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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einer elektrischen Maschine und einem Zweigang-Getriebe und einem Verfahren zum Betreiben der Antriebseinheit.
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Es ist bekannt, Nutzfahrzeuge mit elektrischen Antrieben auszustatten, welche eine oder zwei elektrische Maschinen, im Folgenden kurz E-Maschinen genannt, mit Getrieben aufweisen. Wegen der hohen Zugkraftanforderungen bei Nutzfahrzeugen werden auch Mehrganggetriebe mit Klauenschaltung eingesetzt. Bekannt sind ferner radindividuelle Antriebe, bei welchen jedes Rad einer Achse einen eigenen elektrischen Antrieb aufweist, sowie Zentralantriebe, bei welchen mindestens eine Achse des Fahrzeuges von einem zentral im Fahrzeug angeordneten elektrischen Antrieb angetrieben wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrischen Antrieb mit einer kompakten und einfachen Bauweise für ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug vorzuschlagen.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist bei einer Antriebseinheit mit einer elektrischen Maschine, im Folgenden kurz E-Maschine genannt, und einem Zweigang-Getriebe vorgesehen, dass das Zweigang-Getriebe zwei miteinander gekoppelte Einzelgetriebe, nämlich ein Planetengetriebe und ein schaltbares Differenzialgetriebe umfasst. Das Planetengetriebe weist drei Wellen, nämlich eine Sonnenwelle, eine Hohlradwelle und eine Stegwelle auf, während das Differenzialgetriebe, auch Ausgleichsgetriebe genannt, ein Differenzialgehäuse, mindestens zwei Ausgleichskegelräder und zwei Achswellen mit Achskegelrädern umfasst. Die Stegwelle des Planetengetriebes ist mit dem Differenzialgehäuse fest verbunden. Das Differenzial- oder Ausgleichsgetriebe entspricht grundsätzlich einem Querdifferenzial einer Fahrzeugachse, allerdings mit dem Unterschied, dass das erfindungsgemäße Differenzialgetriebe schaltbar ist und zwei Gangstufen mit unterschiedlichen Übersetzungen aufweist. Aufgrund der koaxialen Bauweise der beiden miteinander gekoppelten Einzelgetriebe, d. h. des Planetengetriebes und des Differenzialgetriebes ergibt sich eine kompakte und einfache Bauweise, wobei sämtliche Getriebebauteile koaxial zur Antriebswelle der E-Maschine angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit ist besonders vorteilhaft als Zentralantrieb eines E-Fahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges mit E-Antrieb verwendbar. Zentralantrieb bedeutet hier eine Längsanordnung der Antriebseinheit im Fahrzeug.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Achswelle als Differenzialausgangswelle, d. h. als Abtriebswelle des Zweigang-Getriebes ausgebildet, während die zweite Achswelle als schaltbare Welle ausgebildet ist. Im Unterschied zu einem konventionellen Achsdifferenzial wird die zweite Achswelle nicht für den Antrieb eines Rades benutzt, sondern als schaltbares Getriebeglied, welches mit anderen Getriebegliedern koppelbar ist. Die Differenzialausgangswelle kann über eine Gelenkwelle mit dem Achsdifferenzial einer Antriebsachse des Fahrzeuges verbunden werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind auf den Achswellen jeweils Achskegelräder drehfest angeordnet, welche mit den Ausgleichskegelrädern, die ihrerseits im Differenzialgehäuse gelagert sind, in Zahneingriff stehen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der erste Gang durch Festhalten der schaltbaren Welle geschaltet, d. h. die schaltbare Welle (zweite Achswelle) wird am Gehäuse abgestützt. Damit ergibt sich für das Ausgleichsgetriebe ein festes Übersetzungsverhältnis, wobei der Kraftfluss vom Differenzialgehäuse über die Ausgleichskegelräder auf das Achskegelrad der Differenzialausgangswelle erfolgt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zum Einlegen des zweiten Ganges die schaltbare Welle mit der Differenzialausgangswelle gekoppelt, d. h. beide Achswellen und beide Achskegelräder sind miteinander verbunden. Der Kraftfluss erfolgt vom Differenzialgehäuse über die Ausgleichskegelräder auf beide Achskegelräder und beide Achswellen. Durch den ersten und den zweiten Gang wird die Drehzahl der E-Maschine jeweils ins Langsame übersetzt und an die Fahrzeuggeschwindigkeit angepasst; gleichzeitig wird das Drehmoment an die Zugkraftanforderungen des Nutzfahrzeuges angepasst. Bevorzugte Übersetzungsverhältnisse liegen für den ersten Gang bei ca. 1:10 und für den zweiten Gang bei ca. 1:6, wobei sich diese Gangstufen aus den Übersetzungen der Einzelgetriebe, also des Planetengetriebes und des Ausgleichsgetriebes ergeben.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Achswelle als Hohlwelle ausgebildet, und die erste Achswelle wird als Differenzialausgangswelle durch die Hohlradwelle hindurchgeführt. Vorteilhaft hierbei ist ein Bauraumgewinn.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Planetengetriebe über seine Sonnenwelle von der E-Maschine angetrieben, während die Hohlradwelle gehäuseseitig abgestützt ist. Dadurch ergibt sich ein festes Übersetzungsverhältnis, beispielsweise von 1:5 für das Planetengetriebe, dessen Abtrieb über die Stegwelle, auch Planetenträger genannt, erfolgt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Differenzialgetriebe zwei drei oder vier Ausgleichskegelräder auf. Damit können verschiedene Leistungsklassen übertragen werden, da sich die Leistung auf eine höhere Anzahl von Ausgleichskegelrädern verteilt (Leistungsverzweigung).
