DE102019123169A1

DE102019123169A1 - Elektrische Antriebseinheit mit einer elektrischen Antriebsmaschine sowie einem Drehmomentwandler

Info

Publication number: DE102019123169A1
Application number: DE102019123169.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Gramann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-03-04
Also published as: WO2021037310A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Antriebsmaschine (2) sowie einem, ein Pumpenrad (3), ein Turbinenrad (4) sowie ein Leitrad (5) aufweisenden, hydrodynamischen Drehmomentwandler (6), wobei das Pumpenrad (3) mit einer Rotorwelle (7) der elektrischen Antriebsmaschine (2) rotatorisch gekoppelt ist und das Turbinenrad (4) einen abtriebsseitigen Ausgang bildet, und wobei zumindest eine Schaufel (9a) des Pumpenrads (3), eine Schaufel (9b) des Turbinenrads (4) und/oder eine Schaufel (9c) des Leitrads (5) einstellbar ist, und/oder das Leitrad (5) über ein Getriebe (10) in eine gleiche Drehrichtung wie das Pumpenrad (3) und das Turbinenrad (4) antreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, wie ein Pkw, Lkw, Bus oder sonstiges Nutzfahrzeug, mit einer elektrischen Antriebsmaschine.
Bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen / E-Fahrzeugen besteht prinzipiell ein Zielkonflikt darin, hohe Anfahr- und Beschleunigungsmomente darzustellen, wobei gleichzeitig eine möglichst hohe Enddrehzahl erwartet wird. Es sind bereits Antriebsstränge bekannt, bei denen bspw. ein 2-Gang-Getriebe eingesetzt ist. Bei einem Gangwechsel soll eine möglichst zugkraftunterbrechungsfreie Betriebsart gewährleistet sein. Durch diese Forderung werden die Antriebsstränge jedoch relativ komplex im Aufbau, was zu einem kostenintensiven System führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinheit zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung zu stellen, die einen einfachen Aufbau mit einer möglichst klein dimensionierten elektrischen Maschine aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, die eine elektrische Antriebsmaschine sowie einen, ein Pumpenrad, ein Turbinenrad sowie ein Leitrad aufweisenden, hydrodynamischen Drehmomentwandler aufweist, wobei das Pumpenrad mit einer Rotorwelle der elektrischen Antriebsmaschine rotatorisch gekoppelt ist und das Turbinenrad einen abtriebsseitigen Ausgang (der Antriebseinheit) bildet. Erfindungsgemäß ist zumindest eine Schaufel des Pumpenrads, eine Schaufel des Turbinenrads und/oder eine Schaufel des Leitrads einstellbar und/oder das Leitrad ist über ein Getriebe in eine gleiche Drehrichtung wie das Pumpenrad und das Turbinenrad (bei deren Antrieb in diese Drehrichtung) antreibbar.
Durch die Verstellbarkeit der jeweiligen Schaufel bzw. durch das Getriebe wird ein Drehmomentwandler zur Verfügung zu stellen, der eine Drehmomentüberhöhung in einem möglichst großen Drehzahlbereich und somit auch noch bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten ermöglicht. Demnach wird eine für das entsprechende Antriebsmoment benötigte Differenzdrehzahl einfach durch die elektrische Antriebsmaschine eingestellt. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Einsparung seitens der elektrischen Antriebsmaschine, da diese möglichst klein dimensioniert werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Getriebe derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (im Betrieb der Antriebseinheit) durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine sowie durch einen stillstehenden Getriebeteil (etwa ein Hohlrad oder ein Planetenträger bei der Ausbildung des Getriebes als Planetengetriebe) bestimmt ist. Dadurch ist das Getriebe besonders einfach integrierbar.
Auch ist es prinzipiell von Vorteil, wenn das Getriebe derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (im Betrieb der Antriebeinheit) durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine sowie eine Drehzahl einer Abtriebswelle des Getriebes bestimmt ist.
Wiederum alternativ hierzu ist es von Vorteil, wenn das Getriebe derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (im Betrieb der Antriebseinheit) durch eine Drehzahl einer Abtriebswelle des Getriebes und einen stillstehenden Getriebeteil (etwa ein Hohlrad oder ein Planetenträger bei der Ausbildung des Getriebes als Planetengetriebe) bestimmt ist.
Alternativ hierzu ist es zweckmäßig, wenn das Getriebe zwischen einem separaten elektrischen Nebenantrieb (mit einem weiteren Elektromotor) und dem Leitrad wirkend eingesetzt ist.
Ist das Getriebe als ein Planetengetriebe realisiert, sind möglichst kompakte Bauweisen realisierbar.
In anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß ein elektrischer Antrieb (Antriebseinheit) mit hochdrehender E-Maschine mit mittleren Momenten und Momenten-Addition über einen hohen Drehzahlbereich zur Verfügung gestellt. Mit einem Drehmomentwandler in diesem elektrischen Antrieb sind Fluidkanäle (Schaufeln) einstellbar ausgebildet und/oder ein Stator (Leitrad) wird durch ein Getriebe in die gleiche Richtung wie ein Turbinenrad und ein Pumpenrad angetrieben. Dadurch kann ein Fluidfluss in dem Drehmomentwandler erzeugt werden, der für eine Überhöhung bei höheren Eingangsdrehzahlen (Pumpenrad dreht, Turbine ist angehalten, daraus folgt hohes Drehmoment) bis zu höheren Ausgangsgeschwindigkeiten sorgt.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren beschrieben, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert sind.
Es zeigen:

