DE102019207785A1

DE102019207785A1 - Elektrischer Antrieb für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019207785A1
Application number: DE102019207785.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Jung; Matthias WESA
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-12-03
Also published as: WO2020239550A1

Abstract

Es wird ein elektrischer Antrieb für ein Fahrzeug in einem Gehäuse (1), mit zumindest einer elektrischen Maschine mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), welcher über zumindest ein Übersetzungsgetriebe und ein Differentialgetriebe (4) mit Abtriebswellen (5, 6) zum Antrieb von Fahrzeugrädern in Wirkverbindung steht vorgeschlagen, wobei der Rotor (3) koaxial zu den Abtriebswellen (5, 6) angeordnet ist, wobei als Übersetzungsgetriebe zumindest ein erster Planetengetrieberadsatz (PS1) und ein zweiter Planetengetrieberadsatz (PS2) koaxial zu den Abtriebswellen (5, 6) vorgesehen sind und wobei zum Realisieren von zumindest zwei lastschaltbaren Gangstufen (G1, G2) zumindest zwei Schaltelemente (B1, C1) vorgesehen sind. Ferner wird ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb für ein Fahrzeug in einem Gehäuse gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Aus der Fahrzeugtechnik sind elektrische Antriebe für Fahrzeuge bekannt. An die elektrischen Antriebe werden hohe Anforderungen an das zu erzeugende Drehmoment und an die Geschwindigkeit gestellt. Diese Anforderungen können nur durch Übersetzungsgetriebe realisiert werden, die mit den elektrischen Antrieben zum Realisieren von zwei Gangstufen gekoppelt werden. Es ist bekannt, dass hierzu der elektrische Antrieb mit einem Übersetzungsgetriebe in Vorgelegebauweise gekoppelt wird.
Derartige elektrische Antriebe sind beispielsweise aus der Druckschrift EP 2 305 501 B1 und EP 2 669 548 B1 bekannt. Diese Druckschriften zeigen elektrische Antriebe in Vorgelegebauweise mit Stirnradgetriebestufen, die zwei Gangstufen realisieren. Es hat sich gezeigt, dass bei den bekannten elektrischen Antrieben in Vorgelegebauweise ein erheblicher Bauraumbedarf besteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen elektrischen Antrieb und ein Fahrzeug mit dem Antrieb der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, welche bauraumsparend die angeforderten Leistungen erbringen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 beziehungsweise 13 gelöst, wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen ergeben.
Somit wird ein elektrischer Antrieb für ein Fahrzeug in einem Gehäuse mit zumindest einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor vorgeschlagen, wobei der Rotor über zumindest ein Übersetzungsgetriebe und ein Differentialgetriebe mit Abtriebswellen zum Antrieb von Fahrzeugrädern in Wirkverbindung steht und wobei der Rotor koaxial zu den Abtriebswellen angeordnet ist. Um eine hohe Antriebsleistungen erzeugende Antriebseinheit zu realisieren, die zudem besonders bauraumsparend aufgebaut ist, ist vorgesehen, dass als Übersetzungsgetriebe zumindest ein erster Planetengetrieberadsatz und zweiter Planetengetrieberadsatz koaxial zu den Abtriebswellen vorgesehen sind, wobei zum Realisieren von zumindest zwei lastschaltbaren Gangstufen zumindest zwei Schaltelemente vorgesehen sind.
Durch die Verwendung von koaxial angeordneten Planetengetrieberadsätzen und den vorgesehenen Schaltelementen ergibt sich eine nicht nur bauraumgünstige, sondern auch hinsichtlich ihrer Übersetzung variable und leistungsstarke Antriebseinheit.
Als Schaltelemente werden vorzugsweise eine Kupplung und eine Bremse vorgesehen, die einem der Planetengetrieberadsätzen zugeordnet sind, sodass ein Planetengetrieberadsatz schaltbar ausgeführt ist. Beispielsweise in einer ersten Gangstufe wird die Bremse geschaltet, um eine erste Übersetzung zu erzeugen, indem ein Radsatzelement des schaltbaren Planetengetrieberadsatzes über die Bremse mit dem Gehäuse verbunden wird, und in zweiter Gangstufe wird die Kupplung geschaltet, um im Blockumlauf des Radsatzes eine zweite Übersetzung zu erzeugen, in dem zwei Radsatzelemente des schaltbaren Planetengetrieberadsatzes über die Kupplung miteinander verbunden werden. Vorzugsweise kann die zweite Gangstufe eine höhere Übersetzung realisieren.
