DE102019202207A1

DE102019202207A1 - Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges

Info

Publication number: DE102019202207A1
Application number: DE102019202207.3A
Authority: DE
Inventors: Johannes GLÜCKLER; Stefan Renner; Johannes Kaltenbach; Stefan Spühler; Kai Bornträger
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-08-20
Also published as: CN111572283A; US11135914B2; US20200262293A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsachse eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges, umfassend eine erste und eine zweite elektrische Maschine (EM1, EM2) mit Antriebswellen (1a, 1b), ein erstes und ein zweites Antriebsrad (R1, R2), ein erstes und ein zweites Schaltgetriebe (G1, G2), wobei die erste elektrische Maschine (EM1) über das erste Schaltgetriebe (G1) das erste Antriebsrad (R1) und die zweite elektrische Maschine (EM2) über das zweite Schaltgetriebe (G2) das zweite Antriebsrad (R2) antreiben.Es wird vorgeschlagen, dass die Schaltgetriebe jeweils als Drei-Gang-Getriebe (G1, G2) mit gleicher Übersetzung (i, i, i) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsachse eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges mit zwei elektrischen Maschinen und nachgeschalteten Schaltgetrieben nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Verwendung der Schaltgetriebe des elektrisch antreibbaren Fahrzeuges.
Durch die DE 10 2009 002 437 A1 wurde ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug in mehreren Varianten bekannt, wobei eine Variante gemäß 2 eine rein elektrisch antreibbare Hinterachse mit Einzelradantrieben, d. h. einem so genannten radindividuellen Antrieb aufweist. Jedem Antriebsrad ist eine elektrische Maschine mit nachgeschaltetem Schaltgetriebe zugeordnet, wobei beide Einzelradantriebe voneinander getrennt sind. Die Schaltgetriebe sind als Zwei-Gang-Getriebe ausgebildet und werden mittels einer Klauenschaltung geschaltet, d. h. während des Schaltvorganges tritt eine Zugkraftunterbrechung auf. Wird beispielsweise nur das Getriebe auf der rechten Seite, welches das rechte Rad antreibt, geschaltet, so tritt infolge der Zugkraftunterbrechung für das rechte Rad ein Giermoment um die Hochachse des Fahrzeuges auf, welches das Fahrzeug nach rechts zu lenken versucht. Um ein solches Giermoment zu vermeiden, werden die Schaltungen daher gleichzeitig auf beiden Seiten durchgeführt. Andererseits kann ein Giermoment, z. B. bei Kurvenfahrten erwünscht sein, um die Agilität des Fahrzeuges zu verbessern. In einem solchen Falle kann das Giermoment gezielt durch eine unterschiedliche Drehmomentverteilung am rechten und linken Antriebsrad erzeugt werden (so genanntes torque-vectoring).
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug der eingangs genannten Art die Antriebskomponenten, d. h. die elektrischen Maschinen und das Getriebe Raum und Gewicht sparend im Bereich der Antriebsachse anzuordnen.
Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 28. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung sind die beiden Schaltgetriebe, d. h. das Schaltgetriebe auf der rechten Seite und das Schaltgetriebe auf der linken Seite jeweils als Drei-Gang-Getriebe ausgebildet, mit denen jeweils drei Gänge, d. h. drei unterschiedliche Übersetzungen schaltbar sind. Die Übersetzungen dienen der Reduktion der Drehzahl der elektrischen Maschine auf die Drehzahl des Antriebsrades. Damit werden ein größeres Drehmoment am Antriebsrad und ein größerer Geschwindigkeitsbereich für das Fahrzeug erreicht. Beide Schaltgetriebe sind gleich, d. h. sie weisen jeweils dieselben Übersetzungen auf und sind symmetrisch zu einer Mittel- oder Symmetrieebene angeordnet. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich daher vorwiegend nur auf eine Seite, da die andere Seite gleich bzw. spiegelbildlich ausgebildet ist. Der radindividuelle Antrieb ermöglicht die Funktion des torque vectoring.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erste und das zweite Schaltgetriebe jeweils einen ersten und einen zweiten schaltbaren Planetensatz, wobei beide Planetensätze miteinander gekoppelt sind, d. h. erster und zweiter Planetensatz bilden ein Koppelgetriebe, mit dem drei Gänge respektive Übersetzungen schaltbar sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jeder Planetensatz als Umlaufgetriebe mit drei Wellen ausgebildet, nämlich einer Stegwelle, einer Hohlradwelle und einer Sonnenwelle. Alternativ werden auch die Begriffe Steg oder Planetenträger, Hohlrad oder Sonnenrad verwendet, welche kinematisch jeweils dieselbe Funktion aufweisen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Stegwelle des ersten Planetensatzes mit der Hohlradwelle des zweiten Planetensatzes gekoppelt. Durch diese Koppelung sind beide Planetensätze kinematisch miteinander verbunden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Sonnenwellen der ersten Planetensätze jeweils von einer elektrischen Maschine angetrieben, d. h. die Sonnenwellen sind jeweils fest mit den Antriebswellen der elektrischen Maschinen, im folgenden auch kurz E-Maschinen genannt, verbunden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sonnenwelle des zweiten Planetensatzes ständig festgehalten, d. h. mit dem Gehäuse verbunden. Damit ergibt sich für den zweiten Planetensatz ein eindeutiges Übersetzungsverhältnis.