DE102019214986A1

DE102019214986A1 - Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges und Lastschaltverfahren

Info

Publication number: DE102019214986A1
Application number: DE102019214986.3A
Authority: DE
Inventors: Johannes GLÜCKLER; Stefan Spühler; Stefan Renner; Michael Trübenbach; Kai Bornträger; Johannes Kaltenbach
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-04-01
Also published as: EP4037923A1; WO2021063789A1; CN114514388A; US20220364631A1; US11846343B2; KR20220064374A

Abstract

Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges mit einem ersten und einem zweiten Antriebsrad (R1, R2) mit Radachsen (a1, a2), einer ersten elektrischen Maschine (EM1) und einer zweiten elektrischen Maschine (EM2) mit einer gemeinsamen Rotationsachse (m), einem Schaltgetriebe (G3) mit einer Getriebeeingangswelle (EW) und einer Getriebeausgangswelle (AW) sowie einem Achsdifferenzial (DI) mit einem Differenzialeingang (DIK) und zwei Differentialausgangswellen (3a, 3b), wobei die erste elektrische Maschine (EM1) mit der Getriebeeingangswelle (EW) und die Getriebeausgangswelle (AW) mit dem Differenzialeingang (DIK) verbunden sind und wobei die zweite elektrische Maschine (EM2) bedarfsweise als zusätzlicher Antrieb zuschaltbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges, welches ein erstes und ein zweites Antriebsrad mit Radachsen, eine erste und eine zweite elektrische Maschine mit einer gemeinsamen Rotationsachse, ein Schaltgetriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle und ein Achsdifferenzial umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Durchführung von Schaltungen unter Last (Lastschaltverfahren) mittels einer Schalteinrichtung und einer Koppeleinrichtung des Schaltgetriebes.
In der älteren Anmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2019 202 994.9 ist eine Antriebseinheit für ein Elektrofahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einem Drei- oder Zweigang-Schaltgetriebe offenbart, wobei eine Schalteinrichtung mit drei oder zwei Schaltelementen zur Schaltung von drei oder zwei Gängen vorgesehen ist. Durch Weglassen eines Schaltelements ist das Dreigang-Schaltgetriebe als Zweigang-Schaltgetriebe verwendbar. Das Schaltgetriebe umfasst zwei miteinander gekoppelte Planetensätze, wobei der erste Planetensatz über seine Sonnenwelle (Getriebeeingangswelle) von der elektrischen Maschine angetrieben wird, während die Hohlradwelle des ersten Planetensatzes festgehalten ist. Der erste Planetensatz ist über seine Stegwelle mit der Hohlradwelle des zweiten Planetensatzes gekoppelt. Die Stegwelle des zweiten Planetensatzes bildet die Getriebeausgangswelle. Die drei respektive zwei Schaltelemente sind in eine Schiebemuffe integriert, welche auf der Sonnenwelle des zweiten Planetensatzes axial verschiebbar ist, wobei sich für das Dreigang-Schaltgetriebe insgesamt fünf Positionen ergeben, nämlich drei Schaltpositionen und zwei Neutralpositionen. In der älteren Anmeldung ist auch eine Antriebsachse mit Antriebsrädern offenbart, bei welcher die Antriebseinheit als Antrieb dient und ein zwischen den Antriebsrädern angeordnetes Achsdifferenzial antreibt. Die Getriebeausgangswelle der Antriebseinheit ist somit mit dem Differenzialeingang, dem Differenzialkorb, verbunden. Mit dieser Antriebsachse, welche nur eine elektrische Antriebsmaschine und nur ein Schaltgetriebe und ein Achsdifferenzial aufweist, sind Lastschaltungen nicht möglich. Aufgrund der als Klauen ausgebildeten Schaltelemente erfolgen die Schaltungen mit Zugkraftunterbrechung. Die vorgenannte ältere Anmeldung wird vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung einbezogen und wird im Folgenden kurz ältere Anmeldung genannt.
Ausgehend von der älteren Anmeldung, bezweckt die Erfindung unter Verwendung des zuvor beschriebenen Schaltgetriebes oder Radsatzes weitere Potenziale auszuschöpfen.
Erfindungsgemäß ist bei der eingangs genannten Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges mit zwei elektrischen Maschinen und einem Schaltgetriebe sowie einem Achsdifferenzial vorgesehen, dass die erste elektrische Maschine über das Schaltgetriebe in das Achsdifferenzial eintreibt und dass die zweite elektrische Maschine bedarfsweise zuschaltbar ist. Vorteilhaft hierbei ist, dass die zweite elektrische Maschine einerseits zur Verstärkung der Antriebsleistung, also zur Unterstützung der ersten elektrischen Maschine und/oder andererseits zur Zugkraftstützung während der Schaltvorgänge herangezogen werden kann. Aufgrund der Ausbildung der Schaltelemente als Klauen würde ohne die zweite elektrische Maschine eine Zugkraftunterbrechung auftreten. Wenn die zweite elektrische Maschine zugeschaltet ist, fließt während des Schaltvorganges Leistung aus der zweiten elektrischen Maschine in das Schaltgetriebe, so dass keine Zugkraftunterbrechung auftritt, d. h. Lastschaltungen möglich sind. Vorteilhaft ist ferner, dass die Antriebsachse zwar zwei elektrische Maschinen aufweist, jedoch nur ein Schaltgetriebe benötigt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schaltgetriebe als Dreigang-Schaltgetriebe mit drei Schaltelementen und zwei miteinander gekoppelten Planetensätzen, die einen Radsatz bilden, ausgebildet. Dieser Radsatz entspricht dem, der in der älteren Anmeldung offenbart ist, auf welche verwiesen wird.
