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Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug, umfassend
- - ein Gehäuse,
- - eine in dem Gehäuse angeordnete elektrische Maschine mit einem gehäusefesten Stator und einem rotierbar gelagerten Rotor,
- - ein schaltbares Getriebe mit einem ersten Planetensatz und einem zweiten Planetensatz, wobei der erste Planetensatz eine erste Sonne, ein erstes Hohlrad und einen ersten Steg mit einem Satz drehbar auf dem ersten Steg gelagerter, einerseits mit der ersten Sonne und andererseits mit dem ersten Hohlrad kämmender, erster Planetenräder aufweist und
wobei der zweite Planetensatz eine zweite Sonne, ein zweites Hohlrad und einen zweiten Steg mit einem Satz drehbar auf dem zweiten Steg gelagerter, einerseits mit der zweiten Sonne und andererseits mit dem zweiten Hohlrad kämmender, zweiter Planetenräder
aufweist,
wobei die erste Sonne drehfest auf einer mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbundenen Eingangswelle und der zweite Steg drehfest auf einer mit einem Abtrieb verbindbaren oder verbundenen Ausgangswelle fixiert ist und
wobei das erste Hohlrad mittels einer einzeln ansteuerbaren, ersten Bandbremse am Gehäuse festlegbar ist.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Betrieb eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs mit einer derartigen Antriebsanordnung, deren Ausgangswelle mit dem Abtrieb des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Eine gattungsgemäße Antriebsanordnung sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs sind bekannt aus der
US 9,821,650 B2 .
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Bei elektrifizierten, d.h. bei vollelektrifizierten oder teilelektrifizierten (Hybrid-)Kraftfahrzeugen besteht regelmäßig die Aufgabe, ein von einer elektrischen Maschine erzeugtes Antriebsmoment auf die Fahrzeugräder zu übertragen. Aufgrund der Fähigkeit elektrischer Maschinen, im Gegensatz zu Verbrennungskraftmaschinen über große Drehzahlbereiche eine weitgehend gleichbleibende Leistung zu erzeugen, werden dabei meist vergleichsweise einfache Getriebestrukturen bis hin zu reinen Einganggetrieben, beispielsweise realisiert durch einfache Stirnradstufen, eingesetzt. Zur Optimierung des Wirkungsgrades und damit auch zur Minimierung des CO2-Ausstoßes kann es jedoch, insbesondere bei leistungsstarken, hohe Höchstgeschwindigkeit erreichenden Fahrzeugen, sinnvoll sein, auch die elektrische Maschine über ein schaltbares Getriebe an den Abtrieb anzubinden. Dies ist jedoch insbesondere im Hinblick auf die notorische Bauraumknappheit bei elektrifizierten Kraftfahrzeugen oft problematisch.
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Aus der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift ist ein elektrischer Achsmotor bekannt, dessen Drehmoment über ein Getriebe aus zwei hintereinandergeschalteten Planetensätzen auf eine ein Fahrzeugrad tragende Achsflanschwelle übertragen wird. Jeder der beiden Planetensätze ist in üblicher Weise mit einer Sonne, einem Hohlrad und einem Steg ausgestattet, auf dem ein Satz Planetenräder drehbar gelagert ist. Die Sonne des ersten Planetensatzes ist drehfest auf der mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbundenen Eingangswelle fixiert. Sein Hohlrad ist über eine Bandbremse am Gehäuse festlegbar. Der Steg des ersten Planetensatzes ist drehfest mit der Sonne des zweiten Planetensatzes verbunden. Dessen Hohlrad ist gehäusefest. Sein Steg ist drehfest mit der Ausgangswelle verbunden, die unmittelbar in die Achsflanschwelle übergeht. Bei geschlossener Bandbremse fließt das Moment der elektrischen Maschine von der Antriebswelle über die Sonne des ersten Planetensatzes, der aufgrund seines mittels der Bandbremse festgelegten Hohlrades als einfache Übersetzungsstufe wirkt, zur Sonne des zweiten Planetensatzes, der aufgrund seines dauerhaft fixierten Hohlrades ebenfalls als einfache Übersetzungsstufe wirkt. Über den Steg des zweiten Planetensatzes wird das übersetzte Moment an die Ausgangswelle ausgeleitet. Um eine Entkopplung des Rades vom elektrischen Antrieb zu erzielen, wird die Bandbremse geöffnet. Das Hohlrad des ersten Planetensatzes dreht dann frei. Es kann kein Moment zum zweiten Planetensatz und weiter zur Ausgangswelle übertragen werden.
