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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einer elektrischen Maschine und einem Zweigang-Getriebe.
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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 des Patenanspruches 1. 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 Vorgelegegetriebe umfasst. Das Planetengetriebe weist drei Wellen, nämlich eine Sonnenwelle, eine Hohlradwelle und eine Stegwelle auf, während das Vorgelegegetriebe eine Eingangswelle, mindestens eine Vorgelegewelle, zwei Zahnradstufen, eine Ausgangswelle und eine Schalteinrichtung umfasst. Die Stegwelle des Planetengetriebes ist mit der Eingangswelle des Vorgelegegetriebes fest verbunden. Aufgrund der koaxialen Bauweise der beiden miteinander gekoppelten Einzelgetriebe ergibt sich eine kompakte und einfache Bauweise, wobei die Eingangs- und die Ausgangswelle des Vorgelegegetriebes 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. Das erfindungsgemäße Zweigang-Getriebe ist modular aufgebaut, d. h. die Einzelgetriebe bilden Module eines Baukastens und können an unterschiedliche Leistungsklassen oder Schaltsysteme unter Verwendung einer hohen Anzahl von Gleichteilen angepasst werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Sonnenwelle des Planetengetriebes von der Antriebswelle der E-Maschine angetrieben, während die Hohlradwelle fest gehalten, d. h. gehäuseseitig abgestützt ist. Damit wird eine erste feste Übersetzung der Drehzahl der E-Maschine ins Langsame erreicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Eingangswelle des Vorgelegegetriebes als Hohlwelle ausgebildet, und die Ausgangswelle des Vorgelegegetriebes ist koaxial zur Eingangswelle angeordnet, d. h. die Ausgangswelle ist teilweise in der Hohlwelle angeordnet. Dadurch ergibt sich eine kompakte Anordnung für das Vorgelegegetriebe.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Zahnradstufe als Konstantstufe oder so genannte Konstante ausgebildet. Auf der Eingangswelle ist ein erstes Zahnrad drehfest und auf der Vorgelegewelle ist ein zweites Zahnrad drehfest angeordnet, so dass sich eine konstante Übersetzung zwischen Eingangswelle und Vorgelegewelle ergibt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Zahnradstufe als schaltbare Stufe ausgebildet, wobei ein erster und ein zweiter Gang schaltbar sind. Damit wird eine weitere Übersetzung ins Langsame, insbesondere im ersten Gang erreicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die schaltbare Stufe ein drittes Zahnrad, welches drehfest auf der Vorgelegewelle angeordnet ist, und ein viertes Zahnrad auf, welches als Losrad ausgebildet und auf der Eingangsrespektive der Hohlwelle gelagert ist. Die zweite Zahnradstufe besteht somit aus einem Festrad und einem Losrad, welches über die Schalteinrichtung koppelbar ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Vorgelegegetriebe zwei Vorgelegewellen mit jeweils gleichen Zahnrädern auf. Damit wird der Vorteil einer Leistungsverzweigung im Vorgelegegetriebe erreicht, da die in die Eingangswelle fließende Leistung auf zwei parallel verlaufende Leistungspfade - über die beiden Vorgelegewellen - verteilt wird. Damit kann das Vorgelegegetriebe unter Verwendung von Gleichteilen eine höhere Leistung übertragen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste Gang durch Koppelung des Losrades mit der Ausgangswelle schaltbar. Damit werden die Teilübersetzungen der ersten und der zweiten Zahnradstufe wirksam. Der Kraftfluss im ersten Gang erfolgt somit von der Antriebswelle der E-Maschine auf die Sonnenwelle des Planetengetriebes, über die Stegwelle des Planetengetriebes auf die Eingangswelle des Vorgelegegetriebes, über die erste Zahnradstufe auf die Vorgelegewelle und über die zweite Zahnradstufe auf die Ausgangswelle des Vorgelegegetriebes.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Gang durch Koppelung der Eingangswelle mit der Ausgangswelle des Vorgelegegetriebes schaltbar, d. h. beim Vorgelegegetriebe erfolgt ein so genannter Durchtrieb mit einer Übersetzung von 1:1. Für den zweiten Gang ist somit nur die Teilübersetzung des Planetengetriebes wirksam und maßgebend.