Nach weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird die zweite Sonnenwelle zur Schaltung des ersten Ganges mit dem Gehäuse gekoppelt. Zur Schaltung des zweiten Ganges wird der zweite Planetensatz verblockt, wobei sich grundsätzlich drei Varianten der Kopplung von jeweils zwei der drei Wellen des zweiten Planetensatzes ergeben. Zur Schaltung des dritten Ganges werden die Sonnenwellen des ersten und des zweiten Planetensatzes miteinander gekoppelt. Die Schaltungen erfolgen jeweils über ein erstes Schaltelement (erster Gang), ein zweites Schaltelement (zweiter Gang) und ein drittes Schaltelement (dritter Gang). Auch dies entspricht der älteren Anmeldung, auf welche verwiesen wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltgetriebe als Zweigang-Schaltgetriebe ausgebildet, wobei der erste Gang durch ein erstes Schaltelement und der zweite Gang durch ein drittes Schaltelement geschaltet werden. Gegenüber dem Dreigang-Schaltgetriebe ist also bei dem Zweigang-Schaltgetriebe lediglich das zweite Schaltelement weggelassen worden. Auch das Zweigang-Schaltgetriebe entspricht dem der älteren Anmeldung, auf die verwiesen wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltelemente als unsynchronisierte Klauen ausgebildet, wie bereits in der älteren Anmeldung offenbart.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die erste elektrische Maschine abgekoppelt werden, wozu die Schalteinrichtung mindestens eine Neutralstellung aufweist. Durch die Abkoppelung ist ein freies Rollen des Elektrofahrzeuges ohne den Widerstand der mitdrehenden elektrischen Maschine möglich.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die drei Schaltelemente in eine Schiebemuffe integriert, wobei die Schiebemuffe auf einer Welle, nämlich der Sonnenwelle des zweiten Planetensatzes verschiebbar angeordnet ist. Dadurch können sämtliche Schalt- und Neutralpositionen (fünf Positionen) mit einer Schiebemuffe angewählt und mit nur einem Aktuator betätigt werden. Auch dies entspricht der Offenbarung in der älteren Anmeldung.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweiten elektrischen Maschine eine Koppeleinrichtung mit zwei Koppelpositionen und einer Neutralposition zugeordnet. Damit ist es möglich, die Leistung der zweiten elektrischen Maschine, je nach Bedarf, auf zwei unterschiedlichen Pfaden dem Schaltgetriebe zuzuführen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die zweite elektrische Maschine in einer ersten Koppelposition direkt mit der Getriebeeingangswelle verbunden. Damit werden die Leistungen oder Drehmomente der beiden elektrischen Maschinen summiert. Da beide Maschinen bei dieser Koppelung dieselbe Drehzahl aufweisen, ergibt sich bei gleichen elektrischen Maschinen die doppelte Antriebsleistung am Differenzialeingang.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die zweite elektrische Maschine in einer zweiten Koppelposition mit der Sonnenwelle des zweiten Planetensatzes gekoppelt. Damit fließt die Leistung der zweiten elektrischen Maschine auf einem anderen Pfad in das Schaltgetriebe, wobei sich ein Überlagerungsbetrieb ergibt. In dieser Koppelposition kann eine Zugkraftstützung bei Schaltungen im Schaltgetriebe erreicht werden. Wenn bei einem Schaltvorgang beim Durchfahren der Neutralstellung eine Zugkraftunterbrechung auftritt, stützt die zweite elektrische Maschine über die zweite Sonnenwelle, so dass keine Zugkraftunterbrechung an der Getriebeausgangswelle auftritt. Damit sind Lastschaltungen möglich.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Koppeleinrichtung eine Neutralposition auf, in welcher die zweite elektrische Maschine abkoppelbar ist, also nicht mitgeschleppt wird. Damit werden Schleppverluste vermieden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Schiebemuffe der Schalteinrichtung einen Durchgriff auf, welcher eine mechanische Verbindung zwischen der Sonnenwelle des zweiten Planetensatzes und der Koppeleinrichtung ermöglicht. Dadurch kann die zweite Sonnenwelle zur Koppeleinrichtung geführt werden, und die zweite elektrische Maschine kann über die Koppeleinrichtung ein Drehmoment in das Schaltgetriebe einleiten.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Radachsen koaxial oder achsparallel zur Rotationsachse der beiden elektrischen Maschinen angeordnet. Bei der koaxialen Bauweise ergibt sich eine kompakte Anordnung von den Getriebe- und Schaltelementen im achsnahen Bereich, wobei das Schaltgetriebe und auch das Differenzial sowie die Schaltelemente radial innerhalb der elektrischen Maschinen, d. h. innerhalb deren Rotoren angeordnet werden können.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwischen den Differenzialausgangswellen und den Antriebsrädern feste Übersetzungsstufen angeordnet, wodurch die Gesamtübersetzung zwischen elektrischer Maschine und Antriebsrädern weiter ins Langsame erhöht wird. Die Übersetzungsstufen können durch verschiedene Ausführungsformen dargestellt werden, wie sie bereits in der älteren Anmeldung, auf welche verwiesen wird, offenbart sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebsachse als Portalachse ausgebildet, wobei die Radachsen gegenüber den Differenzialausgangswellen respektive gegenüber der Rotationsachse der elektrischen Maschinen einen Achsversatz aufweisen. Damit wird eine größere Bodenfreiheit für das Elektrofahrzeug erzielt. Auch die Portalachse, die mit unterschiedlichen Übersetzungsstufen dargestellt werden kann, entspricht der älteren Anmeldung.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Rotationsachse der elektrischen Maschinen senkrecht zu den Radachsen, d.h. in Längsrichtung des Elektrofahrzeuges angeordnet. Dabei wird das Achsdifferenzial über einen Kegeltrieb von der Getriebeausgangswelle angetrieben. Diese Antriebsanordnung wird als Zentralantrieb bezeichnet, wobei die elektrischen Maschinen und das Schaltgetriebe außerhalb der Fahrzeugachse, die lediglich das Achsdifferenzial und Antriebsräder umfasst, angeordnet sind.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem Verfahren zur Durchführung von Schaltungen unter Last, einem sog Lastschaltverfahren, vorgesehen, dass die erste elektrische Maschine als Haupt-Antriebsmaschine betrieben wird und die zweite elektrische Maschine zur Zugkraftstützung während der Schaltvorgänge herangezogen werden kann. Damit wird der Vorteil einer Lastschaltung, d. h. einer Schaltung ohne Zugkraftunterbrechung erreicht.