Zum Verblocken zweier Radsatzelemente des Planetengetrieberadsatzes kann das als Kupplung ausgeführte Schaltelement entweder zwischen einem Hohlrad und einem Planetenradträger, zwischen dem Hohlrad und einem Sonnenrad oder zwischen dem Planetenradträger und dem Sonnenrad vorgesehen sein, um im geschalteten Zustand die Verblockung und damit den Blockumlauf des Planetengetrieberadsatzes zu realisieren.
Der erste Planetengetrieberadsatz und der zweite Planetengetrieberadsatz sind axial neben der elektrischen Maschine und dem Differentialgetriebe angeordnet, wobei die axiale Reihenfolge der beiden Planetengetrieberadsätze variabel ist. Je nachdem wie es die Bauraumsituation ermöglicht, kann der Rotor der elektrischen Maschine mit einem Eingang des ersten oder zweiten Planetengetrieberadsatzes verbunden sein, während der Ausgang mit dem axial daneben angeordneten Planetengetrieberadsatz verbunden ist, der wiederum mit seinem Ausgang mit dem Differentialgetriebe verbunden ist.
Hinsichtlich der Aktuierung kann vorgesehen sein, dass vorzugsweise die beiden vorgesehenen Schaltelemente als reibschlüssige Schaltelemente ausgeführt sind. Auf diese Weise kann eine vollständige Lastschaltfähigkeit bei dem vorgeschlagenen elektrischen Antrieb realisiert werden. Es ist jedoch möglich, dass für die Bremse ein verlustgünstigeres und kostengünstigeres sowie bauraumgünstigeres formschlüssiges Schaltelement, zum Beispiel eine Klaue oder dergleichen, verwendet wird. Bei einer Hochschaltung wird diese einfach ausgelegt und die reibschlüssige Kupplung ermöglicht eine Schaltung ohne Zugkrafteinbruch.
Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass vorzugsweise der schaltbare Planetengetrieberadsatz mit einem Stufenplaneten ausgeführt ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung kann vorsehen, dass das Differentialgetriebe radial innerhalb des Rotors der elektrischen Maschine angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich ein axial kurzbauender elektrischer Antrieb mit zwei Gangstufen. Je nach Bauraumsituation ist es auch denkbar, dass das Differentialgetriebe axial versetzt zu der elektrischen Maschine angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass ein Fahrzeug mit dem vorbeschriebenen elektrischen Antrieb beansprucht wird, sodass sich die vorbeschriebenen Vorteile und weitere Vorteile ergeben. Vorzugsweise kann mit dem elektrischen Antrieb ein Achsantrieb bei dem Fahrzeug realisiert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebes mit einer ersten Verblockungsvariante bei einem der Planetengetrieberadsätze;
2 eine schematische Schnittansicht der ersten Ausführungsvariante des elektrischen Antriebes mit einer zweiten Verblockungsvariante;
3 eine schematische Schnittansicht der ersten Ausführungsvariante des elektrischen Antriebes mit einer dritten Verblockungsvariante;
4 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsvariante des elektrischen Antriebes mit einer veränderten axialen Reihenfolge der Planetengetrieberadsätze; und
5 ein Schaltschema für den elektrischen Antrieb gemäß der 1 bis 4.

In den 1 bis 5 sind einerseits verschiedene Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebes für ein Fahrzeug in einem Gehäuse 1 sowie ein Schaltschema für die verschiedenen Ausführungsvarianten beispielhaft dargestellt.
Der elektrische Antrieb beziehungsweise der Fahrzeugantrieb umfasst in dem Gehäuse 1 zumindest eine elektrische Maschine mit einem Stator 2 und einem Rotor 3. Der Rotor 3 ist über ein Übersetzungsgetriebe und ein Differentialgetriebe 4 mit Abtriebswellen 5, 6 zum Antrieb von Fahrzeugrädern verbunden beziehungsweise steht mit diesen in Wirkverbindung. Der Rotor 3 ist koaxial zu der ersten und zweiten Abtriebswelle 5, 6 angeordnet.
Um einen bauraumgünstigen und einen eine hohe Leistung mit variabler Übersetzung realisierenden elektrischen Antrieb vorzuschlagen, ist vorgesehen, dass als Übersetzungsgetriebe zumindest ein erster Planetengetrieberadsatz PS1 und ein zweiter Planetengetrieberadsatz PS2 koaxial zu den Abtriebswellen 5, 6 vorgesehen sind, wobei zum Realisieren von zumindest zwei lastschaltbaren Gangstufen G1, G2 zumindest zwei Schaltelemente B1, C1 vorgesehen sind.