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen beide Schaltgetriebe, d. h. das rechte und das linke jeweils eine Schalteinrichtung, auch Schaltelement genannt, mit drei Schaltpositionen auf, wobei die erste Schaltposition für den ersten Gang, die zweite Schaltposition für den zweiten Gang und die dritte Schaltposition für den dritten Gang vorgesehen ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in der ersten Schaltposition, d. h. beim ersten Gang die Hohlradwelle des ersten Planetensatzes festgehalten, vorzugsweise durch die Schalteinrichtung mit dem Gehäuse des Getriebes verbunden. Damit ist ein festes Drehzahlverhältnis zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Koppelgetriebes festgelegt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in der zweiten Schaltposition, d. h. für den zweiten Gang die Hohlradwelle des ersten Planetensatzes mit der Stegwelle des zweiten Planetensatzes gekoppelt. Damit ist das zweite Übersetzungsverhältnis für den zweiten Gang festgelegt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in der dritten Schaltposition, d. h. für den dritten Gang die Hohlradwelle des ersten Planetensatzes mit der Hohlradwelle des zweiten Planetensatzes gekoppelt. Damit ist auch die Hohlradwelle des ersten Planetensatzes mit der Stegwelle des ersten Planetensatzes verbunden, d. h. Hohlrad- und Stegwelle sind miteinander verblockt - der erste Planetensatz befindet sich im Blockumlauf.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Schalteinrichtung als unsynchronisierte, formschlüssige Schalteinrichtung, insbesondere als Klauenschaltung ausgebildet. Der Vorteil der Klauenschaltung besteht in den günstigen Herstellkosten, allerdings tritt beim Schalten eine Zugkraftunterbrechung auf. Eine Synchronisation beim Schalten kann jedoch durch die elektrischen Maschinen erreicht werden:

Beim Schalten auf der linken Seite durch die linke E-Maschine, beim Schalten auf der rechten Seite durch die rechte E-Maschine.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Stegwelle des zweiten Planetensatzes als Abtriebswelle des Schaltgetriebes ausgebildet. Damit ergibt sich ein günstiger Wirkungsgrad für das Koppelgetriebe.
.Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Schaltgetriebe eine konstante Übersetzungsstufe nachgeschaltet, welche im radnahen Bereich angeordnet ist und auch in das Antriebsrad integriert werden kann. Durch die konstante Übersetzungsstufe wird eine weitere Reduzierung der Eingangsdrehzahl, d. h. der Drehzahl der elektrischen Maschine und eine Drehmoment- respektive Zugkrafterhöhung am Antriebsrad erreicht, was insbesondere bei Nutzfahrzeugen aufgrund erhöhter Zugkraftanforderungen von Vorteil ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die konstante Übersetzungsstufe als dritter Planetensatz ausgebildet, welcher eine Sonnenwelle, eine Stegwelle und eine gehäusefeste Hohlradwelle aufweist. Der dritte Planetensatz wird über seine Sonnenwelle von der Stegwelle des zweiten Planetensatzes angetrieben. Der Abtrieb erfolgt über die Stegwelle des dritten Planetensatzes, welche die Abtriebswelle des Antriebsstranges zwischen elektrischer Maschine und Antriebsrad bildet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den Antriebsrädern ein Achsdifferenzial mit einem Differenzialkäfig angeordnet, wobei die Stegwellen der zweiten Planetensätze, d. h. vom rechten und linken Antriebsstrang fest mit dem Differenzialkäfig verbunden sind. Im Differenzial werden beide Antriebsstränge zusammengeführt, so dass eine Verbindung zwischen rechtem und linkem Antriebsstrang hergestellt ist - somit liegt kein radindividueller Antrieb mehr vor. Ein Vorteil des Differenzials besteht darin, dass bei einem Schaltvorgang mit Zugkraftunterbrechung auf der einen Seite die elektrische Maschine der anderen Seite stützen kann, d. h. das Differenzial antreibt, welches die Leistung dann gleichmäßig an beide Antriebsräder weitergibt. Dadurch tritt keine Zugkraftunterbrechung auf.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Achsdifferenzial eine erste und eine zweite Ausgangwelle auf, welche als Achswellen für die rechte und die linke Antriebsseite ausgebildet sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Differenzial und den Antriebsrädern jeweils ein dritter Planetensatz angeordnet, welcher eine konstante Übersetzungsstufe, d. h. eine weitere Übersetzung ins Langsame bildet. Dabei sind die Achswellen mit den Sonnenwellen der dritten Planetensätze und die Stegwellen mit den Antriebsrädern verbunden. Das Hohlrad ist gehäusefest. Der dritte Planetensatz kann bevorzugt in das Antriebsrad integriert werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die elektrischen Maschinen, bezogen auf die axiale Erstreckung der Antriebsachse, im äußeren oder radnahen Bereich angeordnet, während die zweiten Planetensätze im mittleren Bereich angeordnet sind. Damit sind die zweiten Planetensätze, über welche der Abtrieb der Schaltgetriebe erfolgt, in unmittelbarer Nähe des Achsdifferenzials angeordnet. Darüber hinaus können auch die Schaltelemente im mittleren Bereich angeordnet werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Schalteinrichtungen, auch Schaltelemente genannt, von Aktuatoren betätigt, wobei beide Aktuatoren in einer Ebene, die parallel zur Mittelebene zwischen den beiden Antriebsrädern verläuft, angeordnet sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass Baurum in axialer Richtung eingespart wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Achsdifferenzial eine Sperrfunktion auf, welche vorzugsweise mittels eines weiteren Schaltelements aktiviert werden kann. Das Differenzial kann somit bei Bedarf durch Ansteuerung des Schaltelements gesperrt werden, wobei der Differenzialkäfig mit einer der Differenzialausgangs- oder Achswellen gekoppelt oder verblockt wird. Bei gesperrtem Differenzial kann ein Durchdrehen eines Antriebsrades bei unterschiedlichem Haftgrund auf beiden Seiten nicht mehr auftreten.