Nach einer bevorzugten Verfahrensvariante wird zur Vorbereitung einer Schaltung im Schaltgetriebe die zweite Sonnenwelle mit der zweiten elektrischen Maschine gekoppelt. Dadurch fließt zusätzliche Leistung in das Schaltgetriebe, und die zweite elektrische Maschine stützt während des Schaltvorganges, insbesondere beim Durchfahren der Neutralstellung. Somit tritt keine Zugkraftunterbrechung auf.
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 eine erfindungsgemäße Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges mit zwei elektrischen Maschinen und einem Dreigang-Schaltgetriebe,
2 die Antriebsachse gemäß 1 mit einer Schaltungsvariante,
3 die Antriebsachse gemäß 1, jedoch als Portalachse in einer ersten Ausführungsform,
4 die Antriebsachse gemäß 1, jedoch als Portalachse in einer zweiten Ausführungsform,
5 eine Antriebsachse mit einem Zweigang-Schaltgetriebe und
6 eine Antriebsanordnung eines Elektrofahrzeuges mit Zentralantrieb.

1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 1, welche zwei Antriebsräder R1, R2 mit Radachsen a1, a2, eine erste elektrische Maschine EM1 mit einem ersten Rotor RO1, eine zweite elektrische Maschine EM2 mit einem zweiten Rotor RO2 sowie ein Dreigang-Schaltgetriebe G3 umfasst. Dem Schaltgetriebe G3 ist eine Schalteinrichtung SE3 mit einem ersten Schaltelement A, einem zweiten Schaltelement B und einem dritten Schaltelement C zugeordnet. Zwischen den beiden Antriebsrädern R1, R2 ist ein Differenzial DI mit einem als Differenzialkorb DIK ausgebildeten Differenzialeingang und zwei Differenzialausgangswellen 3a, 3b angeordnet.
Das Dreigang-Schaltgetriebe G3, im Folgenden kurz Schaltgetriebe G3 genannt, umfasst zwei miteinander gekoppelte Planetensätze, einen ersten Planetensatz PS1 mit einer ersten Sonnenwelle SO1, einer ersten Stegwelle ST1 und einer ersten gehäusefesten Hohlradwelle HR1 sowie einen zweiten Planetensatz PS2 mit einer zweiten Sonnenwelle SO2, einer zweiten Stegwelle ST2 und einer zweiten Hohlradwelle HR2, welche mit der ersten Stegwelle ST1 fest verbunden ist und eine Koppelwelle zwischen den beiden Planetensätzen PS1, PS2 bildet. Die erste Sonnenwelle SO1 ist fest mit dem ersten Rotor RO1 verbunden und bildet somit die Getriebeeingangswelle EW des Schaltgetriebes G3. Die zweite Stegwelle ST2 bildet die Getriebeausgangswelle AW, welche in das Differenzial DI eintreibt, d. h. mit dem Differenzialkorb DIK fest verbunden ist. Die beiden Planetensätze PS1, PS2 bilden einen Radsatz, welcher dem in der älteren Anmeldung offenbarten Radsatz entspricht. Zwischen dem Differenzial DI und den Antriebsrädern R1, R21 sind jeweils feste Übersetzungsstufen angeordnet, hier ausgebildet als rechts angeordneter dritter Planetensatz PS3a und links angeordneter dritter Planetensatz PS3b, welche spiegelbildlich aufgebaut sind. Das Differenzial DI weist zwei Differenzialausgangswellen 3a, 3b auf, welche die Sonnenwellen SO3 der Planetensätze PS3a, PS3b antreiben. Die Hohlradwellen HR3 sind jeweils festgehalten; der Abtrieb erfolgt jeweils über die Stegwelle ST3, welche als Abtriebswellen 2a, 2b die Antriebsräder R1, R2 antreiben.
Mit der Schalteinrichtung SE3 sind drei Gänge schaltbar: Zum Einlegen des ersten Ganges wird die zweite Sonnenwelle SO2 mittels des ersten Schaltelements A mit dem Gehäuse, dargestellt durch eine Schraffur, gekoppelt, d. h. festgesetzt. Damit laufen beide Planetensatze PS1, PS2 jeweils mit festen Übersetzungen, welche, miteinander multipliziert, die Übersetzung des ersten Ganges ergeben.