Unabhängig von den verschiedenen Ausführungen ist dem ersten Planetengetrieberadsatz PS1 ein erstes Schaltelement B1 als Bremse und ein zweites Schaltelement C1 als Kupplung zugeordnet, sodass der erste Planetengetrieberadsatz PS1 schaltbar ausgeführt ist. Hierbei ist vorgesehen, dass ein Planetenradträger PT1 des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 über das erste Schaltelement B1 als Bremse mit dem Gehäuse 1 verbindbar ist. Ferner ist vorgesehen, dass über das zweite Schaltelement C1 als Kupplung zwei Radsatzelemente des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 miteinander zum Verblocken des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 verbindbar sind.
Hierzu gibt es drei Verblockungsvarianten, die in den 1 bis 3 dargestellt sind. Im Rahmen der ersten Verblockungsvariante gemäß 1 ist vorgesehen, dass ein Hohlrad HR1 des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 über das zweite Schaltelement C1 mit einem Planetenradträger PT1 des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 verbindbar ist. Im Rahmen einer zweiten Verblockungsvariante gemäß 2 ist vorgesehen, dass das Hohlrad HR1 des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 über das zweite Schaltelement C1 mit einem Sonnenrad SR1 des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 verbindbar ist. Im Rahmen einer dritten Verblockungsvariante gemäß 3 ist bei dem ersten Planetengetrieberadsatz PS1 vorgesehen, dass der Planetenradträger PT1 des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 über das zweite Schaltelement C1 mit dem Sonnenrad SR1 des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 verbindbar ist.
Unabhängig von den Verblockungsvarianten ist bei der ersten Ausführungsvariante gemäß den 1 bis 3 vorgesehen, dass der Rotor 3 der elektrischen Maschine mit einem Sonnenrad SR2 als Eingang des zweiten Planetengetrieberadsatzes PS2 verbunden ist. Ferner ist ein Planetenradträger PT2 als Ausgang des zweiten Planetengetrieberadsatzes PS2 mit dem Sonnenrad SR1 als Eingang des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 verbunden. Ein Hohlrad HR2 des zweiten Planetengetrieberadsatzes PS2 ist mit dem Gehäuse 1 verbunden, wobei das Hohlrad HR1 als Ausgang des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 mit dem Differentialgetriebe 4 verbunden ist. Der Planetenradträger PT1 des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 ist über das erste Schaltelement bzw. die Bremse B1 mit dem Gehäuse 1 verbindbar.
In 4 ist eine zweite Ausführungsvariante dargestellt, bei der die axiale Reihenfolge der beiden Planetengetrieberadsätze PS1, PS2 vertauscht ist. Hierbei ergibt sich im Detail, dass der Rotor 3 der elektrischen Maschine mit dem Sonnenrad SR1 als Eingang des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 verbunden ist. Das Hohlrad HR1 als Ausgang des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 ist mit dem Sonnenrad SR2 als Eingang des zweiten Planetengetrieberadsatzes PS2 verbunden, während das Hohlrad HR2 des zweiten Planetengetrieberadsatzes PS2 mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Der Planetenradträger PT1 des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 ist über das erste Schaltelement bzw. die Bremse B1 mit dem Gehäuse 1 verbindbar. Der Planetenradträger PT2 ist als Ausgang des zweiten Planetengetrieberadsatzes PS2 mit dem Differentialgetriebe 4 verbunden.
Unabhängig von den jeweiligen Ausführungsvarianten ist beispielhaft das Differentialgetriebe 4 radial innerhalb des Rotors 3 der elektrischen Maschine angeordnet.
Aus dem Schaltschema gemäß 5 ergeben sich die beiden Gangstufen G1, G2. Insgesamt kann mit dem vorgeschlagenen elektrischen Antrieb eine Gesamtübersetzung von i_ges von etwa 10 bis 15 realisiert werden. Der Stufensprung bei dem Vorschaltradsatz PS1 liegt etwa bei 1,3 bis 2,0.