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schalteinrichtung eine Schaltmuffe, welche drehfest, jedoch axial verschiebbar auf der Ausgangswelle des Vorgelegegetriebes angeordnet ist. Die Schaltmuffe kann entweder mit dem Losrad zur Schaltung des ersten Ganges oder mit der Eingangswelle zur Schaltung des zweiten Ganges gekoppelt werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Koppelung formschlüssig mittels Klauen, welche robuste und einfache Schaltmittel darstellen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schalteinrichtung eine erste und eine zweite Reibungskupplung, über welche der erste und der zweite Gang kraftschlüssig schaltbar sind. Damit sind beide Gänge unter Last und ohne Zugkraftunterbrechung schaltbar, was einen höheren Schaltkomfort bedeutet.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Reibungskupplung bei eingelegtem ersten Gang geschlossen, während die zweite Reibungskupplung offen ist. Durch die geschlossene erste Reibungskupplung wird das Losrad mit der Abtriebswelle verbunden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Reibungskupplung bei eingelegtem zweiten Gang offen, während die zweite Reibungskupplung geschlossen ist. Aufgrund der zweiten geschlossenen Reibungskupplung werden Eingangs- und Ausgangswelle des Vorgelegetriebes miteinander verbunden, so dass ein Durchtrieb erfolgt. Das Vorgelegegetriebe ist somit als Lastschaltgetriebe ausgebildet, wobei Module der vorherigen Ausführungsformen mit einer Vielzahl von Gleichteilen übernommen werden können. Dies trägt zur Kostenreduzierung bei.
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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 Antriebseinheit mit einer E-Maschine, einem Planetengetriebe und einem Zweigang-Vorgelegegetriebe mit Klauenschaltung, in Schaltposition für den ersten Gang.
- 2 die Antriebseinheit gemäß 1, jedoch in Schaltposition für den zweiten Gang,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Antriebseinheit, bei welcher das Zweigang-Vorgelegegetriebe eine erste und eine zweite Vorgelegewelle aufweist (in einer Schaltposition für den ersten Gang),
- 4 die Antriebseinheit gemäß 3, jedoch in einer Schaltposition für den zweiten Gang,
- 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Antriebseinheit, bei welcher das Zweigang-Vorgelegegetriebe als Lastschaltgetriebe mit zwei Reibungskupplungen ausgebildet ist (in Schaltposition erster Gang) und
- 6 die Antriebseinheit gemäß 5 , jedoch in 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 Zweigang-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, welches ein Modul eines Baukastens bildet, 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 Planetengetriebe G1 wird über die Sonnenwelle SO von der E-Maschine EM angetrieben, die Hohlradwelle HR ist fest gehalten, und der Abtrieb erfolgt über die Stegwelle ST. Das zweite Einzelgetriebe G2, ein weiteres Modul des Baukastens, ist als schaltbares Zweigang-Vorgelegegetriebe ausgebildet und weist eine Eingangswelle EW, eine Ausgangswelle AW mit Abtriebsflansch AF, eine Vorgelegewelle VW sowie zwei Zahnradstufen auf, nämlich eine erste, die Zahnräder Z1, Z2 umfassende und eine zweite, die Zahnräder Z3, Z4 umfassende Zahnradstufe. Die Zahnräder Z1, Z2, welche drehfest auf der Eingangswelle EW bzw. auf der Vorgelegewelle VW als Festräder angeordnet sind, bilden eine Konstantstufe oder Konstante, d. h. eine feste Übersetzung ins Langsame. Die zweite Zahnradstufe umfasst das dritte auf der Vorgelegewelle VW als Festrad angeordnete Zahnrad Z3 und das als Losrad ausgebildete vierte Zahnrad Z4, welches drehbar auf der Eingangswelle EW angeordnet ist. Die Eingangswelle EW ist als Hohlwelle ausgebildet und nimmt die Ausgangswelle AW, auch Abtriebswelle AW genannt, teilweise in sich auf. Auf der Ausgangswelle AW ist drehfest, jedoch axial verschiebbar eine Schaltmuffe SM angeordnet, über welche zwei Gänge schaltbar sind. Die Stegwelle ST des Planetengetriebes G1 ist fest mit der Eingangswelle EW des Vorgelegegetriebes G2 verbunden, wodurch beide Einzelgetriebe G1, G2 miteinander gekoppelt sind.