Das zweite Schaltelement B, durch welches der zweite Gang geschaltet wird, verblockt den zweiten Planetensatz PS2, wobei grundsätzlich zwei der drei Wellen SO2, HR2, ST2 miteinander gekoppelt werden können. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Sonnenwelle SO2 mit der zweiten Hohlradwelle HR2 gekoppelt. Durch die Verblockung läuft der zweite Planetensatz PS2 als Block um, d. h. mit einer Übersetzung von 1 : 1, so dass sich die Übersetzung des zweiten Ganges aus der festen Übersetzung des ersten Planetensatzes PS1 ergibt.
Das dritte Schaltelement C, durch welches der dritte Gang eingelegt wird, verbindet die zweite Sonnenwelle SO2 mit der ersten Sonnenwelle SO1. Damit ergibt sich eine zweifache Koppelung des ersten und des zweiten Planetensatzes PS1, PS2, wodurch sich ein Überlagerungsbetrieb des ersten und des zweiten Planetensatzes PS1, PS2 mit geringerer Übersetzung für den dritten Gang ergibt.
Die Schaltelemente A, B, C sind vorzugsweise als unsynchronisierte Klauen ausgebildet, wobei grundsätzlich auch reibschlüssige, synchronisierte Schaltelemente für die beschriebenen Schaltfunktionen verwendbar sind. Das Schaltgetriebe G3 weist zwischen den drei Schaltstellungen, in welchen entweder das Schaltelement A oder das Schaltelement B oder das Schaltelement C geschlossen ist, zwei Neutralstellungen auf, in welchen die erste elektrische Maschine EM1 vom Schaltgetriebe G3 abgekoppelt werden kann. Dies ermöglicht einen so genannten Segelbetrieb, d. h. ein freies Rollen des Elektrofahrzeuges ohne Verluste der mitdrehenden ersten elektrischen Maschine EM1. Wie auch aus der Zeichnung ersichtlich ist, weist der Rotor RO1 der ersten elektrischen Maschine EM1 einen zylindrischen Hohlraum auf, in welchem die beiden Planetensätze PS1, PS2 und teilweise auch das Differenzial DI raumsparend angeordnet werden können; insbesondere wird dabei Bauraum in axialer Richtung eingespart.
Wie oben ausgeführt, ist die zweite Sonnenwelle SO2 des zweiten Planetensatzes PS2 bei allen Schaltstellungen beteiligt - daher können alle Schaltelemente, also das erste, das zweite und das dritte Schaltelement A, B, C in eine einzige Schiebemuffe SM, welche in allen Schaltstellungen drehfest mit der zweiten Sonnenwelle SO2 verbunden ist, integriert werden. Die Schiebemuffe SM wird durch einen einzigen Aktuator AK1 betätigt. Da die Gänge eins bis drei durch Verschieben der Schiebemuffe SM in eine Richtung, jeweils über Neutralstellungen, nacheinander geschaltet werden können, ergibt sich die Möglichkeit der Synchronisation der Schaltelemente.
Die zweite elektrische Maschine EM2 kann durch eine Koppeleinrichtung KE zugeschaltet oder abgekoppelt werden. Die Koppeleinrichtung KE weist ein erstes Koppelelement D und ein zweites Koppelelement E auf. Über das zweite Koppelelement E wird die zweite elektrische Maschine EM2 über ihren Rotor RO2 mit der Getriebeeingangswelle EW des Schaltgetriebes G3 verbunden. Durch diese Koppelung beider Rotoren RO1, RO2 laufen beide elektrischen Maschinen EM1, EM 2 mit derselben Drehzahl. Die zweite elektrische Maschine EM2 erhöht damit die Antriebsleistung, welche - bei gleichen elektrischen Maschinen EM1, EM2 - verdoppelt werden kann.
Durch das erste Koppelelement D wird die zweite elektrische Maschine EM2 mit der zweiten Sonnenwelle SO2 verbunden, wobei diese Koppelverbindung durch einen Durchgriff DU in der Schiebemuffe SM der Schalteinrichtung SE3 ermöglicht wird. Das erste Koppelelement D kann somit durch die Schiebemuffe SM hindurch auf die Sonnenwelle SO2 des zweiten Planetensatzes PS2 durchgreifen. Damit fließt die Leistung der zweiten elektrischen Maschine EM2 auf einem anderen Pfad in das Schaltgetriebe G3, die Leistungsflüsse beider elektrischen Maschinen EM1, EM2 überlagern sich.
Mit der ersten Koppelposition D der Koppeleinrichtung KE wird erfindungsgemäß eine Zugkraftstützung beim Schalten erreicht, wodurch Lastschaltungen mit dem Schaltgetriebe G3 ermöglicht werden. Wird beispielsweise bei einer Schaltung, d. h. dem Einlegen eines neuen Ganges der Leistungsfluss von der ersten elektrischen Maschine EM1 unterbrochen, so liegt an der Sonnenwelle SO2 des zweiten Planetensatzes PS2 ein von der zweiten elektrischen Maschine EM2 eingespeistes Drehmoment an, welches eine Aufrechterhaltung der Zugkraft in der Abtriebswelle AW respektive der zweiten Stegwelle ST2 bewirkt. Das Schalten ohne Zugkraftunterbrechung wird auch als Lastschaltverfahren bezeichnet, welches im Folgenden genauer beschrieben wird.
Das erfindungsgemäße Lastschaltverfahren geht davon aus, dass die erste elektrische Maschine EM1 als Haupt-Antriebsmaschine wirkt, da sie über die Getriebeeingangswelle EW fest mit Schaltgetriebe G3 verbunden ist. Zur Stützung der Schaltungen wird die zweite elektrische Maschine EM2 vorbereitend mit der zweiten Sonnenwelle SO2 verbunden.