Aus dem Schaltschema gemäß 5 ergibt sich, dass die erste Gangstufe G1 bei geschlossenem ersten Schaltelement B1 und geöffnetem zweiten Schaltelement C1 eine Übersetzung von i = 12 realisiert wird. Zum Schalten der zweiten Gangstufe G2 ist das erste Schaltelement B1 geöffnet und das zweite Schaltelement C1 geschlossen, sodass sich eine Übersetzung von i = 4 ergibt. Bei der beispielhaften Auslegung ergibt sich eine Gesamtübersetzung i_ges = 9,0 und ein Gangsprung von i sprung = 1,5. Beispielhafte Standübersetzungen des ersten Planetengetrieberadsatzes PS1 liegen bei i_0_PS1 = -1,5 und bei dem zweiten Planetengetrieberadsatz PS2 liegt die Standübersetzung bei i_0_PS2 = -5. Diese genannten Werte sind beispielhaft.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Stator
3: Rotor
4: Differentialgetriebe
5: erste Abtriebswelle
6: zweite Abtriebswelle
B1: erstes Schaltelement bzw. Bremse
C1: zweites Schaltelement bzw. Kupplung
G1: erste Gangstufe
G2: zweite Gangstufe
PS1: erster Planetengetrieberadsatz
PS2: zweiter Planetengetrieberadsatz
HR1: Hohlrad des ersten Planetengetrieberadsatzes
HR2: Hohlrad des zweiten Planetengetrieberadsatzes
PT1: Planetenradträger des ersten Planetengetrieberadsatzes
PT2: Planetenradträger des zweiten Planetengetrieberadsatzes
SR1: Sonnenrad des ersten Planetengetrieberadsatzes
SR2: Sonnenrad des zweiten Planetengetrieberadsatzes
i: Übersetzung
i_0: Standübersetzung
i_sprung: Gangsprung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2305501 B1 [0003]
EP 2669548 B1 [0003]

Claims

Elektrischer Antrieb für ein Fahrzeug in einem Gehäuse (1), mit zumindest einer elektrischen Maschine mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), welcher über zumindest ein Übersetzungsgetriebe und ein Differentialgetriebe (4) mit Abtriebswellen (5, 6) zum Antrieb von Fahrzeugrädern in Wirkverbindung steht, wobei der Rotor (3) koaxial zu den Abtriebswellen (5, 6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Übersetzungsgetriebe zumindest ein erster Planetengetrieberadsatz (PS1) und ein zweiter Planetengetrieberadsatz (PS2) koaxial zu den Abtriebswellen (5, 6) vorgesehen sind, wobei zum Realisieren von zumindest zwei lastschaltbaren Gangstufen (G1, G2) zumindest zwei Schaltelemente (B1, C1) vorgesehen sind.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Planetengetrieberadsatz (PS1) ein erstes Schaltelement (B1) als Bremse und ein zweites Schaltelement (C1) als Kupplung zugeordnet ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenradträger (PT1) des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) über das erste Schaltelement (B1) als Bremse mit dem Gehäuse (1) verbindbar ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass über das zweite Schaltelement (C1) als Kupplung zwei Radsatzelemente des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) miteinander zum Verblocken des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) verbindbar sind.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad (HR1) des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) über das zweite Schaltelement (C1) mit einem Planetenradträger (PT1) des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) verbindbar ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad (HR1) des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) über das zweite Schaltelement (C1) mit einem Sonnenrad (SR1) des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) verbindbar ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenradträger (PT1) des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) über das zweite Schaltelement (C1) mit einem Sonnenrad (SR1) des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) verbindbar ist.
Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) der elektrischen Maschine mit einem Sonnenrad (SR2) als Eingang des zweiten Planetengetrieberadsatzes (PS2) verbunden ist, dass ein Planetenradträger (PT2) als Ausgang des zweiten Planetengetrieberadsatzes (PS2) mit einem Sonnenrad (SR1) als Eingang des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) verbunden ist, dass ein Hohlrad (HR2) des zweiten Planetengetrieberadsatzes (PS2) mit dem Gehäuse (1) verbunden ist und dass ein Hohlrad (HR1) als Ausgang des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) mit dem Differentialgetriebe (4) verbunden ist.
Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) der elektrischen Maschine mit einem Sonnenrad (SR1) als Eingang des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) verbunden ist, dass ein Hohlrad (HR1) als Ausgang des ersten Planetengetrieberadsatzes (PS1) mit einem Sonnenrad (SR2) als Eingang des zweiten Planetengetrieberadsatzes (PS2) verbunden ist, dass ein Hohlrad (HR2) des zweiten Planetengetrieberadsatzes (PS2) mit dem Gehäuse (1) verbunden ist und dass ein Planetenradträger (PT2) als Ausgang des zweiten Planetengetrieberadsatzes (PS2) mit dem Differentialgetriebe (4) verbunden ist.
Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste schaltbare Planetengetrieberadsatz (PS1) einen Stufenplaneten aufweist.
Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Differentialgetriebe (4) radial innerhalb des Rotors (3) der elektrischen Maschine angeordnet ist.
Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Planetengetrieberadsatz (PS1) und der zweite Planetengetrieberadsatz (PS2) axial neben der elektrischen Maschine angeordnet sind.
Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche.