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Die Erfindung betrifft ein mehrgängiges Planetenradgetriebe, das in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbar ist, wobei das zumindest eine Verzahnungsebene aufweisende Planetenradgetriebe wenigstens ein Sonnenrad, mehrere Planetenräder, zumindest ein Hohlrad sowie einen mit der Abtriebsseite verbindbaren Planetenradträger einschließt.
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Derartige insbesondere für Kraftfahrzeuge bestimmte Planetenradgetriebe sind beispielsweise aus der
DE 10 2016 003 575 A1 , der
EP 1 687 552 B1 , der
FR 2 912 696 A1 sowie der
US 2007/0 219 036 A1 bekannt. Übereinstimmend sind diese Planetenradgetriebe in einem Gehäuse angeordnet, welches zumindest einen ersten und zweiten Planetenradsatz umfasst, das jeweils ein Sonnenrad, einen Planetenträger sowie ein Hohlrad einschließt. Das zweite Hohlrad ist dabei drehfest mit dem Gehäuse verbunden oder verbindbar. Außerdem weist das Planetenradgetriebe eine Antriebs- oder Eingangswelle auf, über welche Drehmomente in das Planetenradgetriebe eingeleitet werden. Ein Abtriebsmoment wird über eine mit dem Planetenträger des zweiten Planetenradgetriebes drehfest verbundene Abtriebswelle abgeleitet.
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Die
DE 10 2015 218 252 A1 offenbart ein weiteres Planetenradgetriebe für ein Kraftfahrzeug, welches als Zweiganggetriebe ausgeführt ist, bei dem eine Eingangssonne mit einer Antriebswelle und eine Ausgangssonne mit einer Abtriebswelle verbunden ist. Weiterhin umfasst das Zweiganggetriebe eine Mehrzahl von auf einem Planetenträger drehbar gelagerten, gestuften Planetenrädern, die jeweils einen ersten und einen zweiten Radabschnitt aufweisen. Dabei sind erste Radabschnitte mit der Eingangssonne und zweite Radabschnitte mit der Ausgangssonne verzahnt. Mittels Kopplungseinrichtungen ist das Zweiganggetriebe in zwei unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle schaltbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein lastschaltfähiges Planetenradgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit einem einfachen kompakten Aufbau bereitzustellen, das insbesondere axialbauraumoptimiert Vorteile zeigt, funktional verbessert und kostengünstig realisierbar ist.
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Diese Aufgabenstellung wird mittels eines gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 aufgebauten Planetenradgetriebes gelöst. Danach ist ein als Zweiganggetriebe ausgeführtes, zwei Verzahnungsebenen einschließendes, mittels einer Doppelkupplung lastschaltbares Planetenradgetriebe vorgesehen.
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Der Aufbau des Planetenradgetriebes umfasst zwei Sonnenräder mit getrennten Antriebswellen sowie mehrere mit den Sonnenrädern verzahnte, auf dem Planetenträger drehbar gelagerte Zweifachplanetenräder, wobei jedes Zweifachplanetenrad zwei getrennte, abweichend voneinander dimensionierte, drehfest miteinander verbundene Zahnräder aufweist. In einer ersten Getriebestufe bzw. Gangstufe ist ein erstes Sonnenrad mit einem ersten Zahnrad des Zweifachplanetenrades und in einer zweiten Gangstufe das weitere Sonnenrad mit einem weiteren Zahnrad des Zweifachplanetenrades verzahnt. Unabhängig von der gewählten Gangstufe bzw. dem eingelegten Gang steht ein Zahnrad des Zweifachplanetenrades stets mit dem drehfest positionierten Hohlrad in einem Zahneingriff, das eine Endübersetzung des Planetenradgetriebes bestimmt.
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Durch zwei unterschiedlich ausgelegte bzw. dimensionierte, auch als Sonnenkontakte bezeichnete Verzahnungen eines Sonnenrades mit jeweils einem Zahnrad der Zweifachplanetenräder in Verbindung mit einer Schaltung der Doppelkupplung sind die Übersetzungen des Planetenradgetriebes variierbar. Die auch Leistungszweige genannten Momentenpfade sowohl für den ersten Gang wie auch für den zweiten Gang sehen negative, auch Minusgetriebe genannte große Standübersetzungen vor.