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Zur Realisierung einer Schaltbarkeit der Übersetzung, mit welcher das Moment der elektrischen Maschine von der Eingangs- auf die Ausgangswelle übertragen wird, ist bei der bekannten Vorrichtung eine über einen Kugelrampenmechanismus betätigte Kupplung im Inneren des ersten Planetensatzes vorgesehen, die dessen Sonne an seinem Steg festzulegen vermag. Bei geöffneter Bandbremse und geschlossener Kupplung läuft daher der erste Planetensatz als Block um und treibt die Sonne des zweiten Planetensatzes direkt an.
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Der Einsatz einer internen Kupplung ist technisch aufwendig. Eine bauraumsparende Ausgestaltung als formschlüssige Kupplung ist unter Last nicht schaltbar; eine lastschaltbare Ausgestaltung als Reibkupplung ist hingegen bauraumintensiv und verschleißanfällig.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung bauraumgünstiger, trotz Lastschaltbarkeit technisch einfacher und weniger verschleißanfällig zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die zweite Sonne drehfest auf der Eingangswelle und der erste Steg drehfest auf der Ausgangswelle fixiert ist und das zweite Hohlrad mittels einer einzeln ansteuerbaren, zweiten Bandbremse am Gehäuse festlegbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Erfindungsgemäß sind die beiden Planetensätze funktional nicht hintereinandergeschaltet sondern als jeweils einzeln wirksame, auswählbare, nebeneinander positionierte Übersetzungs-Alternativen gestaltet. Bei jedem der beiden Planetensätze wird das Moment der elektrischen Maschine über die Eingangswelle auf seine Sonne übertragen. Ausgeleitet - und zwar direkt an den Abtrieb - wird das Moment bei jedem der beiden Planetensätze über seinen Steg. Ob ein bestimmter Planetensatz gerade aktiv oder inaktiv im Sinne einer funktionalen Übersetzung des Momentes von der Eingangs- auf die Ausgangswelle ist, hängt davon ab, ob sein Hohlrad mittels der jeweils zugeordneten Bandbremse am Gehäuse festgelegt ist oder nicht. Nur derjenige Planetensatz mit festgelegtem Hohlrad wirkt als einfache Übersetzungsstufe und ist in der Lage, Moment zu übertragen. Bei geöffneter Bandbremse hingegen kann der zugeordnete Planetensatz frei drehen und entsprechend kein Moment übertragen. Wenn die beiden Planetensätze, wie bevorzugt vorgesehen, unterschiedliche Standübersetzungen haben, wird der Fachmann verstehen, dass zum Fahrbetrieb selbstverständlich jeweils nur ein Planetensatz aktiv, d.h. jeweils nur eine der Bandbremsen geschlossen sein darf/muss. Eine transiente Ausnahme bilden lediglich die Schaltvorgänge, während derer eine Momentenüberblendung von einem auf den anderen Planetensatz erfolgt, indem die geschlossene Bandbremse gelöst und die offene Bandbremse gleichzeitig geschlossen wird. Dies erfordert selbstverständlich eine entsprechend fein abgestimmte Regelung, wie sie dem Fachmann jedoch von üblichen Doppelkupplungsgetrieben her grundsätzlich bekannt ist.
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Es resultiert also ein extrem bauraumsparendes, schaltbares Zwei-Gang-Getriebe, welches bei geeigneter Ansteuerung zweier mechanisch leicht realisierbarer und für zugeordnete Aktuatoren leicht zugänglicher, radial außen liegenden Bandbremsen sogar zugkraftunterbrechungsfrei schaltbar ist. Dies insbesondere, wenn, wie bevorzugt vorgesehen, während des Überblendens die elektrische Maschine derart geregelt wird, dass der Geschwindigkeitsverlauf des Kraftfahrzeugs unverändert bleibt oder sich harmonisch ändert. D.h. die Regelung erfolgt bevorzugt so, dass die aktuelle (positive oder negative) Beschleunigung vorab ermittelt und über den Schaltvorgangs hinweg beibehalten, mithin die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs über den Schaltvorgang hinweg extrapoliert wird. Bei Bedarf kann eine vollständige Abkopplung des Abtriebs von der elektrischen Maschine durch Öffnen beider Bandbremsen erfolgen. Umgekehrt kann durch ein Schließen beider Bandbremsen eine Parksperrenfunktion realisiert werden. Insbesondere im Kontext der letztgenannten Funktion kommt die Eigenschaft einer Bandbremse, ihren Schaltzustand ohne dauerhafte Aufbringung von Hilfsenergie halten zu können, besonders vorteilhaft zur Geltung.
