DE102019129236A1

DE102019129236A1 - Als Modulbaukasten aufgebauter Planetenträger

Info

Publication number: DE102019129236A1
Application number: DE102019129236.0A
Authority: DE
Inventors: Philipp Mattes; Thorsten BIERMANN
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2020-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Planetenträger (5) einer Getriebeeinheit (1), die einer elektromechanischen Antriebseinrichtung (2) eines mehrspurigen Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, wobei die Getriebeeinheit (1) mit zumindest einem Elektromotor und wenigstens einer Abtriebswelle einer angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wobei der Planetenträger (5) als ein Modulbaukasten aufgebaut ist, der über eine kraftschlüssige und / oder formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung (WNV) (14) mit unterschiedlichen Modulen eines Achsantriebs des Kraftfahrzeugs kombiniert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Planetenträger von einer Getriebeeinheit, die einer elektromechanischen Antriebseinrichtung eines mehrspurigen Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, wobei die Getriebeeinheit mit zumindest einem Elektromotor und wenigstens einer Abtriebswelle einer angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Die DE 10 2006 022 175 A1 bezieht sich auf eine in Planetenbauweise ausgeführte Getriebevorrichtung einer elektromechanischen Antriebseinrichtung zum Verteilen eines Antriebsmoments auf zwei Antriebswellen. Neben einer Verteilung des Antriebsmomentes von dem Elektromotor erfolgt über die Getriebevorrichtung zudem eine Einflussnahme auf die Verteilung der Drehmomente auf die Antriebswellen.
Ein elektrischer Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug, der ein Planetengetriebe umfasst, ist aus der DE 10 2013 102 161 A1 bekannt. Eine erste elektromaschinenseitig vorgesehene Stirnradstufe ist über eine Zwischenwelle als Ausgang mit einem Planetenträger des Planetengetriebes verbunden. Ein Hohlrad des Planetengetriebes ist mit dem Stirnrad einer zweiten Stirnradstufe verbunden, deren zugehöriges weiteres Stirnrad über ein Differentialgetriebe dem Antreiben von zwei Abtriebswellen der Achse des Kraftfahrzeugs dient.
Die DE 10 333 879 A1 offenbart ein Planetengetriebe für ein Kraftfahrzeug, bei dem eine Welle drehfest mit einem Planetenträger gekoppelt ist. Der Planetenträger trägt eine Mehrzahl von Planetenrädern, die zugleich mit einem Hohlrad und einem Sonnenrad kämmen. Sowohl das Sonnenrad als auch der Planetenträger weisen Verlängerungsabschnitte auf, welche aus dem Planetengetriebe herausragen, deren Enden miteinander in Eingriff gebracht sind, um den Planetenträger mit dem Sonnenrad drehfest miteinander zu koppeln.
Aus der EP 2 821 672 A1 ist eine einer elektrischen Antriebseinheit zugeordnete Getriebeanordnung bekannt, umfassend eine Rotorwelle als Eingangswelle sowie ein Differentialgetriebe und einen als Planetengetriebe ausgeführten, auch Getriebeeingangsstufe genannten Stufenplanetensatz, dessen Sonnenrad der Eingangswelle zugeordnet ist. Das als Stirnraddifferential ausgeführte Differentialgetriebe schließt Planetenräder als Ausgleichsräder sowie Sonnenräder als Abtriebsräder ein, wobei jedem Sonnenrad eine Ausgangswelle zugeordnet ist. Ein über die Eingangswelle eingebrachtes Drehmoment wird über den Stufenplanetensatz in das Stirnraddifferential eingeleitet und von dort auf die Ausgangswellen und anschließend auf die angetriebenen Fahrzeugräder übertragen. Die Eingangswelle bildet eine Hohlwelle, durch die eine der Ausgangswellen geführt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Planetenträger mit einfachen, kostengünstigen Maßnahmen so zu gestalten, dass dieser mit unterschiedlichen Modulen von Systemarchitekturen der Antriebseinrichtung kombiniert werden kann.