Im Folgenden wird der Schaltvorgang vom ersten in den zweiten Gang beschrieben, wobei zunächst das erste Schaltelement A der Schalteinrichtung SE3 geöffnet und anschließend das zweite Schaltelement B geschlossen wird. Ausgehend von dem Fall, dass die zweite elektrische Maschine EM2 zuvor mit der Getriebeeingangswelle EW verbunden war, d. h. beide elektrischen Maschinen EM1, EM2 gemeinsam antreiben, wird zuerst die Last an der zweiten elektrischen Maschine EM2 abgebaut, d. h. das zweite Koppelelement E der Koppeleinrichtung KE wird geöffnet und das erste Koppelelement D wird mit der zweiten elektrischen Maschine EM2 synchronisiert, d. h. hier auf die Drehzahl Null abgebremst. Dann wird das erste Koppelelement D geschlossen. Die zweite elektrische Maschine EM2 ist dann mit der zweiten Sonnenwelle SO2 verbunden. Nachfolgend wird durch die zweite elektrische Maschine EM2 ein Drehmoment aufgebaut, so dass das erste Schaltelement A, welches als Bremse wirkt, entlastet wird. Falls die zweite elektrische Maschine EM2 nicht genügend Drehmoment aufbringen kann, wird das Drehmoment der ersten elektrischen Maschine EM1 entsprechend reduziert. Dann wird das erste Schaltelement A geöffnet. Die Drehmomente der ersten und der zweiten elektrischen Maschine EM1, EM2 werden so gesteuert bzw. geregelt, dass sich die Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine EM2 erhöht und die Drehzahl der ersten elektrischen Maschine EM1 absinkt. Dazu wird vorzugsweise das Drehmoment der zweiten elektrischen Maschine EM2 - sofern möglich - etwas erhöht und gleichzeitig das Drehmoment der ersten elektrischen Maschine EM1 etwas abgesenkt. Die Soll-Drehzahl der zweiten Sonnenwelle SO2, welche der Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine EM2 entspricht, ist die Drehzahl der zweiten Hohlradwelle HR2, so dass das zweite Schaltelement B synchron wird. Sobald das zweite Schaltelement B synchron ist, kann es geschlossen werden. Die Drehmomente der ersten und der zweiten elektrischen Maschine EM1, EM2 können jetzt beliebig aufgeteilt werden, da ein fester Gang, nämlich der zweite eingelegt ist. Bei Bedarf kann die zweite elektrische Maschine EM2 von der zweiten Sonnenwelle SO2 abgekoppelt werden. Wenn die volle Antriebsleistung gewünscht wird, kann die zweite elektrische Maschine EM2 auch mit der Getriebeeingangswelle EW respektive der ersten Sonnenwelle SO1 verbunden werden.
Die Schalteinrichtung SE3 respektive deren Schiebemuffe SM wird durch einen ersten Aktuator AK1 betätigt, während die Koppeleinrichtung KE durch einen zweiten Aktuator AK2 betätigt wird. Die gemeinsame Rotationsachse m der beiden elektrischen Maschinen EM1, EM2 fällt mit den beiden Radachsen a1, a2, zusammen. Die Planetensätze PS1, PS2, PS3a, PS3b, von denen jeweils nur die obere Hälfte dargestellt ist, sind rotationssymmetrisch zur Rotationsachse m angeordnet.
Das Lastschaltverfahren beim Schalten vom zweiten in den dritten Gang, wobei das zweite Schaltelement B geöffnet und das dritte Schaltelement C geschlossen wird, verläuft analog zu dem Schaltvorgang vom ersten in den zweiten Gang, wie oben beschrieben Die Rückschaltungen erfolgen analog, nur in umgekehrter Richtung der Drehzahlen bei der ersten und der zweiten elektrischen Maschine.
2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 2, welche im Wesentlichen, insbesondere funktionell der Antriebsachse 1 gemäß 1 entspricht; für gleiche Teile werden gleiche Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Unterschiedlich gegenüber 1 ist die Koppelung der Wellen des zweiten Planetensatzes in der Schaltposition B. 2 zeigt eine Verblockungsvariante, bei welcher die Sonnenwelle SO2 und die Stegwelle ST2, welche gleichzeitig die Getriebeausgangswelle AW des Schaltgetriebes G3 ist, miteinander verblockt sind. Der zweite Planetensatz PS2 läuft somit als Block um, d. h. es ergibt sich eine Übersetzung von 1:1. Insofern entspricht diese Verblockungsvariante funktionell der Verblockung, wie sie in 1 dargestellt ist. Grundsätzlich gibt es für den zweiten Planetensatz PS2 noch eine weitere Verblockungsvariante, bei welcher die Stegwelle ST2 mit der Hohlradwelle HR2 verbunden ist. Diese Verblockungsvariante, bei welcher die Sonnenwelle SO2 nicht beteiligt ist, wird hier weniger bevorzugt, da dies mit einer einzigen Schiebemuffe SM, die mit der Sonnenwelle SO2 verbunden ist, nicht darstellbar ist.