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Herkömmliche als Zweiganggetriebe konzipierte Planetenradgetriebe für Kraftfahrzeuge umfassen vielfach eine große Anzahl von Verzahnungsebenen, außenverzahnten Zahnrädern, Hohlrädern und dergleichen, um zwei Schaltstufen zu realisieren. Aufgrund der hohen Anzahl von Bauteilen erfordern herkömmliche Planetenradgetriebe einen größeren Bauraum, insbesondere in axialer Richtung. Außerdem verursacht dieser Aufbau ein erhöhtes Gewicht und hohe Herstellungskosten.
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Das erfindungsgemäße Planetenradgetriebe umfasst zwei Verzahnungsebenen bzw. Planetenstufen, von denen eine reduziert ist. Durch eine Synthese von zwei elementaren Planetenstufen bildet das erfindungsgemäße Konzept ein reduziertes Koppelgetriebe. Vorteilhaft führt das erfindungsgemäße Planetenradgetriebe zu einer aufgabengerechten, kompakten Bauform, wobei der bauteiloptimierte Aufbau gleichzeitig zu einer gewünschten Gewichtsreduzierung führt. Aufgrund des insbesondere in axialer Richtung reduzierten Bauraums wird eine Integration des gemäß der Erfindung aufgebauten Planetenradgetriebes entscheidend vereinfacht. Beispielsweise ist das Planetenradgetriebe damit auch in einem relativ beengten Bauraum von kompakten Kraftfahrzeugen der unteren Mittelklasse einsetzbar. Weiterhin führen die Bauteiloptimierung des Planetenradgetriebes sowie dessen vereinfachte Montage dazu, vorteilhaft die Kosten für die Anwendung des erfindungsgemäßen Planetenradgetriebes zu reduzieren.
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Das Drehmoment des Antriebsmotors wird über die kraftschlüssig wirkende Doppelkupplung in Verbindung mit einer zweiteiligen Antriebsverbindung auf eines der beiden Sonnenräder des Planetenradgetriebes übertragen. Damit ist ein Planetenradgetriebe realisierbar, dessen Gangstufen genannte Verzahnungsebenen lastschaltfähig schaltbar sind, wodurch ein Schalten ohne Zugkraftunterbrechung möglich und vorteilhaft ein ruckarmer oder gar ruckfreier Schaltübergang erreichbar ist.
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Durch die Erfindung ist vorteilhaft ein anwendungsgerechtes, einfach und kostengünstig zu fertigendes, für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bestimmtes Planetenradgetriebe darstellbar, das höchsten Anforderungen genügt und das außerdem gewichts- und bauraumoptimiert ausgeführt werden kann.
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Die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen, Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch 1 angegebenen erfindungsgemäßen Planetenradgetriebes.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der schaltbaren Doppelkupplung und dem erfindungsgemäßen Planetenradgetriebe eine aus zwei ineinander verlaufenden Doppelwellen bestehende Antriebsverbindung vorgesehen. Ein erster Kupplungsabschnitt der Doppelkupplung ist über eine Hohlwelle mit dem ersten Sonnenrad verbunden, wobei die Hohlwelle eine Zentralwelle konzentrisch umschließt, welche einen weiteren Kupplungsabschnitt mit dem zweiten Sonnenrad verbindet.
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Ferner umfasst das gemäß der Erfindung konzipierte Planetenradgetriebe Zweifachplanetenräder, bei denen das unmittelbar mit dem Hohlrad verzahnte Zahnrad einseitig einen axial vorstehenden, außenverzahnten Ansatz oder Stutzen bildet. Das zugehörige weitere Zahnrad des Zweifachplanetenrades ist beispielsweise über eine Innenverzahnung formschlüssig auf der Außenverzahnung des Ansatzes drehfest positioniert und mittels einer Sicherung beispielsweise einer Verstemmung axial fixiert.
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Alternativ zu einer formschlüssigen, als Steckverzahnung ausgeführten Verbindung ist weiterhin eine kraftschlüssige und / oder stoffschlüssige Verbindung realisierbar. Damit können die beiden Zahnräder zusätzlich oder alternativ zu einer Steckverzahnung über einen Längs- oder Querpressverband und / oder einer Verschweißung verbunden werden. Zudem ist bei entsprechender Auslegung eine einteilige Variante denkbar.