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden der erste und der zweite Gang durch formschlüssige Schaltelemente, insbesondere durch Klauen geschaltet. Klauen stellen robuste und kostengünstige Schaltelemente dar.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Gang mittels reibschlüssiger Schaltelemente, insbesondere durch den Einsatz von zwei Lamellenkupplungen schaltbar. Damit ist das Zweigang-Getriebe unter Last schaltbar.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist bei der Schaltung des ersten Ganges die erste Lamellenkupplung geschlossen, wodurch die als Hohlwelle ausgebildet Achswelle abgebremst wird; die zweite Lamellenkupplung ist offen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Gang über eine Synchronisationseinheit schaltbar, d. h. beide Gänge sind synchronisiert. Vorzugsweise besteht die Synchronisationseinheit - wie an sich bekannt - aus einem Synchron-Körper und einer darauf drehfest, jedoch axial verschiebbar angeordneten Schiebemuffe sowie aus zwei Reibflächenpaarungen, welche konische Reibflächen aufweisen und während des Schaltvorganges einen Drehzahlausgleich bewirken. Danach wird eine formschlüssige Verbindung über eine Kupplungsverzahnung hergestellt. Das synchronisierte Zweigang-Getriebe verfügt somit über einen höheren Schaltkomfort.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zum Schalten des ersten Ganges die erste Reibflächenpaarung und zum Schalten des zweiten Ganges die zweite Reibflächenpaarung geschlossen, d. h. die Reibflächen werden zwecks Drehzahlangleichung zur Anlage gebracht, worauf das formschlüssige Einkuppeln erfolgt.
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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 E-Maschine mit einem Zweigang-Differenzialgetriebe in einer Schaltposition für den ersten Gang,
- 2 das Zweigang-Differenzialgetriebe in einer Schaltposition für den zweiten Gang,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem lastschaltbaren Zweigang-Differenzialgetriebe in einer Schaltposition für den ersten Gang,
- 4 das Zweigang-Differenzialgetriebe gemäß 3 in einer Schaltposition für den zweiten Gang,
- 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem synchronisierten Zweigang-Differenzialgetriebe in Neutralposition,
- 6 das synchronisierte Zweigang-Differenzialgetriebe gem. 5 in einer Schaltposition für den ersten Gang und
- 7 das synchronisierte Zweigang-Differenzialgetriebe gem. 6 in einer Schaltposition für den zweiten Gang.