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Die Darstellung gemäß 1 zeigt die Schaltmuffe SM in einer Position für den ersten Gang, wobei das Losrad Z4 der zweiten Zahnradstufe mit der Abtriebswelle AW gekoppelt ist. Damit ergibt sich ein Kraftfluss, der durch eine punktierte Linie angedeutet ist, von der Sonnenwelle SO, welche von der E-Maschine EM angetrieben wird, über die Stegwelle ST auf die Eingangswelle EW, über die erste Zahnradstufe, die Konstante, auf die Vorgelegewelle VW und von dieser über die zweite schaltbare Zahnradstufe auf die Abtriebswelle AW. Die Gesamtübersetzung für den ersten Gang ergibt sich aus der Teilübersetzung des Planetengetriebes G1 und der beiden Übersetzungen der ersten und der zweiten Zahnradstufe. Die Gesamtübersetzung des ersten Ganges reduziert die Drehzahl der E-Maschine auf eine Drehzahl, welche der Zugkraftanforderung und dem Geschwindigkeitsbereich des angetriebenen Nutzfahrzeuges entspricht. Die Koppelung zwischen der Schiebemuffe SM und dem Losrad Z4 erfolgt formschlüssig, insbesondere durch eine Klauenschaltung, wodurch sich eine Zugkraftunterbrechung ergibt.
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2 zeigt die Antriebseinheit 1 gemäß 1, wobei sich die Schaltmuffe SM in einer Schaltposition für den zweiten Gang befindet. In dieser Schaltposition wird die Eingangswelle EW durch die Schaltmuffe SM direkt mit der Ausgangswelle AW gekoppelt. Es ergibt sich somit für das Vorgelegegetriebe G2 ein Durchtrieb von der Eingangswelle EW auf die Ausgangswelle AW mit einer Übersetzung von 1:1. Damit ergibt sich die Gesamtübersetzung für den zweiten Gang aus der Übersetzung des Planetengetriebes G1, d. h. aus dem Drehzahlverhältnis von Sonnenwelle SO zur Stegwelle ST. Die Koppelung erfolgt wiederum über Klauen (ohne Bezugszahl), welche sowohl an der Einganswelle EW als auch an der Schaltmuffe SM angeordnet sind und hier miteinander in Eingriff stehen. Der Kraftfluss ist durch eine punktierte Linie angedeutet.
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3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebseinheit 2 mit einer elektrischen Maschine EM, einem Planetengetriebe G1 sowie mit einem modifizierten Vorgelegegetriebe G2a, welches zwei Vorgelegewellen VW1, VW2 aufweist.
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Auf der ersten Vorgelegewelle VW1 sind die als Festräder ausgebildeten Zahnräder Z2, Z3 und auf der zweiten Vorgelegewelle VW2 sind weitere als Festräder ausgebildete Zahnräder Z5, Z6 angeordnet. Die Zahnräder Z2, Z3, Z5, Z6 auf den beiden Vorgelegewellen VW1, VW2 stehen mit dem Festrad Z1 und dem Losrad Z4 in Zahnreingriff. Aufgrund der zweiten Vorgelegewelle VW2 - im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel mit nur einer Vorgelegewelle VW - ergibt sich eine Leistungsverzweigung über das Festrad Z1 auf der Eingangswelle EW. Somit kann eine höhere Leistung über das Vorgelegegetriebe G2a übertragen werden.
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Die Schaltmuffe SM befindet sich in einer Position für den ersten Gang, wobei das Losrad Z4 mit der Ausgangswelle AW gekoppelt ist. Über das Losrad Z4 werden die beiden Leistungspfade über die erste und die zweite Vorgelegewelle VW1, VW2 wieder zusammengeführt. Der Kraftfluss ist durch eine punktierte Linie angedeutet.
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4 zeigt die Antriebseinheit 2 gemäß 3, wobei die Schaltmuffe SM sich in einer Position für den zweiten Gang befindet. Dabei koppelt die Schaltmuffe SM die als Hohlwelle ausgebildete Eingangswelle EW direkt mit der Ausgangswelle AW. Damit ergibt sich ein Durchtrieb mit einer Übersetzung von 1:1 für das Vorgelegegetriebe G2a. Die beiden Vorgelegewellen VW1, VW2 werden also im zweiten Gang umgangen. Der Kraftfluss, der durch eine punktierte Linie angedeutet ist, erfolgt über die Stegwelle ST des Planetengetriebes G1 auf die Eingangswelle EW und von dieser über die Schaltmuffe SM auf die Abtriebswelle AW. Die Übersetzung im zweiten Gang entspricht also wie im vorherigen Ausführungsbeispiel der Übersetzung des Planetengetriebes G1.