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Mit dem erfindungsgemäßen Planetenradgetriebe sind zwei voneinander abweichende Übersetzungen und damit zwei Gangstufen bzw. zwei Gänge schaltbar. Bevorzugt übertrifft die für den ersten Gang bestimmte Übersetzung zwischen dem Sonnenrad und dem zugehörigen Zahnrad des Zweifachplanetenrades die Übersetzung des zweiten Ganges zwischen dem entsprechenden weiteren Sonnenrad und dem zugehörigen Zahnrad des Zweifachplanetenrades. Für beide auch Leistungszweige genannten Momentenpfade, die sich bei einem eingelegten ersten Gang wie auch für den zweiten Gang einstellen, ergibt sich eine auch Minusgetriebe genannte große Standübersetzung.
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Das für die kleine Übersetzung, den zweiten Gang bestimmte Sonnenrad steht in unmittelbaren Kontakt mit einem auch Planetenrad genannten Zahnrad des Zweifachplanetenrades und einem mittelbaren Kontakt mit dem Hohlrad und bildet somit einen einfachen Planetenradsatz für diese Übersetzung. Der erste Gang mit der größeren Übersetzung wird in der zweiten Verzahnungsebene realisiert, wobei das Sonnenrad mit einem Zahnrad des Zweifachplanetenrades in Eingriff steht, welches nicht mit dem Hohlrad verzahnt ist.
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Ein Betätigen der kraftschlüssig wirkenden, beispielsweise als Reibungskupplung oder als formschlüssig wirkende Kupplung ausgeführte Doppelkupplung erfolgt vorzugsweise manuell durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs. Alternativ dazu bietet es sich an, durch ein automatisches Steuersystem, z.B. mit Hilfe eines hydraulischen Betätigungsmoduls die Doppelkupplung ohne Zugkraftunterbrechung zu betätigen. Zur Übertragung des Drehmomentes von dem Antriebsmotor auf das Planetenradgetriebe ist ein Kupplungsabschnitt der Doppelkupplung geschlossen, dagegen führt ein Öffnen beider Kupplungsabschnitte zu einer Drehmoment- bzw. einer Leistungsabschaltung. Über ein Schließen des ersten Kupplungsabschnittes und ein Öffnen des zweiten Kupplungsabschnittes ist eine erste Getriebeübersetzung, das Schalten des ersten Gangs realisierbar. Entsprechend ermöglicht ein Schließen des zweiten Kupplungsabschnittes und ein Öffnen des ersten Kupplungsabschnittes die Schaltung der zweiten Gangstufe.
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Der weitere konstruktive Aufbau des erfindungsgemäßen Planetenradgetriebes sieht vor, das zugehörige stationäre Hohlrad an einem Gehäuse des Planetenradgetriebes festzulegen. Dazu bietet sich zur Bauteiloptimierung an, die Hohlradverzahnung unmittelbar an die Innenwandung des Gehäuses von dem Planetenradgetriebe anzubringen. Als Maßnahme zur Erzielung einer verbesserten Führung der Antriebswellen ist die Hohlwelle vorteilhaft endseitig über ein als Radiallager ausgeführtes Wälzlager auf der Zentralwelle abgestützt. Bevorzugt eignet sich dazu ein Rillenkugellager, um eine wirksame, dauerhafte Lagerung zu erreichen, die sich gleichzeitig positiv auf den Zahneingriff zwischen dem mit der Hohlwelle verbundenen Sonnenrad und dem zugehörigen Zahnrad des Zweifachplanetenrades auswirkt.