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1 zeigt eine Antriebseinheit 1 mit einer elektrischen Maschine EM, im Folgenden kurz E-Maschine EM genannt, und einem nachgeschalteten Getriebe G, welches zwei miteinander gekoppelte Einzelgetriebe G1, G2 umfasst. Die Antriebseinheit 1 wird vorzugsweise zum Antrieb von Elektrofahrzeugen, insbesondere Nutzfahrzeugen verwendet, und zwar als Zentralantrieb mit einer Längsanordnung im Fahrzeug. Das erste Einzelgetriebe G1 ist als Planetengetriebe ausgebildet und weist drei Wellen, nämlich eine Sonnenwelle SO, eine Hohlradwelle HR sowie eine Stegwelle ST auf. Auf der Stegwelle ST sind Planetenräder PL, welche mit der Hohlradwelle HR und der Sonnenwelle SO in Zahneingriff stehen, drehbar angeordnet. Das zweite Einzelgetriebe G2 ist als Differenzial- oder Ausgleichsgetriebe ausgebildet, wobei Differenzialgetriebe und Ausgleichsgetriebe hier Synonyme, d. h. unterschiedliche Bezeichnungen für denselben Gegenstand darstellen. Das Differenzialgetriebe G2 umfasst ein Differenzialgehäuse 2 (auch Differenzialkäfig genannt), an welchem Ausgleichskegelräder 3, 4 drehbar gelagert sind. Die Ausgleichskegelräder 3, 4 stehen mit Achskegelrädern 5, 6 in Eingriff, welche ihrerseits drehfest auf einer ersten Achswelle 7 und einer zweiten, als Hohlrad ausgebildeten Achswelle 8 angeordnet sind. Die erste Achswelle 7 ist durch die Hohlradwelle 8 hindurchgeführt und bildet die Differenzialausgangs- oder -abtriebswelle 7, an deren Ende ein Abtriebsflansch 9 angeordnet ist. Die zweite Achswelle 8 ist als schaltbare Welle ausgebildet und steht mit einer Schaltmuffe 10 in Eingriff. Mit dem Differenzialgetriebe G2 können zwei Gänge, ein erster Gang und ein zweiter Gang mit unterschiedlichen Übersetzungsstufen, beispielsweise 1:10 für den ersten und 1:6 für den zweiten Gang geschaltet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Schaltmuffe 10 in der Position für den ersten Gang und verbindet über Klauen (ohne Bezugszahl) die schaltbare Welle 8 mit dem Gehäuse (dargestellt durch eine Schraffur), d. h. die schaltbare Welle 8 ist beim ersten Gang festgesetzt.
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Beide Einzelgetriebe G1, G2 sind miteinander gekoppelt, und zwar über die Stegwelle ST des Planetengetriebes G1 und das Differenzialgehäuse 2 des Differenzialgetriebes G2. Der Antrieb des Planentengetriebes G1 erfolgt von der E-Maschine EM auf die Sonnenwelle SO, die Hohlradwelle HR ist fest gesetzt.
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Für den ersten Gang ergibt sich daher folgender ein Kraftfluss von der Sonnenwelle SO über die Planeten PL auf die Stegwelle ST, auf das Differenzialgehäuse 2, die Ausgleichskegelräder 3, 4, das Achskegelrad 5 und auf die Differenzialausgangswelle 7 bis zum Abtriebsflansch 9.
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2 zeigt die Antriebseinheit 1 gemäß 1 in einer Schaltposition für den zweiten Gang. Für gleiche Teile werden gleiche Bezugszahlen wie in 1 verwendet. Bei der Schaltposition für den zweiten Gang koppelt die Schiebemuffe 10 die beiden Achswellen 7, 8 und damit auch die beiden Achskegelräder 5, 6 miteinander. Der Kraftfluss im zweiten Gang erfolgt somit vom Differenzialgehäuse 2 und über die Ausgleichskegelräder 3, 4 auf die beiden Achskegelräder 5, 6 und damit auf die Hohlwelle 8 und die Differenzialausgangswelle 7.
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Die Antriebseinheit 1 kann für unterschiedliche Leistungsklassen (mittel, schwer) von Nutzfahrzeugen verwendet werden, wobei die Zahl der Ausgleichskegelräder 3, 4, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei beträgt, auf drei oder vier Ausgleichsräder erhöht werden kann.
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3 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebseinheit 11 mit einem unter Last schaltbaren Getriebe GL. Die Klauenschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist hier durch zwei Reibungskupplungen, vorzugsweise eine erste Lamellenkupplung K1 und eine zweite Lamellenkupplung K2, im Folgenden kurz erste Kupplung 1 und zweite Kupplung 2 genannt, ersetzt. Im Übrigen weist die Antriebseinheit 11, insbesondere das lastschaltbare Getriebe GL gleiche Teile wie im vorherigen Ausführungsbeispiel auf, wobei die gleichen Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Mit dem Lastschaltgetriebe GL können der erste und der zweite Gang unter Last geschaltet werden. Beim Schalten des ersten Ganges wird die erste Kupplung K1 geschlossen, während die zweite Kupplung K2 offen ist. Dadurch wird die Hohlwelle 8 festgehalten, sodass der Kraftfluss vom Differenzialgehäuse 2 über die Ausgleichskegelräder 3, 4 und das Achskegelrad 5 auf die Differenzialausgangswelle 7 bis zum Abtriebsflansch 9 erfolgt.