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5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Antriebseinheit 3 mit einer E-Maschine EM, einem Planetengetriebe G1 sowie einem unter Last schaltbaren Vorgelegegetriebe GL. Für gleiche Teile werden gleiche Bezugszeichen wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen verwendet. Die Antriebseinheit 3 unterscheidet sich von den vorherigen Antriebseinheiten 1, 2 dadurch, dass zwei Reibungskupplungen K1, K2 als Schalteinrichtung vorgesehen sind. Vorzugsweise handelt es sich um Lamellenkupplungen K1, K2. Die Darstellung in 5 zeigt eine Schaltposition für den ersten Gang: dabei ist die erste Lamellenkupplung K1 geschlossen und die zweite Lamellenkupplung K2 offen. Dadurch ergibt sich ein Kraftfluss, der durch eine punktierte Linie angedeutet ist, von der Stegwelle ST auf die Eingangswelle EW, über die erste Zahnradstufe Z1/Z2 auf die Vorgelegewelle VW und über die zweite Zahnradstufe Z3/Z4 auf die Abtriebswelle AW. Der erste Gang kann somit unter Last und ohne Zugkraftunterbrechung geschaltet werden.
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6 zeigt die Antriebseinheit 3 mit einer Schaltposition für den zweiten Gang, wobei für gleiche Teile wiederum gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Beim zweiten Gang ist die Lamellenkupplung K1 offen, während die Lamellenkupplung K2 geschlossen ist. Letzteres hat zur Folge, dass die Eingangswelle EW direkt mit der Ausgangswelle AW gekoppelt ist; es ergibt sich ein Durchtrieb mit der Übersetzung 1:1. Die Gesamtübersetzung des zweiten Ganges entspricht der Übersetzung des Planetengetriebes G1. Der zweite Gang kann somit auch unter Last und ohne Zugkraftunterbrechung geschaltet werden. Der Kraftfluss ist durch eine punktierte Linie angedeutet.
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Vergleicht man die verschiedenen Ausführungsbeispiele, d. h. die Antriebseinheiten 1, 2, 3, so erkennt man, dass immer das gleiche Eingangsgetriebe G1, das Planetengetriebe G1, verwendet wird, während sich die Vorgelegegetriebe G2, G2a, GL im Wesentlichen durch die Schalteinrichtung unterscheiden, also einerseits eine Klauenschaltung mit Zugkraftunterbrechung und andererseits eine Lastschaltung mit Reibungskupplungen ohne Zugkraftunterbrechung. Ansonsten werden die gleichen Teile, auch Gleichteile genannt, verwendet. Durch die hohe Anzahl von Gleichteilen ergeben sich geringe Herstellkosten für das Zweigang-Getriebe in unterschiedlichen Leistungsklassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Antriebseinheit
- 3
- Antriebseinheit
- AW
- Ausgangs-/Abtriebswelle
- AF
- Abtriebsflansch
- EM
- E-Maschine
- EW
- Eingangswelle
- G
- Zweigang-Getriebe
- G1
- erstes Getriebe (Planetengetriebe)
- G2
- zweites Getriebe (Vorgelegegetriebe)
- G2a
- zweites Getriebe (Leistungsverzweigung)
- GL
- zweites Getriebe (Lastschaltgetriebe)
- HR
- Hohlradwelle
- K1
- erste Reibungskupplung
- K2
- zweite Reibungskupplung
- PL
- Planetenrad
- SM
- Schaltmuffe
- SO
- Sonnenwelle
- ST
- Stegwelle
- VW
- Vorgelegewelle
- VW1
- erste Vorgelegewelle
- VW2
- zweite Vorgelegewelle
- Z1
- erstes Zahnrad
- Z2
- zweites Zahnrad
- Z3
- drittes Zahnrad
- Z4
- viertes Zahnrad
- Z5
- fünftes Zahnrad
- Z6
- sechstes Zahnrad