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Das erfindungsgemäße, ein Zweiganggetriebe bildende Planetenradgetriebe ist vorzugsweise für den Einsatz in einem Antriebsstrang für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge oder für ein Hybridfahrzeug geeignet. Vorteilhaft kann damit in Verbindung mit einer Doppelkupplung ein den Schaltkomfort verbesserndes, lastschaltfähiges Planetenradgetriebe angeboten werden, das eine Schaltung ohne Zugkraftunterbrechung ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Gleiche bzw. wirkungsgleiche Bauteile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen:
- 1: in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform von einem erfindungsgemäß aufgebauten Planetenradgetriebe eines Kraftfahrzeugs;
- 2: schematisch eine Getriebekinematik des in 1 gezeigten Planetenradgetriebes mit zugehörigem Kraftfluss, der sich bei einer ersten Getriebeübersetzung einstellt; und
- 3: schematisch eine Getriebekinematik des in 1 gezeigten Planetenradgetriebes mit zugehörigem Kraftfluss, der sich bei einer zweiten Getriebeübersetzung einstellt.
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Ein erfindungsgemäßes, als Zweiganggetriebe aufgebautes, zwei Planetenradsätze einschließendes Planetenradgetriebe 1 ist in der 1 schematisch in einer bevorzugten Ausführungsform hinsichtlich seines Aufbaus und der Anordnung einzelner Bauteile dargestellt, wobei nicht alle Bauteile des Planetenradgetriebes 1 gezeigt sind. Gemäß der 1 ist das Planetenradgetriebe 1 in einem Antriebsstrang 2 eines beispielsweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs integriert, der einen Antriebsmotor 3, eine Doppelkupplung 4, das Planetenradgetriebe 1 sowie ein Differential 5 einschließt. Das Planetenradgetriebe 1 ist über eine aus zwei ineinander verlaufenden Doppelwellen bestehende, Kupplungsabschnitte 6, 7 bildende Antriebsverbindung mit der Doppelkupplung 4 verbunden. Eine Zentralwelle bildet dabei einen ersten Kupplungsabschnitt 6, der konzentrisch von dem eine Hohlwelle bildenden zweiten Kupplungsabschnitt 7 umschlossen ist. Zur Sicherung einer stabilen Einbaulage ist zwischen den Kupplungsabschnitten 6, 7 ein Wälzlager als Radiallager 8 eingesetzt.
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Mit dem Planetenradgetriebe 1 sind zwei voneinander abweichende Übersetzungen und damit zwei Gangstufen bzw. zwei Gänge schaltbar. Dazu schließt das Planetenradgetriebe 1 zwei axial beabstandete Verzahnungsebenen 9, 10 ein. Die dem Differential 5 benachbarte zweite Verzahnungsebene 9 wird gebildet durch ein mit der Zentralwelle, dem Kupplungsabschnitt 6 verbundenes erstes Sonnenrad 11, welches mit einem Zahnrad 12 eines Zweifachplanetenrades 13 verzahnt ist. Die weitere Verzahnungsebene 10 umfasst ein dem als Hohlwelle ausgeführten Kupplungsabschnitt 7 zugeordnetes zweites Sonnenrad 14, welches mit einem Zahnrad 15 des Zweifachplanetenrades 13 verzahnt ist. Das Zahnrad 15 ist weiterhin von einem stationär positionierten Hohlrad 16 des Planetenradgetriebes 1 umschlossen und ist mit diesem verzahnt. Der Aufbau des Zweifachplanetenrades 13 sieht vor, dass dessen Zahnräder 12, 15 drehfest zusammengefügt sind. Dazu bildet das Zahnrad 15 auf der zur Verzahnungsebene 9 gerichteten Seite einen axial vorstehenden Ansatz 17 mit einer Außenverzahnung, die formschlüssig in eine Innenverzahnung des Zahnrades 12 eingreift. Zur Lagefixierung ist das Zahnrad 12 beispielsweise mittels einer Verstemmung axial gesichert. Alternativ zu der beschriebenen Steckverzahnung können die Zahnräder 12, 15 kraftschlüssig und / oder stoffschlüssig verbunden werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Zahnräder 12, 15 als eine einteilige Baueinheit zu gestalten.
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Das Planetenradgetriebe 1 umfasst mehrere Zweifachplanetenräder 13, die jeweils drehbar auf einem Planetenradträger 18 (gezeigt in 2) gelagert sind. Im Betriebszustand erfolgt eine Drehmomentübertragung vom rotierenden Planetenradträger 18 des Planetenradgetriebes 1 auf das Differential 5 oder unmittelbar auf einen Direktabtrieb. Die sich für den ersten Gang einstellende zweite Verzahnungsebene 9, die Übersetzung zwischen dem Sonnenrad 11 und dem zugehörigen Zahnrad 12 übertrifft die Übersetzung für den zweiten Gang der ersten Verzahnungsebene 10 zwischen dem Sonnenrad 14 und dem Zahnrad 15 des Zweifachplanetenrades 13 einstellt. Für beide Verzahnungsebenen 9, 10 stellt sich eine auch Minusgetriebe genannte große bzw. negative Standübersetzung ein.