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4 zeigt das Lastschaltgetriebe GL der Antriebseinheit 11 in einer Schaltposition für den zweiten Gang, wobei die erste Kupplung K1 offen und die zweite Kupplung K2 geschlossen ist. Infolge der geschlossenen zweiten Kupplung K2 werden die beiden Achswellen 7, 8 miteinander gekoppelt, sodass der Kraftfluss vom Differenzialgehäuse 2 parallel über beide Achswellen 7, 8 bis zum Abtriebsflansch 9 erfolgt.
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5 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebseinheit 12 mit einem synchronisierten Getriebe GS, auch Synchro-Getriebe GS genannt, bei welchem der erste Gang und der zweite Gang synchronisiert sind. Die Schaltelemente der vorherigen Ausführungsbeispiele sind hier beim Synchro-Getriebe GS durch eine Synchronisationseinheit 13, im Folgenden kurz Synchro-Einheit 13 genannt, ersetzt. Die Synchro-Einheit 13 umfasst einen Synchro-Körper 13a mit Schiebemuffe, eine erste Reibpaarung 13b sowie eine zweite Reibpaarung 13c. Die Reibpaarungen 13b, 13c weisen jeweils konische Reibflächen auf und bewirken beim Schalten eine Angleichung der Drehzahlen. Nachdem Drehzahlgleichheit hergestellt ist, erfolgt eine formschlüssige Verbindung der zu koppelnden Bauteile über eine hier nicht dargestellte Kupplungsverzahnung. In 5 ist die Synchro-Einheit 13 in Neutralstellung dargestellt, d. h. die Schiebemuffe 13a befindet sich in einer mittleren Position, wobei keine der beiden Reibpaarungen 13b, 13c geschlossen ist.
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6 zeigt die Antriebseinheit 12 mit dem Synchro-Getriebe GS, wobei zur Schaltung des ersten Ganges die erste Reibpaarung 13b geschlossen ist. Die Hohlwelle 8 und das darauf angeordnete Achskegelrad 6 sind somit festgesetzt. Der Kraftfluss im ersten Gang erfolgt somit vom Differenzialgehäuse 2 über die beiden Ausgleichskegelräder 3, 4 auf das Achskegelrad 5, welches auf der Differenzialausgangswelle 7 befestigt ist.
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7 zeigt die Antriebseinheit 12 mit dem Synchro-Getriebe GS, wobei sich die Schiebemuffe 13a zur Schaltung des zweiten Ganges in einer rechten Position befindet, in welcher die Reibpaarung 13c geschlossen und die beiden Achswellen 7, 8, d. h. die Differenzialausgangswelle 7 und die Hohlwelle 8 miteinander gekoppelt sind. Ausgehend vom Differenzialgehäuse 2, erfolgt der Kraftfluss im zweiten Gang also über die beiden Ausgleichkegelräder 3, 4 und die beiden Achskegelräder 5, 6 parallel auf die beiden Achswellen 7, 8, zwischen denen - nach dem Synchronisieren
- - eine formschlüssige Verbindung, schematisch dargestellt durch eine Kupplungsverzahnung13d, hergestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Differenzialgehäuse
- 3
- erstes Ausgleichskegelrad
- 4
- zweites Ausgleichskegelrad
- 5
- erstes Achskegelrad
- 6
- zweites Achskegelrad
- 7
- erste Achswelle/Differenzialausgangswelle
- 8
- zweite Achswelle/schaltbare Welle
- 9
- Abtriebsflansch
- 10
- Schaltmuffe
- 11
- Antriebseinheit
- 12
- Antriebseinheit
- 13
- Synchronisationseinheit
- 13a
- Synchro-Körper/Schiebemuffe
- 13b
- erste Reibpaarung
- 13c
- zweite Reibpaarung
- 13d
- Kupplungsverzahnung
- EM
- elektrische Maschine (E-Maschine)
- G
- Getriebe
- G1
- erstes Einzelgetriebe/Planetengetriebe
- G2
- zweites Einzelgetriebe/Differenzialgetriebe
- GL
- Lastschaltgetriebe
- GS
- Synchro-Getriebe
- HR
- Hohlradwelle
- K1
- erste Reibungskupplung
- K2
- zweite Reibungskupplung
- PL
- Planetenrad
- SO
- Sonnenwelle
- ST
- Stegwelle/Planetenträger
