswelle 6 und einem eingangsseitigen Bestandteil des Planetengetriebes 4, nämlich dem ersten Sonnenrad 13 bzw. dem ersten Planetenträger 16 wirkend eingesetzte Kupplung umgesetzt.
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Die erste Schalteinrichtung 11 ist zwischen der Eingangswelle 6 und dem ersten Sonnenrad 13 wirkend eingesetzt. Die zweite Schalteinrichtung 12 ist zwischen der Eingangswelle 6 und dem ersten Planetenträger 16 wirkend eingesetzt. In einer aktivierten Stellung der ersten Schalteinrichtung 11 sind die Eingangswelle 6 und das erste Sonnenrad 13 drehfest miteinander verbunden. In einer deaktivierten Stellung der ersten Schalteinrichtung 11 ist die Eingangswelle 6 von dem ersten Sonnenrad 13 drehentkoppelt und somit relativ zu diesem frei verdrehbar. In einer aktivierten Stellung der zweiten Schalteinrichtung 12 ist die Eingangswelle 6 drehfest mit dem ersten Planetenträger 16 verbunden und in einer deaktivierten Stellung der zweiten Schalteinrichtung 12 von diesem rotatorisch entkoppelt.
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Des Weiteren ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel das zweite Sonnenrad 14 permanent mit dem fahrzeugrahmenfesten Bereich 28 verbunden und somit relativ zu diesem festgehalten.
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Wie wiederum in 4 zu erkennen, wird ein erster Gang in dem ersten Antriebszustand zwischen der Eingangswelle 6 und der Ausgangswelle 8 durch Aktivieren der ersten Schalteinrichtung 11 und Deaktivieren der zweiten Schalteinrichtung 12 erreicht. In dem ersten Gang stellt sich eine Übersetzung von i1 =2,75 ein. In dem zweiten Gang ist die erste Schalteinrichtung 11 deaktiviert und die zweite Schalteinrichtung 12 aktiviert. Dabei ergibt sich eine Übersetzung von 1,5. In dem zweiten Betriebszustand gemäß einem Rückwärtsfahren ist die erste Schalteinrichtung 11 aktiviert und die zweite Schalteinrichtung 12 deaktiviert. Dadurch ergibt sich die Übersetzung von 2,75. Der Final Drive 26 weist eine Übersetzung von 4,8 auf. Somit ergibt sich eine Gesamtübersetzung in dem ersten Gang von 13,2 und in dem zweiten Gang von 7,2. Ein Gangsprung zwischen dem ersten Gang und dem zweiten Gang ergibt sich in Höhe von 1,83.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß eine elektrische Achse 1 / ein E-Drive mit zwei Gängen vorgeschlagen. Neben einer elektrischen Maschine 3 sind in einer bevorzugten Ausführung zwei Bremsen 11, 12 vorhanden, um zwei reine elektrischen Gängen zu erhalten. In einer weiteren Ausführung sind die Bremsen 11, 12 durch Kupplungen 11, 12 ersetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achsantriebseinheit
- 2
- Kraftfahrzeug
- 3
- elektrische Maschine
- 4
- Planetengetriebe
- 5
- Getriebeeinrichtung
- 6
- Eingangswelle
- 7
- Rotor
- 8
- Ausgangswelle
- 9
- Abtrieb
- 10
- Antriebsstrang
- 11
- erste Schalteinrichtung
- 12
- zweite Schalteinrichtung
- 13
- erstes Sonnenrad
- 14
- zweites Sonnenrad
- 15
- erstes Planetenrad
- 16
- erster Planetenträger
- 17
- zweites Planetenrad
- 18
- zweiter Planetenträger
- 19
- erster Planetenradsatz
- 20
- erstes Hohlrad
- 21
- zweiter Planetenradsatz
- 22
- zweites Hohlrad
- 23a
- erstes Rad
- 23b
- zweites Rad
- 24a
- erste Abtriebswelle
- 24b
- zweite Abtriebswelle
- 25
- Stator
- 26
- Final Drive
- 27
- Differenzial
- 28
- fahrzeugrahmenfester Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/099542 A1 [0002]
- DE 102018005372 A1 [0002]
- WO 2018/153403 A1 [0002]