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die konstante Übersetzungsstufe als Standgetriebe ausgebildet, welches vorzugsweise einen Achsversatz zwischen Antriebs- und Abtriebswelle aufweist. Durch den Achsversatz ergibt sich für das Fahrzeug eine erhöhte Bodenfreiheit. Diese Achskonfiguration wird auch als Portalachse bezeichnet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine erste Variante des Standgetriebes als Planetensatz mit einem Steg und Planetenrädern, einem Sonnenrad und einem Hohlrad ausgebildet, wobei der Steg festgehalten ist, so dass der Planetensatz mit einer Standübersetzung läuft. Der Antrieb erfolgt über eines der Planetenräder, so dass sich eine Leistungsteilung ergibt. Der Abtrieb erfolgt über das Hohlrad auf das Antriebsrad.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine zweite Variante des Standgetriebes als Stirnradgetriebe mit einem Antriebszahnrad, zwei Zwischenrädern und einem Abtriebszahnrad ausgebildet, wobei die Zwischenräder jeweils sowohl mit dem Antriebszahnrad als auch mit dem Abtriebszahnrad in Eingriff stehen. Auch hierbei ergibt sich über die beiden Zwischenräder eine Leistungsteilung.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die elektrischen Maschinen Rotoren auf, welche koaxial zu den Achswellen angeordnet sind. Durch die koaxiale Anordnung der Motor- und Getriebekomponenten ergibt sich eine äußerst kompakte Bauweise.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Planetensätze, das Achsdifferenzial und/oder die Schaltelemente zumindest teilweise innerhalb der Rotoren, d. h. in dem durch die Rotoren gebildeten Hohlraum angeordnet. Durch diese Bauweise wird erheblicher Bauraum in axialer Richtung eingespart, da die Planetensätze gegenüber den Rotoren axial nicht oder nur wenig versetzt sind.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Schaltgetriebe, die als Drei-Gang-Getriebe ausgelegt sind, auch als Zwei-Gang-Getriebe verwendet werden, indem die dritte Schaltstufe deaktiviert oder entfernt wird. Somit ergibt sich der Vorteil, dass das schaltbare Koppelgetriebe, bestehend aus erstem und zweitem Planetensatz, mit geringem Aufwand von einem Drei-Gang-Getriebe in ein Zwei-Gang-Getriebe umfunktioniert werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass hierbei relativ große Stufensprünge zwischen den beiden Übersetzungen im Bereich von 1,5 bis 2,0 realisierbar sind. Derartige Stufensprünge sind nur durch Überlagerung von zwei Planetensätzen darstellbar, wobei dieser Stufensprungbereich besonders vorteilhaft für den Betrieb des elektrischen Antriebes aufgrund einer sehr guten Ausnutzung des Drehzahlbandes Ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine erste Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges mit symmetrischem Getriebeaufbau und einem radindividuellen Antrieb,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine zweite Antriebsachse mit Achsdifferenzial,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine dritte Antriebsachse mit mittig angeordneten Aktuatoren,
4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine vierte Antriebsachse mit einem Achsdifferenzial mit Sperrfunktion,
5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine fünfte Antriebsachse mit Standgetrieben im radnahen Bereich (Portalachse) und
6 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine sechste Antriebsachse mit alternativen Standgetrieben (Portalachse).

1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 1 (erste Antriebsachse) eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges, im Folgenden auch kurz Elektrofahrzeug genannt, mit zwei Antriebsrädern R1, R2, welche von einer ersten elektrischen Maschine EM1, im Folgenden auch kurz E-Maschine EM1 genannt, und einer zweiten elektrischen Maschine EM2, im Folgenden auch kurz E-Maschine EM2 genannt, angetrieben werden. Die Antriebsräder R1, R2 und die E-Maschinen EM1, EM2 sind koaxial zu einer Rotationsachse a angeordnet - die Zeichnung zeigt nur die Hälfte oberhalb der Rotationsachse a, die untere Hälfte ist spiegelbildlich zur oberen ausgebildet. Ein erster Leistungsfluss zwischen der ersten E-Maschine EM1 und dem ersten Antriebsrad R1, im folgenden auch kurz Rad R1 genannt, erstreckt sich von einer Antriebswelle 1a, welche mit dem Rotor RO1 der E-Maschine EM1 verbunden ist, bis zu einer ersten Abtriebswelle 2a, welche mit dem ersten Rad R1 verbunden ist. Unabhängig vom ersten Leistungsfluss erstreckt sich ein zweiter Leistungsfluss von der zweiten Antriebswelle 1b eines zweiten Rotors RO2 der zweiten E-Maschine EM2 bis zur zweiten Abtriebswelle 2b, welche mit dem Rad R2 verbunden ist. Zwischen der Antriebswelle 1a und der Abtriebswelle 2b sind ein erstes Schaltgetriebe G1, umfassend einen ersten schaltbaren Planetensatz PS1 und einen zweiten schaltbaren Planetensatz PS2, sowie eine konstante Übersetzungsstufe PS3, welche als dritter Planetensatz PS3 ausgebildet ist, angeordnet. Gleiches gilt analog für die in der Zeichnung rechte Seite, wobei für die drei Planetensätze dieselben Bezeichnungen PS1, PS2, PS3 verwendet werden. Die Planetensätze PS1, PS2, PS3 der rechten Seite sind spiegelbildlich zu den Planetensätzen PS1, PS2, PS3 der linken Seite ausgebildet, d. h. sie weisen dieselben Übersetzungen und kinematisch denselben Aufbau auf. Der erste Planetensatz PS1 und der zweite Planetensatz PS2 sind jeweils als Umlaufgetriebe mit drei Wellen ausgebildet, nämlich Stegwellen ST1, ST2, Sonnenwellen SO1, SO2 sowie Hohlradwellen HR1, HR2. Der erste Planetensatz PS1 ist über seine Stegwelle ST1 mit der Hohlradwelle HR2 des zweiten Planetensatzes gekoppelt, somit bilden beide Planetensätze PS1, PS2 ein Koppelgetriebe. Das Koppelgetriebe weist eine Schalteinrichtung SE1 mit drei Schaltpositionen A, B, C auf, welche drei verschiedenen Koppelungsoptionen entsprechen. Die Schalteinrichtung SE1 wird über einen Aktuator AK1 angesteuert. In analoger Weise sind für die rechte Seite eine zweite Schalteinrichtung SE2 mit drei spiegelbildlich angeordneten Schaltpositionen D, E, F und ein zweiter Aktuator AK2 für die Betätigung des zweiten Schaltelements SE2 vorgesehen.
Die folgende Beschreibung bezieht sich nur auf die linke Seite, d. h. auf den Leistungsfluss von der ersten E-Maschine EM1 bis zum Rad R1. Die Beschreibung gilt analog für die rechte Seite, d. h. für den Leistungsfluss von der zweiten E-Maschine EM2 bis zum zweiten Antriebsrad R2. Der erste Planetensatz PS1 wird über die Sonnenwelle SO1 von der Antriebswelle 1a angetrieben. Zum Einlegen des ersten Ganges, dem die erste Schaltposition A entspricht, wird die Hohlradwelle HR1 des ersten Planetensatzes mit dem Gehäuse GH verbunden, d. h. festgehalten. Damit ist das erste Drehzahlverhältnis zwischen Sonnenwelle SO1 und Stegwelle ST1 definiert. Das Gehäuse GH ist jeweils durch eine Schraffur (drei Parallelstriche) dargestellt. Die Sonnenwelle SO2 des zweiten Planetensatzes PS2 ist festgehalten, d. h. ständig mit dem Gehäuse GH verbunden - insofern ist auch das Drehzahlverhältnis des zweiten Planetensatzes PS2 bestimmt. Der Abtrieb erfolgt über die Stegwelle ST2 des zweiten Planetensatzes PS2 in den dritten Planetensatz PS3, welcher als konstante Übersetzungsstufe ausgebildet ist und eine gehäusefeste Hohlradwelle HR3 sowie eine durch die Stegwelle ST2 angetriebene Sonnenwelle SO3 aufweist. Der Abtrieb erfolgt über die Stegwelle ST3 auf die Abtriebswelle 2a, welche das linke Rad R1 antreibt.
Zur Schaltung des zweiten Ganges wird die Schaltposition B durch den Aktuator AK1 angesteuert: damit wird eine Koppelung der Hohlradwelle HR1 des ersten Planetensatzes PS1 mit der Stegwelle ST2 des zweiten Planetensatzes PS2 erreicht.
Zur Schaltung des dritten Ganges wird die Schaltposition C über den Aktuator AK1 angesteuert, womit die Hohlradwelle HR1 des ersten Planetensatzes PS1 mit der Hohlradwelle HR2 des zweiten Planetensatzes als auch mit der Stegwelle ST1 des ersten Planetensatzes PS1 gekoppelt wird. Die Hohlradwelle HR1 wird somit mit der Stegwelle ST1 verblockt, so dass der erste Planetensatz PS 1 im Block umläuft.
In den Neutralpositionen, d. h. zwischen den Schaltpositionen A, B, C kann die E-Maschine EM1 abgekoppelt werden, z. B. bei einem sogenannten Segelbetrieb, bei welchem das Elektrofahrzeug frei rollt, ohne dass Verluste durch den mitdrehenden Rotor der E-Maschine EM1 entstehen.
Die Schalteinrichtungen SE1, SE2 sind vorzugsweise als unsynchronisierte Klauenschaltungen ausgebildet, bei welchen - wie erwähnt - eine Zugkraftunterbrechung auftritt. Eine Synchronisation während des Schaltvorganges kann jedoch durch die E-Maschine erfolgen. Grundsätzlich sind auch andere als formschlüssige Schaltelemente anwendbar, z. B. reibschlüssige Kupplungen oder Bremsen.
Die Rotoren RO1, RO2 der E-Maschinen EM1, EM2 sind hohlzylindrisch ausgebildet und weisen eine Rotationsachse auf, welche identisch mit den Radachsen a und den Abtriebswellen 2a, 2b ist, d. h. die Planetensätze PS1, PS2, PS3 sind koaxial zu den Rotoren RO1, RO2 angeordnet. Bei der in 1 dargestellten Antriebsachse 1 sind die elektrischen Maschinen EM1, EM2 im mittleren Bereich zwischen den beiden Antriebsrädern R1, R2, d. h. im unmittelbaren Bereich der Mittel- und Symmetrieebene M angeordnet. Die drei Planetensätze PS1, PS2, PS3 sind - auf der rechten wie auf der linken Seite - in Richtung des Kraftflusses hintereinander, d. h. von innen nach außen angeordnet.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Antriebsachse 2 (zweite Antriebsachse), wobei in 2 für gleiche oder analoge Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Die Antriebsachse 2 unterscheidet sich von der Antriebsachse 1 einerseits durch eine geänderte Anordnung der ersten und zweiten Planetensätze PS1, PS2 und der E-Maschinen EM1, EM2 und andererseits durch die Anordnung eines Differenzials DI, welches als Achs- oder Querdifferenzial ausgebildet und zwischen den beiden Antriebsrädern R1, R2 angeordnet ist. Der Leistungsfluss von den beiden elektrischen Maschinen EM1, EM2, welche hier in axialer Richtung gesehen außen angeordnet sind, erfolgt über den ersten schaltbaren Planetensatz PS1 und anschließend über den zweiten schaltbaren Planetensatz PS2 in das Differenzial DI, wo der erste Leistungsfluss von der linken Seite mit dem zweiten Leistungsfluss von der rechten Seite zusammengeführt wird. Vom Differenzial DI wird die Leistung über die Achswellen 3a, 3b und den dritten Planetensatz PS3, welcher als konstante Übersetzungsstufe ausgebildet ist, über die Abtriebswellen 2a, 2b zu den Antriebsrädern R1, R2 geführt. Die Aktuatoren AK1, AK2 und die Schaltelemente SE1, SE2 sind bei der Antriebsachse 2 im Bereich der Mittelebene M, also zwischen den beiden E-Maschinen EM1, EM2 angeordnet. Die Ausbildung der ersten und zweiten Planetensätze PS1, PS2 entspricht in kinematischer Hinsicht der Ausführung gemäß 1, d. h. es liegt das gleiche Koppelgetriebe vor.
Die Schaltelemente SE1, SE2, welche jeweils drei Schaltpositionen A, B, C und D, E, F für drei Gänge aufweisen, sind bevorzugt als unsynchronisierte Klauenschaltelemente ausgebildet, wobei beim Schalten eine Zugkraftunterbrechung auftritt. Aufgrund der Anordnung des Differenzials DI kann eine solche Zugkraftunterbrechung jedoch dadurch vermieden werden, indem die zweite (rechte) elektrische Maschine EM2 während des Schaltvorganges auf der linken Seite, z. B. bei einer Umschaltung von der Schaltposition B auf die Schaltposition A stützt, d. h. während einer Zugkraftunterbrechung auf der linken Seite führt die zweite elektrische Maschine auf der rechten Seite dem Differenzial DI Leistung zu, welche das Differenzial DI über die beiden Achswellen 3a, 3b symmetrisch an die beiden Antriebsräder R1, R2 abgibt.
Zur Schaltung des ersten Ganges, entsprechend der Schaltposition A, wird die Hohlradwelle HR1 des ersten Planetensatzes PS1 mit dem Gehäuse GH verbunden, d. h. festgehalten. Die Sonnenwelle SO2 des zweiten Planetensatzes PS2 ist gehäusefest, so dass sich im ersten und im zweiten Planetensatz PS1, PS2 feste Übersetzungsverhältnisse ergeben, welche durch Hintereinanderschaltung das Übersetzungsverhältnis i₁ des ersten Ganges ergeben.
Zur Schaltung des zweiten Ganges, entsprechend der Schaltposition B, wird die Stegwelle ST1 des ersten Planetensatzes PS1 mit der Hohlradwelle HR1 des ersten Planetensatzes PS1 gekoppelt. Die Leistung von der ersten E-Maschine EM1 fließt somit über die Antriebswelle 1a und die Sonnenwelle SO1 in den ersten Planetensatz PS1 und von diesem über dessen Hohlradwelle HR1 und dessen Stegwelle ST1 in den zweiten Planetensatz PS2, von welchem über dessen Stegwelle ST2 der Abtrieb in das Differenzial DI, d. h. dessen Differenzialkäfig (ohne Bezugszeichen). Das Koppelgetriebe läuft dann mit der Übersetzung i₂.
Zur Schaltung des dritten Ganges, entsprechend der Schaltposition C, werden die Hohlradwelle HR1 und die Stegwelle ST1 des ersten Planetensatzes PS1 miteinander gekoppelt, d.h. verblockt, so dass sich der erste Planetensatz PS1 im Blockumlauf befindet. Gleichzeitig ist die Hohlradwelle HR2 des zweiten Planetensatzes PS2 mit der Hohlradwelle HR1 und der Stegwelle ST1 verbunden. Der Abtrieb erfolgt wiederum über die Stegwelle ST2 des zweiten Planetensatzes PS2 in das Differenzial DI. Das Koppelgetriebe läuft dann mit der Übersetzung i₃.
Man sieht, dass die Koppelungen der einzelnen Getriebeglieder für den ersten, den zweiten und den dritten Gang bei den Koppelgetrieben der Antriebsachse 1 und der Antriebsachse 2 gleich sind.
Wie erwähnt, erfolgt die Schaltung der Gänge auf der rechten Seite analog, und zwar für die Schaltpositionen D, E, F. Die Schaltelemente SE1, SE2 werden mittels der Aktuatoren AK1, AK2 betätigt. Die Planetensätze PS1, PS2, PS3 sind koaxial zu den elektrischen Maschinen EM1, EM2, d. h. koaxial zur Rotations- und Radachse a angeordnet. In der Zeichnung ist wiederum nur die obere Hälfte (oberhalb der Achse a) dargestellt; die untere Hälfte entspricht der oberen und ergibt sich durch Spiegelung an der Rotationsachse a.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Antriebsachse 3 (dritte Antriebsachse), welche im Wesentlichen der Antriebsachse 2 gemäß 2 entspricht. Für gleiche Teile werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Unterschiedlich bei der Antriebsachse 3 ist die Anordnung der beiden Aktuatoren AK1, AK2, welche die Schaltvorgänge in den beiden Schaltelementen SE1, SE2 auslösen. Beide Aktuatoren AK1, AK2 sind in einer gemeinsamen Ebene, welche etwa parallel zur Mittel- und Symmetrische M verläuft, angeordnet,. Daraus ergibt sich als Vorteil eine Einsparung von Bauraum. Eine Gehäusestruktur GH, beispielsweise eine Gehäusewand GH, ist im Bereich der Mittelebene M angeordnet, d. h. in der Mitte zwischen den beiden Schalteinrichtungen SE1, SE2. In den Schaltpositionen A und D, in axialer Richtung gesehen innen liegend, kann die gemeinsame, mittig angeordnete Gehäusestruktur GH genutzt werden - ebenso für die beiden festgehalten Sonnenwellen SO2 der zweiten Planetensätze PS2. Die Verbindung (dargestellt als gestrichelte Linie) zwischen dem zweiten Aktuator AK2, welcher links von der Mittelebene M angeordnet ist, und dem Schaltelement SE2 auf der rechten Seite verläuft durch einen Durchbruch in der Gehäusestruktur GH.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Antriebsachse 4 (vierte Antriebsachse), welche im Wesentlichen der Antriebsachse 2 gemäß 2 entspricht. Unterschiedlich bei der Antriebsachse 4 ist, dass das Differenzial DI eine Sperrfunktion aufweist, welche durch ein Schaltelement SE3 zum Sperren des Differenzials und zum Entsperren (Aufhebung der Sperre) ausgeübt wird. Mittels des Schaltelements SE3 ist eine Schaltposition G einnehmbar, in welcher der Käfig des Differenzials DI mit einer Achswelle, in der Zeichnung mit der Achswelle 3b, koppelbar ist, d. h. verblockt werden kann. Bei einer Sperrung des Differenzials DI in der Schaltposition G findet kein Drehzahlausgleich mehr zwischen den beiden Antriebsrädern R1, R2 statt, vielmehr besteht eine starre Verbindung zwischen beiden Antriebsrädern R1, R2.
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung (fünfte Antriebsachse), welche bezüglich der Anordnung der elektrischen Maschinen EM1, EM2 und der schaltbaren Planetensätze PS1, PS2 der Antriebsachse 1 gemäß 1 entspricht. Unterschiedlich ist, dass der als Umlaufgetriebe ausgebildete, in 4 dargestellte dritte Planetensatz PS3, welcher eine konstante Übersetzungsstufe bildet, in 5 durch ein Standgetriebe StG1 ersetzt ist, und zwar auf beiden Seiten im Bereich der Antriebsräder R1, R2. Das Standgetriebe StG1 ist als Planetensatz ausgebildet und weist einen Steg 51, Planetenräder 52, 53, welche gegenüber dem Steg 51 gelagert sind, ein Sonnenrad 54 sowie ein Hohlrad 55 auf. Der Steg 51 ist gehäusefest angeordnet, insofern läuft der Planetensatz mit einer Standübersetzung. Der Antrieb erfolgt von der Stegwelle ST2 des zweiten Planetensatzes PS2 auf das Planetenrad 52. Der Abtrieb erfolgt über das Hohlrad 55 auf die Abtriebswelle 2a und damit auf das Antriebsrad R1. Das Standgetriebe StG1 weist zwischen seiner Antriebswelle ST2 und seiner Abtriebswelle 2a einen Achsversatz h1 auf. Diese Getriebeanordnung mit Achsversatz wird als so genannte Portalachse bezeichnet und hat gegenüber den zuvor beschriebenen Varianten den Vorteil einer größeren Bodenfreiheit für das Fahrzeug. Infolge des Antriebes über das Planetenrad 52 und aufgrund weiterer Planetenräder auf dem Umfang wird eine Teilung des Leistungsflusses vom Antrieb zum Abtrieb erreicht. Das Standgetriebe StG1 auf der rechten Seite, welches das rechte Antriebsrad R2 antreibt, ist spiegelbildlich zu dem Standgetriebe StG1 auf der linken Seite ausgebildet und weist die gleiche Übersetzung ins Langsame auf.
6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Antriebsachse 6 (sechste Antriebsachse), welche bezüglich des Aufbaus und der Anordnung der elektrischen Maschinen EM1, EM2 sowie der ersten und der zweiten Planetensätze PS1, PS2 der Antriebsachse 5 gemäß 5 entspricht. Unterschiedlich ist hier, dass für die konstante Übersetzungsstufe im radnahen Bereich ein abgewandeltes Standgetriebe StG2, welches verwendet wird.
Das Standgetriebe StG2 ist als Stirnradgetriebe ausgebildet und weist ein von der Stegwelle ST2 des zweiten Planetensatzes PS2 angetriebenes Antriebszahnrad 61, zwei Zwischenräder 62, 63 sowie ein Abtriebszahnrad 64 auf, welches über die Abtriebswelle 2a das Rad R1 antreibt. Zwischen der Antriebswelle des Standgetriebes StG2, d. h. der Stegwelle ST2 und der Abtriebswelle 2b besteht ein Achsversatz h2. Die beiden Zwischenräder 62, 63 sind aus Gründen der Darstellung in die Zeichenebene gedreht - sie stehen sowohl mit dem Antriebszahnrad 61 als auch mit dem Abtriebszahnrad 64 in Zahneingriff. Die Mittelpunkte der Zahnräder 61, 62, 63, 64 bilden die Spitzen einer gedachten Raute, was durch eine punktierte Linie z symbolisch dargestellt ist (die Mittelpunkte der Zahnräder und die daraus gebildete Raute liegen in einer Radialebene, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft). Das zweite Standgetriebe StG2 auf der rechten Seite ist spiegelbildlich aufgebaut und weist die gleiche Übersetzung auf.
Im Hinblick auf die oben beschriebenen Antriebsachsen 1 bis 6 gemäß den 1 bis 6 ergeben sich erhebliche Potenziale zur Einsparung von Bauraum, und zwar insbesondere dadurch, dass die ersten und zweiten Planetensätze und möglicherweise auch die Schaltelemente innerhalb der Rotoren RO1, RO2 der elektrischen Maschinen EM1, EM2 zumindest teilweise angeordnet werden können. Die Rotoren RO1, RO2 sind hohlzylindrisch ausgebildet und weisen, ausgehend von der Rotationsachse a, einen zylindrischen Hohlraum auf, welcher für die Unterbringung der Planetensätze genutzt werden kann. Dadurch wird insbesondere Bauraum in axialer Richtung eingespart.
Bezugszeichenliste

1: erste Antriebsachse
1a: Antriebswelle (EM1)
1b: Antriebswelle (EM2)
2: zweite Antriebsachse
2a: Abtriebswelle
2b: Abtriebswelle
3: dritte Antriebsachse
3a: Achswelle
3b: Achswelle
5: fünfte Antriebsachse
6: sechste Antriebsache
51: Steg (StG1)
52: Planetenrad
53: Planetenrad
54: Sonnenrad
55: Hohlrad
61: Antriebszahnrad (StG2)
62: erstes Zwischenrad
63: zweites Zwischenrad
64: Abtriebszahnrad
a: Rotationsachse
AK1: erster Aktuator
AK2: zweiter Aktuator
A, B, C: Schaltpositionen von SE1
D, E, F: Schaltpositionen von SE2
EM1: erste elektrische Maschine
EM2: zweite elektrische Maschine
DI: Differenzial
G: Schaltposition für Sperrfunktion
G1: erstes Schaltgetriebe
G2: zweites Schaltgetriebe
GH: Gehäuse
h1: Achsversatz (StG1)
h2: Achsversatz (StG2)
HR1: Hohlradwelle (PS1)
HR2: Hohlradwelle (PS2)
HR3: Hohlradwelle (PS3)
M: Mittelebene
R1: erstes (linkes) Antriebsrad
R2: zweites (rechtes) Antriebsrad
RO1: erster Rotor (EM1)
RO2: zweiter Rotor (EM2)
SE1: erstes Schaltelement
SE2: zweites Schaltelement
SE3: drittes Schaltelement
SO1: Sonnenwelle (PS1)
SO2: Sonnenwelle (PS2)
SO3: Sonnenwelle (PS3)
ST1: Stegwelle (PS1)
ST2: Stegwelle (PS2)
ST3: Stegwelle (PS3)
StG1: erstes Standgetriebe (erste Portalachse)
StG2: zweites Standgetriebe (zweite Portalachse)
z: Hilfslinie (StG2)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009002437 A1 [0002]

Claims

Antriebsachse eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges, umfassend - eine erste und eine zweite elektrische Maschine (EM1, EM2) mit Antriebswellen (1a, 1b), - ein erstes und ein zweites Antriebsrad (R1, R2), - ein erstes und ein zweites Schaltgetriebe (G1, G2), wobei die erste elektrische Maschine (EM1) über das erste Schaltgetriebe (G1) das erste Antriebsrad (R1) und die zweite elektrische Maschine (EM2) über das zweite Schaltgetriebe (G2) das zweite Antriebsrad (R2) antreiben, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltgetriebe jeweils als Drei-Gang-Getriebe (G1, G2) mit gleicher Übersetzung (i₁, i₂, i₃) ausgebildet sind.
Antriebsachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Schaltgetriebe (G1, G2) jeweils einen ersten schaltbaren Planetensatz (PS1) und einen zweiten schaltbaren Planetensatz (PS2) aufweisen, wobei jeweils der erste Planetensatz (PS1) und der zweite Planetensatz (PS2) miteinander gekoppelt sind.
Antriebsachse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Planetensätze (PS1) und die zweiten Planetensätze (PS2) jeweils dreigliedrig ausgebildet sind und jeweils eine Stegwelle (ST1, ST2), eine Hohlradwelle (HR1, HR2) und eine Sonnenwelle (SO1, SO2) aufweisen.
Antriebsachse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwelle (ST1) des ersten Planetensatzes (PS1) mit der Hohlradwelle (HR2) des zweiten Planetensatzes (PS2) gekoppelt ist.
Antriebsachse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswellen (1a, 1b der elektrischen Maschinen (EM1, EM2) jeweils fest mit den Sonnenwellen (SO1) der ersten Planetensätze (PS1) verbunden sind.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnenwelle (SO2) des zweiten Planetensatzes (PS2) festgehalten ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Schaltgetriebe (G1, G2) jeweils eine Schalteinrichtung (SE1, SE2) mit drei Schaltpositionen (A, B, C; D. E, F) für den ersten, den zweiten und den dritten Gang aufweisen.
Antriebsachse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Schaltposition (A) die Hohlradwelle (HR1) des ersten Planetensatzes (PS1) festgehalten wird.
Antriebsachse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Schaltposition (B) die Hohlradwelle (HR1) des ersten Planetensatzes (PS1) mit der Stegwelle (ST2) des zweiten Planetensatzes (PS2) gekoppelt ist.
Antriebsachse nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Schaltposition (C) die Hohlradwelle (HR1) des ersten Planetensatzes (PS1) mit der Hohlradwelle (HR2) des zweiten Planetensatzes (PS2) oder mit der Stegwelle (ST1) des ersten Planetensatzes (PS1) gekoppelt ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtungen (SE1, SE2) als unsynchronisierte, formschlüssige Schalteinrichtungen, insbesondere als Klauenschaltungen ausgebildet ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrieb des ersten Schaltgetriebes (G1) und des zweiten Schaltgetriebes (G2) jeweils über die Stegwelle (ST2) des zweiten Planetensatzes (PS2) erfolgt.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des ersten und des zweiten Antriebsrades (R1, R2) jeweils eine konstante Übersetzungsstufe (PS3, StG1, StG2) angeordnet ist.
Antriebsachse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die konstante Übersetzungsstufe als dritter Planetensatz (PS3) mit einer Sonnenwelle (SO3), einer Stegwelle (ST3) und einer festgehaltenen Hohlradwelle (HR3) ausgebildet ist, wobei die Stegwelle (ST2) des zweiten Planetensatzes (PS2) mit der Sonnenwelle (SO3) des dritten Planetensatzes (PS3) und die Stegwelle (ST3) des dritten Planetensatzes (PS3) mit dem Antriebsrad (R1, R2) verbunden ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Antriebsrädern (R1, R2) ein Achsdifferenzial (DI) mit einem Differenzialkäfig angeordnet ist und dass die Stegwellen (ST2) der zweiten Planetensätze (PS2) mit dem Differenzialkäfig gekoppelt sind.
Antriebsachse nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Achsdifferenzial (DI) eine erste und eine zweite Ausgangswelle (3a, 3b) aufweist, welche als Achswellen (3a, 3b) ausgebildet sind.
Antriebsachse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Antriebsrädern (R1, R2) und dem Achsdifferenzial (DI) jeweils ein dritter Planetensatz (PS3) angeordnet ist, dass die Ausgangswellen (3a, 3b) mit den Sonnenwellen (SO3) der dritten Planetensätze (PS3) und die Stegwellen (ST3) der dritten Planetensätze (PS3) mit den Antriebsrädern (R1, R2) verbunden sind.
Antriebsachse nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Planetensätze (PS2), in Richtung der Achswellen (3a, 3b) gesehen, im mittleren Bereich zwischen den Antriebsrädern (R1, R2) und die elektrischen Maschinen (EM1, EM2) außerhalb des mittleren Bereiches angeordnet sind.
Antriebsachse nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtungen (SE1, SE2) für das erste und das zweite Schaltgetriebe (G1, G2) von einem ersten Aktuator (AK1) und einem zweiten Aktuator (AK2) betätigbar und dass der erste und der zweite Aktuator (AK1, AK2) in einer gemeinsamen Ebene (E), senkrecht zu den Achswellen (3a, 3b) angeordnet ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Achsdifferenzial (DI) eine Sperrfunktion aufweist.
Antriebsachse nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzial (DI) mit Sperrfunktion durch ein Schaltelement (G) schaltbar ist, wobei der Differenzialkäfig und eine Abtriebsachse (3b) miteinander koppelbar sind.
Antriebsachse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die konstante Übersetzungsstufe als Standgetriebe (StG1, StG2) ausgebildet ist.
Antriebsachse nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Standgetriebe (StG1, StG2) eine Antriebswelle (ST2,) sowie eine Abtriebswelle (2a, 2b) aufweist und dass die Antriebswelle (ST2) und die Abtriebswelle (2a, 2b) mit einem Achsversatz (h1, h2) zueinander angeordnet sind.
Antriebsachse nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Standgetriebe (StG1) einen Steg (51) mit Planetenrädern (52, 53), ein Sonnenrad (54) und ein Hohlrad (55) aufweist, dass der Steg (51) festgehalten ist, der Antrieb über eines der Planetenräder (52, 53) und der Abtrieb über das Hohlrad (55) erfolgen.
Antriebsachse nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Standgetriebe (StG2) ein Antriebszahnrad (61), zwei Zwischenräder (62, 63) sowie ein Abtriebszahnrad (64) aufweist, wobei die Zwischenräder (62, 63) sowohl mit dem Antriebszahnrad (61) als auch mit dem Abtriebszahnrad (64) in Eingriff stehen.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (EM1, EM2) Rotoren (RO1, RO2) aufweisen, die koaxial zu den Abtriebs- oder Stegwellen (2a, 2b) oder den Achswellen (3a, 3b) angeordnet sind.
Antriebsachse mach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Planetensätze (PS1, PS2), das Achsdifferenzial (DI) und/oder die Schaltelemente (A bis F) zumindest teilweise innerhalb der und/oder koaxial zu den Rotoren (RO1, RO2) angeordnet sind.
Verwendung des ersten und des zweiten Schaltgetriebes (G1, G2) nach einem der Ansprüche 6 bis 27 als Zwei-Gang-Getriebe, indem die Schaltposition (C, F) für den dritten Gang deaktiviert oder entfernt wird.