1 eine vereinfachte Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit nach einem ersten Ausführungsbeispiel, in dem verschiedene Schaufeln eines Pumpenrades, eines Turbinenrades sowie eines Leitrades eines Drehmomentwandlers in der Neigung einstellbar sind,
2 eine vereinfachte Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, in dem zwischen einer elektrischen Antriebsmaschine und dem Leitrad ein Getriebe wirkend eingesetzt ist, sowie
3 ein Diagramm zum Veranschaulichen von Drehmoment-Drehzahl-Verläufen in Bezug auf ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel sowie einer bekannten Umsetzung.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Wie prinzipiell in den 1 und 2 angedeutet, handelt es sich bei der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 1 um eine Antriebseinheit 1, die für einen rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges konzipiert sowie eingesetzt ist. Die elektrische Antriebseinheit 1 weist eine elektrische Antriebsmaschine 2 auf, die weiterhin auf übliche Weise einen Stator 12 sowie einen durch den Stator 12 antreibbaren Rotor 13 aufweist. Der Rotor 13 ist drehfest auf einer Rotorwelle 7 angeordnet, die unmittelbar mit einem Eingang eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers 6 in Form eines Pumpenrades 3 gekoppelt ist. Der Drehmomentwandler 6 weist neben dem Pumpenrad 3 ein einen Ausgang bildendes Turbinenrad 4 und ein zwischen dem Pumpenrad 3 und dem Turbinenrad 4 wirkend eingesetztes Leitrad 5 auf. Der Drehmomentwandler 6 ist folglich dauerhaft mit seinem Pumpenrad 3 drehfest mit der Rotorwelle 7 gekoppelt und mit seinem Turbinenrad 4 mit einem Abtrieb 8 des Kraftfahrzeuges weiter verbunden.
Erfindungsgemäß ist in einem ersten Ausführungsbeispiel der 1 eine Geometrie einer (dritten) Schaufel 9c des Leitrades 5 einstellbar. Auf typische Weise weist das Leitrad 5 mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete dritte Schaufeln 9c auf, die allesamt einstellbar sind. Durch die in ihrer Neigung relativ zu einer Radialebene einstellbare dritte Schaufel 9c ist es möglich, das Fluid im Betrieb der Antriebseinheit 1 derart variabel umzulenken, dass eine durch den Drehmomentwandler 6 erzeugte Drehmomentenüberhöhung in einen höheren Drehzahlbereich, d. h. zu einer höheren Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine 2, hineinverlegt wird. Dadurch kann der Drehmomentwandler 6 in einem breiteren Drehzahlbereich genutzt werden, wodurch die Effizienz der elektrischen Antriebseinheit 1 deutlich erhöht wird.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass in weiteren Ausführungen auch das Pumpenrad 3 und das Turbinenrad 4 jeweils Schaufeln 9a, 9b aufweisen, die einstellbar sind. Demnach sind in einer weiteren Ausführung entweder mehrere erste Schaufeln 9a des Pumpenrades 3, mehrere zweite Schaufeln 9b des Turbinenrades 4 und/oder mehrere dritte Schaufeln 9c des Leitrades 5 in ihrer Neigung einstellbar.
Alternativ zu der Einstellbarkeit der Schaufeln 9a, 9b, 9c gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist es in einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie es in 2 veranschaulicht ist, auch von Vorteil, ein Getriebe 10 derart wirkend einzusetzen, dass das Leitrad 5 bei einem drehenden Antrieb des Pumpenrades 3 in der gleichen Drehrichtung wie das Pumpenrad 3 sowie das Turbinenrad 4 dreht.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass das Getriebe 10 in einer bevorzugten Ausführung als Planetengetriebe umgesetzt ist. In diesem Zusammenhang ist das Getriebe 10 auf typische Weise mit einem Hohlrad, einem mehrere Planetenräder aufnehmenden Planetenträger sowie einem Sonnenrad versehen. Die drei Bestandteile des Planetengetriebes - Hohlrad, Planetenträger und Sonnenrad - können prinzipiell unterschiedlich angeordnet und festgelegt / festgehalten werden.
Demnach ist es gemäß einer bevorzugten Ausführung von Vorteil, wenn das Getriebe 10 derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades 5 durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine 2 sowie durch einen stillstehenden Getriebeteil bestimmt ist. Dieser stillstehende Getriebeteil ist vorzugsweise entweder das Hohlrad oder der Planetenträger des Planetengetriebes. Das Sonnenrad ist dann weiter bevorzugt unmittelbar mit der Rotorwelle 7 der elektrischen Antriebsmaschine 2 drehverbunden.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel hierzu ist es zweckmäßig, wenn das Getriebe 10 derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades 5 durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine 2 sowie eine Drehzahl einer Abtriebswelle 11 des Getriebes 10 bestimmt ist. Vorzugsweise wäre das Sonnenrad mit der elektrischen Antriebsmaschine 2 gekoppelt und die Abtriebswelle 11 wäre der Planetenträger.
In diesem Zusammenhang ist es wiederum auch zweckmäßig, wenn die Geschwindigkeit des Leitrades 5 durch eine Drehzahl der Abtriebswelle 11 und dem stillstehenden Getriebeteil bestimmt wird.
In einer weiteren ebenfalls denkbaren Ausführung ist es von Vorteil, wenn das Getriebe 10 zwischen einem separaten elektrischen Nebenantrieb und dem Leitrad 5 wirkend eingesetzt ist. Dann wäre das Getriebe 10 bspw. eingangsseitig mit einem separaten Elektromotor verbunden und ausgangsseitig mit dem Leitrad 5 gekoppelt.
Durch eine geeignete Auslegung der elektrischen Antriebseinheit 1, wie dann in Verbindung mit 3 zu erkennen, wird durch den Drehmomentwandler 6 inklusive der entsprechenden Anpassungen eine Reduktion eines maximalen Moments der elektrischen Antriebsmaschine 2 und eine hohe Kosteneinsparung erzielt. Beispielhaft ist in 3 ein Verlauf eines Drehmoments in Abhängigkeit eine Drehzahl seitens einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 mit angetriebenem Leitrad 5 mit einer gestrichelten Linie dargestellt; ein Verlauf gemäß dem Stand der Technik mit einem festen Leitrad 5 ist durch einen gepunkteten Linienverlauf dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinheit
2: Antriebsmaschine
3: Pumpenrad
4: Turbinenrad
5: Leitrad
6: Drehmomentwandler
7: Rotorwelle
8: Abtrieb
9a: erste Schaufel
9b: zweite Schaufel
9c: dritte Schaufel
10: Getriebe
11: Abtriebswelle
12: Stator
13: Rotor

Claims

Elektrische Antriebseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Antriebsmaschine (2) sowie einem, ein Pumpenrad (3), ein Turbinenrad (4) sowie ein Leitrad (5) aufweisenden, hydrodynamischen Drehmomentwandler (6), wobei das Pumpenrad (3) mit einer Rotorwelle (7) der elektrischen Antriebsmaschine (2) rotatorisch gekoppelt ist und das Turbinenrad (4) einen abtriebsseitigen Ausgang bildet, und wobei zumindest eine Schaufel (9a) des Pumpenrads (3), eine Schaufel (9b) des Turbinenrads (4) und/oder eine Schaufel (9c) des Leitrads (5) einstellbar ist, und/oder das Leitrad (5) über ein Getriebe (10) in eine gleiche Drehrichtung wie das Pumpenrad (3) und das Turbinenrad (4) antreibbar ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (10) derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (5) durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine (2) sowie durch einen stillstehenden Getriebeteil bestimmt ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (10) derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (5) durch eine Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine (2) sowie eine Drehzahl einer Abtriebswelle (11) des Getriebes (10) bestimmt ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (10) derart angeordnet ist, dass eine Geschwindigkeit des Leitrades (5) durch eine Drehzahl einer Abtriebswelle (11) des Getriebes (10) und einen stillstehenden Getriebeteil bestimmt ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (10) zwischen einem separaten elektrischen Nebenantrieb und dem Leitrad (5) wirkend eingesetzt ist.
Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (10) als ein Planetengetriebe umgesetzt ist.