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Die 2 und die 3 zeigen die Getriebekinematik mit dem sich einstellenden Kraftfluss oder Momentenpfad in Abhängigkeit von dem eingelegten Gang des Planetenradgetriebes 1. In beiden Figuren verdeutlichen durchgezogene Linien bzw. Verbindungen den Kraftfluss in den Verzahnungsebenen 9, 10 bzw. den Planetenradstufen. Der durch unterbrochene Linien gekennzeichnete Kraftfluss stellt sich bei einem geöffneten Kupplungsabschnitt 6 oder 7 der Doppelkupplung 4 ein.
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Die 2 zeigt den Kraftfluss, der sich im Betriebszustand bei geschaltetem erstem Gang des Planetenradgetriebes 1 ergibt. Das Antriebsdrehmoment wird von dem Antriebsmotor 3 auf die Doppelkupplung 4 übertragen und von dort über den Kupplungsabschnitt 6 in das Planetenradgetriebe 1. Der als Zentralwelle ausgeführte Kupplungsabschnitt 6 bildet endseitig ein der zweiten strichpunktiert dargestellten Verzahnungsebene 9 zugeordnetes Sonnenrad 11, über das der Kraftfluss zu dem Zahnrad 13 des drehbar auf dem Planetenradträger 18 angeordneten Zweifachplanetenrades 13 verläuft. Der Planetenradträger 18 ist vorzugsweise mit drei symmetrisch umfangsseitig positionierten Zweifachplanetenrädern 13 versehen. Aufgrund der drehstarren Verbindung beider Zahnräder 12, 15 des Zweifachplanetenrades 13 und dem Zahneingriff des Zahnrades 15 in dem stationären Hohlrad 16 erfolgt eine Umlaufbewegung der Zweifachplanetenräder 13 und des damit verbundenen Planetenradträgers 18, wobei sich der Kraftfluss von dem Planetenradträger 18 auf das Differential 5 bzw. den Endabtrieb überträgt. Unabhängig von der geschalteten Gangstufe des Planetenradgetriebes 1 stellt sich eine Drehrichtung des Planetenradträgers 18 ein, die der Drehrichtung des Antriebsmotors 3 entspricht.
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In der 3 ist der Kraftfluss bei geschaltetem zweitem Gang des Planetenradgetriebes 1 gezeigt. Ausgehend vom Antriebsmotor 3 verläuft der Kraftfluss auf die Doppelkupplung 4 und von dort über den Kupplungsabschnitt 7 in das Planetenradgetriebe 1. Der Kupplungsabschnitt 6 als Zentralwelle bildet endseitig ein der ersten strichpunktiert dargestellten Verzahnungsebene 10 zugeordnetes Sonnenrad 14, über das der Kraftfluss zu dem Zahnrad 15 des Zweifachplanetenrades 13 verläuft, das gemeinsam mit weiteren Zweifachplanetenrädern 13 auf dem Planetenradträger 18 drehbar gelagert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planetenradgetriebe
- 2
- Antriebsstrang
- 3
- Antriebsmotor
- 4
- Doppelkupplung
- 5
- Differential
- 6
- Kupplungsabschnitt
- 7
- Kupplungsabschnitt
- 8
- Radiallager
- 9
- Verzahnungsebene
- 10
- Verzahnungsebene
- 11
- Sonnenrad
- 12
- Zahnrad
- 13
- Zweifachplanetenrad
- 14
- Sonnenrad
- 15
- Zahnrad
- 16
- Hohlrad
- 17
- Ansatz
- 18
- Planetenradträger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016003575 A1 [0002]
- EP 1687552 B1 [0002]
- FR 2912696 A1 [0002]
- US 2007/0219036 A1 [0002]
- DE 102015218252 A1 [0003]