3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 3, welche im Wesentlichen der Antriebsachse 1 gemäß 1 entspricht, jedoch mit dem Unterschied, dass die Antriebsachse 3 als Portalachse ausgebildet ist, d. h. die Radachsen a1, a2 weisen gegenüber der Rotationsachse m einen Achsversatz u auf. Dadurch wird eine größere Bodenfreiheit erreicht. Der Achsversatz u wird durch zwei spiegelbildlich ausgebildete, im Bereich der Antriebsräder R1, R2 angeordnete Übersetzungsstufen PS4a, PS4b erreicht, die als Planetensätze ausgebildet sind, bei welchen jeweils der Steg festgehalten ist. Der Antrieb erfolgt von den Differenzialausgangswellen 3a, 3b über ein Planetenrad, während der Abtrieb über die Sonnenwelle auf die Abtriebswellen 2a, 2b, koaxial zu den Radachsen a1, a2, erfolgt. Die Planetensätze PS4a, PS4b entsprechen den Planetensätzen 30 gemäß 3 der älteren Anmeldung und der zugehörigen Beschreibung auf Seite 11, übergreifend Seite 12, erster Absatz, auf welche hiermit ergänzend verwiesen wird.
4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 4, welche wiederum als Portalachse ausgebildet ist, allerdings mit abgewandelten, radnahen Konstantübersetzungsstufen, welche hier als Stirnrad-Standgetriebe STa, STb ausgebildet sind und einen Achsversatz v zwischen den Differenzialausgangswellen 3a, 3b und den Abtriebswellen 2a, 2b aufweisen. Das Standgetriebe STa umfasst ein auf der Antriebswelle 3a drehfest angeordnetes Antriebszahnrad Z1, ein auf der Abtriebswelle 2a angeordnetes Abtriebszahnrad Z2 sowie zwei Zwischenräder Z3, Z4, welche jeweils mit dem Antriebszahnrad Z1 und dem Abtriebszahnrad Z2 in Eingriff stehen. Ein Räderschema für die Anordnung der Zahnräder Z1, Z2, Z3, Z4 in einer Radialebene ist in der Zeichnung oben rechts dargestellt. Durch die Zwischenräder Z3, Z4 wird einerseits eine Leistungsteilung und andererseits ein relativ großer Achsversatz v, welcher größer als der Achsversatz u des vierten Planetensatzes PS4a, PS4b in 3 ist, erreicht.
5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsachse 5, bei welcher das Schaltgetriebe als Zweigang-Schaltgetriebe G2 ausgeführt ist und eine Schalteinrichtung SE2 mit lediglich zwei Schaltelementen, dem ersten Schaltelement A und dem dritten Schaltelement C, aufweist. Gegenüber dem Dreigang-Schaltgetriebe G3 gemäß 1 ist also beim Zweigang-Schaltgetriebe G2 das zweite Schaltelement B weggelassen. Über die beiden Schaltelemente A, C werden der erste und der zweite Gang geschaltet. Bei geschlossenem Schaltelement A wird die zweite Sonnenwelle SO2 mit dem Gehäuse verbunden, so dass beide Planetensätze PS1, PS2 mit einer festen Übersetzung laufen. Die hintereinander geschalteten festen Übersetzungen ergeben die Übersetzung des ersten Ganges. Der zweite Gang wird durch Schließen des Schaltelements C gebildet, wodurch beide Sonnenwellen SO1, SO2 miteinander gekoppelt werden - dadurch ergibt sich ein Überlagerungsbetrieb der beiden Planetensätze PS1, PS2, woraus die Übersetzung für den zweiten Gang resultiert. Der Gangsprung bzw. die Getriebespreizung zwischen dem ersten und dem zweiten Gang beim Zweigang-Getriebe ist somit derselbe wie zwischen dem ersten und dritten Gang beim Dreigang-Getriebe G3 (1). Das Zweigang-Getriebe G2 weist einen kürzeren Schaltweg für die Schiebemuffe SM auf, da es nur drei Schaltstellungen, nämlich „A“, Neutral und „C“ gibt. Die Getriebeausgangswelle AW des Zweigang-Schaltgetriebes G2, die zweite Stegwelle ST2, ist direkt mit dem Differenzialkorb DIK des Differenzials DI verbunden Die hier dargestellte Variante für ein Zweigang-Schaltgetriebe G2 ist grundsätzlich für alle bisherigen Ausführungsbeispiele mit dem Dreigang-Schaltgetriebe G3 kompatibel, d. h. das Dreigang-Getriebe G3 kann bedarfsweise durch das Zweigang-Getriebe G2 ersetzt werden, indem das zweite Schaltelement B weggelassen wird.
6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebsanordnung 6, welche als so genannter Zentralantrieb ausgeführt ist. Abweichend gegenüber den vorherigen Ausführungsbeispielen ist, dass die elektrischen Maschinen EM1, EM2 und das Schaltgetriebe G3 nicht im Bereich der Radachsen a3, a4 angeordnet sind, sondern an „zentraler“ Stelle im Elektrofahrzeug. Die erste elektrische Maschine EM1 mit Schaltgetriebe G3 und Schalteinrichtung SE3 sowie die zweite elektrische Maschine EM2 mit Koppeleinrichtung KE bilden eine Antriebseinheit mit einer Rotations- und Symmetrieachse m, welche senkrecht zu den Radachsen a3, a4 der Antriebsräder R3, R4 angeordnet ist. Zwischen den Antriebsrädern R3, R4 ist ein Differenzial DI mit Differenzialausgangswellen 6a, 6b, welche die Antriebsräder R3, R4 antreiben, angeordnet. Das Differenzial DI wird über einen Kegeltrieb KT durch die Getriebeausgangswelle AW des Schaltgetriebes G3 angetrieben. Dabei kämmt ein Kegelradritzel KT1, welches auf der Getriebeausgangswelle AW befestigt ist, mit einem Tellerrad KT2, welches mit dem Differenzialkorb des Differenzials DI fest verbunden ist.