Diese Aufgabenstellung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß ist ein als Modulbaukasten aufgebauter Planetenträger vorgesehen, der über eine kraftschlüssige und / oder formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung (WNV) mit unterschiedlichen Modulen eines Achsantriebs von dem Kraftfahrzeug kombiniert werden kann.
Aufgrund der Kombinationsmöglichkeiten des Modulbaukastens bzw. des Planetenträgers mit verschiedenen Modulen des Achsantriebs stellen sich durch das Gleichteileprinzip kommerzielle Vorteile insbesondere bei höheren Stückzahlen ein, verbunden mit einem breiteren Spektrum an Funktionen.
Durch die Erfindung wird eine funktionserweiterte Wellenverbindung bzw. Funktionsbaugruppe zur Übertragung des Antriebsdrehmoments auf elektrisch angetriebene Achsen eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, die sich durch eine hohe Variabilität auszeichnet. Dabei bildet der als Modulbaukasten aufgebaute Planetenträger im Einbauzustand vorteilhaft eine spielfreie, als Welle-Nabe-Verbindung (WNV) ausgeführte Schnittstelle zwischen der Steckverzahnung des Planetenträgers und einer korrespondierenden Außenverzahnung von unterschiedlichen Komponenten des Achsantriebs. Über die Steckverzahnung des auch Modulbaukasten genannten Planetenträgers einer Getriebeeinheit kann diese unmittelbar direkt mit dem Abtrieb oder mittelbar in Verbindung mit zusätzlichen Komponenten gepaart werden, welche den Antrieb mit verschiedenen und / oder zusätzlichen Funktionalitäten erweitern. Die zu einer Funktionserweiterung führende Welle-Nabe-Verbindung ist aufgrund eines geringen Bauraumbedarfs in vielen Fällen in bestehende Planetenträgerkonzepte integrierbar.
Weiterhin erfüllt das erfindungsgemäße Konzept die an Gesamtsysteme von elektrischen Antrieben gestellten Anforderungen und bietet die Möglichkeit einer Mehrfachverwendung einzelner Komponenten für unterschiedliche Systemarchitekturen. Die Verwendung von einheitlichen Werkzeugen führt zu einer fertigungstechnischen Optimierung des Planetenträgers, die sich positiv auf die Herstellungskosten der zugehörigen Getriebeeinheit auswirkt. Außerdem vereinfacht sich durch den vergrößernden Gleichteileumfang des Achsantriebs, der sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme einstellt, die Lagerhaltung u.a. des Fahrzeugherstellers, was zu einer Kosteneinsparung führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung schließt die Welle-Nabe-Verbindung im Planetenträger eine Steckverzahnung ein, die übereinstimmend zu einer Anordnung von den umfangsverteilt positionierten Planetenrädern der Getriebeeinheit im Planetenträger platziert ist. Die konzentrische Anordnung der Planetenräder zu der Steckverzahnung und die sich damit einstellende Lageübereinstimmung führen zu einer kompakten, bauraumoptimierten Einbaulage der als Welle-Nabe-Verbindung (WNV) ausgeführten Schnittstelle.
Der erfindungsgemäße Modulbaukasten ist beispielsweise mit einer Getriebeeinheit kombinierbar, die als Planetenradstufe aufgebaut ist, wobei dieses Modul unmittelbar oder über eine Abtriebswelle mittelbar eine Schnittstelle mit der Steckverzahnung bildet. Die Getriebeeinheiten oder Komponenten des Achsantriebs können in unterschiedlichen Größen, Leistungsklassen und / oder Bauformen ausgeführt sein, was einen kosteneffizienteren und angepassten Einsatz dieser Getriebeeinheiten ermöglicht. Unabhängig von dem Aufbau des Achsantriebs ist in allen Fällen die Dimensionierung der Schnittstelle auf das maximal zu übertragende Drehmoment ausgelegt. Eine Skalierung der Systemleistung ist hierbei entweder über eine Ausführung als einmotorige Variante oder mittels Twin Antrieb möglich.
Eine weitere Ausführungsform sieht eine elektromechanische Antriebseinrichtung vor, bei der die Systemleistung von der Steckverzahnung eine direkte Schnittstelle mit dem Abtrieb bzw. mit der angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs bildet. Dazu bietet es sich an, dass eine Gelenkwelle und / oder ein Tripode beispielsweise der angetriebenen Lenkachse des Kraftfahrzeugs unmittelbar mit einer korrespondierenden Außenverzahnung in die Steckverzahnung des Planetenträgers eingepasst ist. Der erfindungsgemäße Modulbaukasten kann mit weiteren Komponenten der angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs kombiniert werden, beispielsweise einem Planetengetriebe oder einem Differential, wobei unterschiedlichen Bauformen von Differenzialen einsetzbar sind wie ein Stirnraddifferenzial, Kegelraddifferenzial oder ein Torsen-Differenzial. Mittels der eingesetzten Differenziale sind verschiedene und / oder zusätzliche Funktionalitäten der elektromechanische Antriebseinrichtung erzielbar wie beispielsweise eine Parksperre oder ein Sperrdifferential.
Alternativ zu einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der die Systemleistung eines Elektromotors über die Steckverzahnung auf ein zugehöriges Differential übertragen wird, ist die Erfindung auch auf eine zwei Elektromotoren einschließende, auch Twin System genannte elektromechanische Antriebseinrichtung übertragbar. Dabei ist jedem Elektromotor ein Getriebe mit einem Planetenträger zugeordnet, dessen Steckverzahnung eine Schnittstelle mit einer angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs bildet. Jeder der beiden Elektromotoren treibt radselektiv jeweils ein Fahrzeugrad an, so dass kein Achsdifferenzial erforderlich ist.
Ferner kann die zwei Elektromotoren umfassende Antriebseinrichtung auch eine Torque Vectoring Einheit einschließen, mit der eine gezielte Momentenverteilung erzielbar ist, um eine bedarfsgerechte Drehmomentdifferenz zwischen zwei angetriebenen Rädern einer Achse zu erreichen. In bestimmten Fahrsituationen ist damit das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs durch eine Drehmoment-Umverteilung beeinflussbar. So kann beispielsweise bei einer Kurvenfahrt am Kurveneingang ein Antriebsmoment zum kurvenäußeren Fahrzeugrad verlagert werden.
Die eine Innenverzahnung bildende Steckverzahnung des Planetenträgers ist bevorzugt als Geradverzahnung ausgelegt, in die ein Bauteil mit einer korrespondierenden Außenverzahnung formschlüssig eingreift. Dabei bildet der Kopfkreis der Verzahnung im Planetenträger den kleinsten Durchmesser des Bauteils. Die Bauteilgeometrie des Planetenträgers ist so gewählt, dass die Innenverzahnung mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden kann, wobei das wirtschaftlichste Verfahren bevorzugt wird. Zur kostengünstigen und exakten Herstellung eignet sich vorzugsweise ein Wälzschäl-Verfahren. Alternativ kann die Steckverzahnung mittels Stoßen, Fräsen, Räumen oder Schleifen hergestellt werden. In Abhängigkeit von der notwendigen Oberflächengüte wäre auch Erodieren, insbesondere Drahterodieren denkbar. Die Dimensionierung der Steckverzahnung hinsichtlich Länge, Form und Modul können in Abhängigkeit von den vorliegenden Randbedingungen sowie der Umgebungskonstruktion des Planetenträgers ausgelegt werden.
Der Planetenträger ist vorzugsweise einteilig aus einem spanlos umgeformten Blechwerkstoff hergestellt. Alternativ dazu bietet es sich an, einen mehrteilig ausgebildeten Planetenträger einzusetzen, der aus stoffschlüssig zusammengefügten Blechteilen besteht.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von mehreren Figuren näher beschrieben und erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die abgebildeten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es zeigt:

1: in einem Längsschnitt eine Getriebeeinheit mit einem erfindungsgemäß gestalteten, eine Steckverzahnung einschließenden Planetenträger;
2: die Getriebeeinheit gemäß 1, die über die Steckverzahnung mit einer Abtriebswelle gekoppelt ist;
3: die Getriebeeinheit gemäß 1, die über die Steckverzahnung mit einem Differenzial verbunden ist;
4: die Getriebeeinheit gemäß 1, der ein zu 3 alternatives Differenzial zugeordnet ist;
5: eine zwei Elektromotoren einschließende elektromechanische Antriebseinrichtung.

Die nachfolgende Beschreibung der Figuren von Ausführungsbeispielen soll dem besseren Verständnis der Erfindung dienen. Dabei sind gleiche Bauteile mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, wobei nicht alle Bauteile durch Bezugsziffern gekennzeichnet sind.
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Getriebeeinheit 1 nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hinsichtlich seines Aufbaus und der Anordnung einzelner Bauteile abgebildet, wobei in der 1 nicht alle Bauteile der Getriebeeinheit 1 sichtbar darestellt sind. Die Getriebeeinheit 1 kann einer in den 2 bis 4 gezeigten elektromechanischen Antriebseinrichtung 2 einer angetriebenen Achse von einem Kraftfahrzeug (nicht gezeigt) zugeordnet werden. Die als ein zweistufiges Planetengetriebe aufgebaute Getriebeeinheit 1 ist antriebsseitig über zwei koaxial zueinander angeordnete, axial aus der Getriebeeinheit 1 austretenden Hohlwellen 3, 4 mit einer einem Elektromotor vorgeschalteten Kupplung (nicht gezeigt) gekoppelt. Die radial äußere Hohlwelle 4 ist dem ersten Gang und die innere Hohlwelle 3 dem zweiten Gang zugeordnet, weiterhin ist jede Hohlwelle 3, 4 innerhalb der Getriebeeinheit 1 einstückig mit einem Sonnenrad verbunden. Die Getriebeeinheit 1 kann ist dazu vorgesehen, eine hohe Eingangsdrehzahl des Elektromotors auf eine niedrige Ausgangsdrehzahl zu reduzieren. Ein umgesetztes Drehmoment wird anschließend über einen Planetenträger 5 auf ein nachgeordnetes Modul der Antriebseinrichtung 2 einer angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs übertragen. Dazu ist eine Welle-Nabe-Verbindung 14 vorgesehen, diese wird gebildet von einer Steckverzahnung 6, welche in dem als Modulbaukasten ausgeführten Planetenträger 5 eingebracht ist sowie von einer korrespondierenden Außenverzahnung eines Abtriebmoduls. Die als Geradverzahnung ausgeführte Steckverzahnung 6 ist zentrisch im Planetenträger 5 angeordnet, wobei sich eine Lageübereinstimmung zu umfangsverteilt positionierten Planetenrädern 13 der Getriebeeinheit 1 einstellt, die die Steckverzahnung 6 umschließen.
Die 2 zeigt die Getriebeeinheit 1, die abtriebsseitig unmittelbar mit einer als Tripode 7 ausgeführten Abtriebswelle verbunden ist. Mit einem durchmesserreduzierten, eine Außenverzahnung 8 einschließenden Endabschnitt ist die Tripode 7 formschlüssig zentriert in die Steckverzahnung 6 eingesetzt. Zur Schaffung einer spielfreien Verbindung der zusammengefügten Bauteile ist die Schnittstelle 9 dieser Bauteile als Passsitz ausgeführt. In die Außenverzahnung 8 ist endseitig eine Ringnut 10 eingebracht, die beispielsweise nutzbar ist zur Aufnahme eines radial vorgespannten Sicherungsrings (nicht gezeigt), der im Einbauzustand in eine zugehörige Umlaufnut des Planetenträgers 5 verrastet, zwecks Lagefixierung der Tripode 7. Alternativ kann in die Ringnut 10 ein Dichtring eingesetzt werden, der baulich einen Ölraum der Getriebeeinheit 1 von einem Fettraum der Tripode 7 trennt.
In der 3 und der 4 ist die Antriebseinrichtung 2 gezeigt, wobei der Getriebeeinheit 1 jeweils ein unterschiedliches Differenzial 11, 12 zugeordnet ist. Die sich unterscheidenden Bauformen der Differenziale 11, 12 sollen exemplarisch verdeutlichen, dass verschiedene Ausführungen von Differenzialen mit der Getriebeeinheit 1 kombinierbar sind. Die übereinstimmend als Stirnraddifferenzial ausgeführten Differenziale 11, 12 unterscheiden sich hinsichtlich der Bauteilbreite.
Das axial breitere Differenzial 11 gemäß 3 beinhaltet drei axial nebeneinander angeordnete Zahneingriffsebenen und das weitere Differenzial 12 zwei axiale Zahneingriffsebenen. Beide Differenziale 11, 12 sind abtreibseitig mit einer Tripode 7 verbunden.
Die 5 zeigt die Antriebseinrichtung 22, die zwei in einem Gehäuse 25 integrierte Elektromotoren 23, 24 einschließt. Jeder Elektromotor 23, 24 ist über eine Kupplung 26, 27 mit einer Getriebeeinheit 1 verbunden, die abtriebsseitig einen Planetenträger 5 einschließt. In den Steckverzahnungen 6 der Planetenträger 5 ist jeweils eine Tripode 7 axial fixiert eingepasst, die jeweils mit einem angetriebenen Rad (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind.
Bezugszeichenliste

1: Getriebeeinheit
2: Antriebseinrichtung
3: Hohlwelle
4: Hohlwelle
5: Planetenträger
6: Steckverzahnung
7: Tripode
8: Außenverzahnung
9: Schnittstelle
10: Ringnut
11: Differenzial
12: Differenzial
13: Planetenrad
14: Welle-Nabe-Verbindung
22: Antriebseinrichtung
23: Elektromotor
24: Elektromotor
25: Gehäuse
26: Kupplung
27: Kupplung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006022175 A1 [0002]
DE 102013102161 A1 [0003]
DE 10333879 A1 [0004]
EP 2821672 A1 [0005]

Claims

Planetenträger (5) einer Getriebeeinheit (1), die einer elektromechanischen Antriebseinrichtung (2, 22) eines mehrspurigen Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, wobei die Getriebeeinheit (1) mit zumindest einem Elektromotor (23, 24) und wenigstens einer Abtriebswelle einer angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (5) als ein Modulbaukasten aufgebaut ist, der über eine kraftschlüssige und / oder formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung (WNV) (14) mit unterschiedlichen Modulen eines Achsantriebs des Kraftfahrzeugs kombiniert werden kann.
Planetenträger (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle-Nabe-Verbindung (14) im Planetenträger (5) eine Steckverzahnung (6) einschließt, die übereinstimmend zu einer Anordnung von umfangsverteilt positionierten Planetenrädern (13) der Getriebeeinheit (1) im Planetenträger (5) platziert ist.
Planetenträger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverzahnung (6) des Planetenträgers (5) über zusätzliche Komponenten mittelbar mit der angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist.
Planetenträger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ein Modulbaukasten bildenden Planetenträger (5) ein als Planetenradstufe aufgebautes Modul zugeordnet ist.
Planetenträger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverzahnung (6) eine direkte Schnittstelle (9) mit einer Gelenkwelle und / oder einer Tripode (7) der angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs bildet.
Planetenträger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverzahnung (6) des Planetenträgers (5) eine Schnittstelle (9) mit einem Differential (11, 12) bildet.
Planetenträger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanische Antriebseinrichtung (22) zwei Elektromotoren (23, 24) einschließt, denen jeweils ein Planetenträger (5) zugeordnet ist, wobei deren Steckverzahnung (6) unmittelbar mit einer angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist.
Planetenträger (5) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (22) eine Torque Vectoring Einheit zur gezielten Verteilung des Drehmomentes der beiden Elektromotoren (23, 24) umfasst.
Planetenträger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als eine innenverzahnte Geradverzahnung ausgeführte Steckverzahnung (6) des Planetenträgers durch ein Wälzschälverfahren herstellbar ist.
Planetenträger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (5) aus einem spanlos umgeformten Blechwerkstoff hergestellt ist.