Das in 6 dargestellte Dreigang-Schaltgetriebe G3 kann durch das in 5 dargestellte Zweigang-Schaltgetriebe G2 ersetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsachse
2: Antriebsachse
2a: Abtriebswelle, rechts
2b: Abtriebswelle, links
3: Antriebsachse
3a: Differenzialausgangswelle, rechts
3b: Differenzialausgangswelle, links
4: Antriebsachse
5: Antriebsachse
6: Antriebsanordnung
6a: Differenzialausgangswelle
6b: Differenzialausgangswelle
A: erstes Schaltelement
AK1: Aktuator
AK2: Aktuator
AW: Getriebeausgangswelle
a1: Radachse, links
a2: Radachse, rechts
a3: Radachse
a4: Radachse
B: zweites Schaltelement
C: drittes Schaltelement
D: erstes Koppelelement
DI: Achsdifferenzial
DIK: Differenzialkorb
DU: Durchgriff
E: zweites Koppelelement
EM1: erste elektrische Maschine
EM2: zweite elektrische Maschine
EW: Getriebeeingangswelle
G2: Zweigang-Schaltgetriebe
G3: Dreigang-Schaltgetriebe
HR1: erste Hohlradwelle
HR2: zweite Hohlradwelle
HR3: dritte Hohlradwelle
KE: Koppeleinrichtung
KT: Kegeltrieb
KT1: Ritzel
KT2: Tellerrad
m: Rotationsachse (EM1, EM2)
PS1: erster Planetensatz
PS2: zweiter Planetensatz
PS3a: dritter Planetensatz, rechts
PS3b: dritter Planetensatz, links
PS4a: vierter Planetensatz, rechts
PS4b: vierter Planetensatz, links
R1: Antriebrad, links
R2: Antriebsrad, rechts
R3: Antriebsrad
R4: Antriebsrad
RO1: Rotor (EM1)
RO2: Rotor (EM2)
SE2: Schalteinrichtung (G2)
SE3: Schalteinrichtung (G3)
SM: Schiebemuffe
SO1: erste Sonnenwelle (PS1)
SO2: zweite Sonnenwelle (PS2)
SO3: dritte Sonnenwelle (PS3)
ST1: erste Stegwelle (PS1)
ST2: zweite Stegwelle (PS2)
ST3: dritte Stegwelle (PS3)
STa: Stirnrad-Standgetriebe, links
STb: Stirnrad-Standgetriebe, rechts
u: Achsversatz
v: Achsversatz
Z1: Antriebszahnrad
Z2: Abtriebszahnrad
Z3: Zwischenrad
Z4: Zwischenrad

Claims

Antriebsachse eines Elektrofahrzeuges mit - einem ersten und einem zweiten Antriebsrad (R1, R2) mit Radachsen (a1, a2), - einer ersten elektrischen Maschine (EM1) und einer zweiten elektrischen Maschine (EM2) mit einer gemeinsamen Rotationsachse (m), - einem Schaltgetriebe (G3, G2) mit einer Getriebeeingangswelle (EW) und einer Getriebeausgangswelle (AW) sowie - einem Achsdifferenzial (DI) mit einem Differenzialeingang (DIK) und zwei Differentialausgangswellen (3a, 3b), - wobei die erste elektrische Maschine (EM1) mit der Getriebeeingangswelle (EW) und die Getriebeausgangswelle (AW) mit dem Differenzialeingang (DIK) verbunden sind und - wobei die zweite elektrische Maschine (EM2) bedarfsweise als zusätzlicher Antrieb zuschaltbar ist.
Antriebsachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe als Dreigang-Schaltgetriebe (G3) mit einem ersten Schaltelement (A), einem zweiten Schaltelement (B), einem dritten Schaltelement (C) und zwei miteinander gekoppelten Planetensätzen (PS1, PS2) ausgebildet ist, wobei der erste Planetensatz (PS1) eine erste Sonnenwelle (SO1), eine erste Hohlradwelle (HR1) und eine erste Stegwelle (ST1) und der zweite Planetensatz (PS2) eine zweite Sonnenwelle (SO2), eine zweite Hohlradwelle (HR2) und eine zweite Stegwelle (ST2) aufweisen, wobei die erste Stegwelle (ST1) fest mit der zweiten Hohlradwelle (HR2) verbunden ist, wobei die erste Sonnenwelle (SO1) die Getriebeeingangswelle (EW) bildet, wobei die erste Hohlradwelle (HR1) festgehalten ist, wobei die zweite Stegwelle (ST2) die Getriebeausgangswelle (AW) bildet und wobei zur Schaltung des ersten Ganges das erste Schaltelement (A), zur Schaltung des zweiten Ganges das zweite Schaltelement (B) und zur Schaltung des dritten Ganges das dritte Schaltelement (C) betätigbar sind.
Antriebsachse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das erste Schaltelement (A) die zweite Sonnenwelle (SO2) mit dem Gehäuse koppelbar ist.
Antriebsachse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das zweite Schaltelement (B) der zweite Planetensatz (PS2) verblockt wird, indem jeweils zwei der drei Wellen (SO2, HR2, ST2) miteinander verbunden werden.
Antriebsachse nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch das dritte Schaltelement (C) die zweite Sonnenwelle (SO2) mit der ersten Sonnenwelle (SO1) koppelbar ist.
Antriebachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe als Zweigang-Schaltgetriebe (G2) mit einem ersten Schaltelement (A), einem dritten Schaltelement (C) und zwei miteinander gekoppelten Planetensätzen (PS1, PS2), wobei der erste Planetensatz (PS1) eine erste Sonnenwelle (SO1), eine erste Hohlradwelle (HR1) und eine erste Stegwelle (ST1) und der zweite Planetensatz (PS2) eine zweite Sonnenwelle (SO2), eine zweite Hohlradwelle (HR2) und eine zweite Stegwelle (ST2) aufweisen, wobei die erste Stegwelle (ST1) fest mit der zweiten Hohlradwelle (HR2) verbunden ist, wobei die erste Sonnenwelle (SO1) die Getriebeeingangswelle (EW) bildet, wobei die erste Hohlradwelle (HR1) festgehalten ist, wobei die zweite Stegwelle (ST2) die Getriebeausgangswelle (AW) bildet und wobei zur Schaltung des ersten Ganges das erste Schaltelement (A) und zur Schaltung des zweiten Ganges das dritte Schaltelement (C) betätigbar sind.
Antriebsachse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch das erste Schaltelement (A) die zweite Sonnenwelle (SO2) mit dem Gehäuse koppelbar ist.
Antriebsachse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch das dritte Schaltelement (C) die zweite Sonnenwelle (SO2) mit der ersten Sonnenwelle (SO1) koppelbar ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (A, B, C) als unsynchronisierte Klauen ausgebildet sind.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe (G3, G2) Neutralstellungen aufweist, in welchen die erste elektrische Maschine (EM1) abkoppelbar ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (A, B, C) in eine Schiebemuffe (SM) integriert sind und dass die Schiebemuffe (SM) auf der zweiten Sonnenwelle (SO2) verschiebbar angeordnet ist.
Antriebsachse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebemuffe (SM) durch einen Aktuator (Ak1) betätigbar ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (EM2) über eine Koppeleinrichtung (KE), welche zwei Koppelpositionen (D, E) aufweist, zuschaltbar ist.
Antriebsachse nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Koppelposition (E) die zweite elektrische Maschine (EM2) mit der Getriebeeingangswelle (EW) koppelbar ist.
Antriebsachse nach Anspruch 13 oder 14 , dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Koppelposition (D) die zweite elektrische Maschine (EM2) mit der zweiten Sonnenwelle (SO2) koppelbar ist.
Antriebsachse nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (KE) eine Neutralstellung aufweist, in welcher die zweite elektrische Maschine (EM2) abkoppelbar ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebemuffe (SM) einen Durchgriff (DU) aufweist, durch welchen eine Verbindung zu der Koppeleinrichtung (KE) herstellbar ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Radachsen (a1, a2) der Antriebsräder (R1, R2) koaxial oder achsparallel zu der Rotationsachse (m) der elektrischen Maschinen (EM1, EM2) angeordnet sind.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Differenzialausgangswellen (3a, 3b) und den Antriebsrädern (R1, R2) feste Übersetzungsstufen (PS3a, PS3b, PS4a, PS4b, STa, STb) angeordnet sind.
Antriebsachse nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Übersetzungsstufe als dritter Planetensatz (PS3a, PS3b) mit fest gehaltener Hohlradwelle (HR3) ausgebildet ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsachse (3, 4) als Portalachse ausgebildet ist, wobei die Differenzialausgangswellen (3a, 3b) gegenüber den Radachsen (a1, a2) jeweils einen Achsversatz (u, v) aufweisen.
Antriebsachse nach Anspruch 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Übersetzungsstufe als vierter Planetensatz (PS4a, PS4b) mit fest gehaltenem Steg ausgebildet ist.
Antriebsachse nach Anspruch 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Übersetzungsstufe als Stirnrad-Standgetriebe (STa, STb) mit einem Antriebszahnrad (Z1), einem Abtriebszahnrad (Z2) und zwei Zwischenrädern (Z3, Z4) ausgebildet ist.
Antriebsanordnung eines Elektrofahrzeuges mit - einem ersten und einem zweiten Antriebsrad (R3, R4) und Radachsen (a3, a4), - einer ersten elektrischen Maschine (EM1) und einer zweiten elektrischen Maschine (EM2) mit einer gemeinsamen Rotationsachse (m), - einem Schaltgetriebe (G3, G2) mit einer Getriebeeingangswelle (EW) und einer Getriebeausgangswelle (AW) sowie - einem Achsdifferenzial (DI) mit zwei Differentialausgangswellen (6a, 6b), - wobei die erste elektrische Maschine (EM1) mit der Getriebeeingangswelle (EW) und die Getriebeausgangswelle (AW) mit dem Differenzial (DI) verbunden sind und - wobei die zweite elektrische Maschine (EM2) bedarfsweise als zusätzlicher Antrieb zuschaltbar ist, - wobei die Radachsen (a3, a4) senkrecht zu der Rotationsachse (m) der elektrischen Maschinen (EM1, EM2) angeordnet sind und wobei das Differenzial (DI) über einen Kegeltrieb (KT) von der Getriebeausgangswelle(AW) antreibbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe (G3, G2) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgebildet ist.
Verfahren zur Durchführung von Schaltungen unter Last mittels der Schaltelemente (A, B, C) der Schalteinrichtung (SE3, SE2) und der Koppelelemente (D, E) der Koppeleinrichtung (KE) des Schaltgetriebes (G3, G2) und der ersten sowie der zweiten elektrischen Maschine (EM1, EM2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste elektrische Maschine (EM1) als Haupt-Antriebsmaschine betrieben und - die zweite elektrische Maschine (EM2) während der Schaltvorgänge zur Zugkraftstützung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorbereitung einer Schaltung vom ersten in den zweiten Gang oder vom zweiten in den dritten Gang die zweite Sonnenwelle (SO2) mit der zweiten elektrischen Maschine (EM2) gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (EM2) nach Beendigung des Schaltvorganges abgekoppelt werden kann.