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Bekanntermaßen handelt es sich bei einer Bandbremse um eine in ihrem Durchmesser variierbare Bremsbandschlinge, die ein korrespondierendes Bremsrad, hier die Außenfläche des Hohlrades des jeweils zugeordneten Planetensatzes, umschlingt. Die Verstellung der Bremsbandschlinge kann beispielsweise über einen Schneckentrieb erfolgen, der aufgrund seiner konstruktionsbedingten Selbsthemmung keine Hilfsenergie benötigt, um einen eingestellten Zustand zu halten. Es sind auch Hebelmechanismen zur Betätigung von Bandbremsen bekannt, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls Einsatz finden können.
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Ein besonderer Vorteil des Einsatzes von Bandbremsen, insbesondere im Gegensatz zu Lamellenbremsen, ist ihr deutlich geringeres Schleppmoment aufgrund größeren (möglichen) Lüftspiels. Lamellenbremsen, insbesondere nasslaufende Lamellenbremsen, mit mehreren parallelen Reibpaarungen benötigen dieses Lüftspiel für jede Reibpaarung, was hinsichtlich des axialen Bauraums nachteilig ist und den Gesamtverfahrweg vergrößert und damit die Stellzeit verlängert. Außerdem neigen Lamellenbremsen mit großem Lüftspiel zum Taumeln, wodurch sie punktuell anlaufen und lokal überhitzen können. All diese Probleme treten bei Bandbremsen nicht auf. Insbesondere kann ein Bremsband einer Bandbremse mit großem Lüftspiel gegen gehäusefeste Zentrierkonturen aufgefahren werden, um ein Flattern im offenen Zustand zu verhindern und den Platzbedarf zu reduzieren.
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Im Hinblick auf eine Bauraumoptimierung wird es als besonders günstig angesehen, wenn die Eingangswelle die Ausgangswelle koaxial durchsetzt. Zudem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Ein- und Ausgangswelle antiparallel zueinander angeordnet sind, d.h. wenn Getriebeein- und -ausgang auf derselben Seite der Planetensätze liegen.
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Die Kopplung zum Abtrieb des Kraftfahrzeugs erfolgt bevorzugt über eine Zwischenwelle. Ein unmittelbarer Anschluss des Abtriebs an die Ausgangswelle wäre mit der üblichen Drehzahl-Zielvorgabe für den Abtrieb nur bei einer vergleichsweise kleinen Ausgestaltung der Hohlräder der Planetensätze realisierbar. Dies allerdings würde zu sehr hohen Lastmomenten an den Bandbremsen führen. Bei Verwendung einer Zwischenwelle jedoch können die Hohlräder größer im Durchmesser und daher die Momente an den Bandbremsen kleiner ausgestaltet werden. Die Zwischenwelle kann dabei ein einziges Zwischenrad tragen. Eine solche Ausführungsform bietet sich insbesondere bei den oben bereits erwähnten, bevorzugten Ausführungsformen an, in denen Getriebeein- und -ausgang auf derselben Seite der Planetensätze liegen. Ist dies nicht der Fall, d.h. wenn Getriebeein- und -ausgang auf unterschiedlichen Seiten der Planetensätze liegen, kann es günstig sein, die Zwischenwelle als eine die Planetensätze überspannende Vorgelegewelle auszubilden. Dies geht natürlich auf Kosten radialen Bauraums.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigen:
- 1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
- 2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung sowie
- 3: eine Schnittdarstellung durch den ersten Planetensatz einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung.
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung. Diese umfasst eine elektrische Maschine 10 mit einem gehäusefesten Stator 11 und einem drehbeweglich dazu gelagerten Rotor 12. Die Rotorwelle bildet die Eingangswelle 1 eines nachgeordneten Getriebes 20. Das Getriebe 20 umfasst im Wesentlichen zwei Planetensätze 100, 200, die in üblicher Weise jeweils aus einer Sonne 110 bzw. 210, einem Hohlrad 120 bzw. 220 und einem Steg 130 bzw. 230 aufgebaut sind, wobei die Stege 130, 230 als ein gemeinsamer Steg 130/230 ausgebildet sind. Für jeden Planetensatz 100, 200 ist auf dem gemeinsamen Steg 130/230 ein Satz Planetenräder 131 bzw. 231 drehbeweglich angeordnet, wobei die Planetenräder 131, 231 einerseits mit der zugeordneten Sonne 110 bzw. 210 und andererseits mit dem zugeordneten Hohlrad 120, 220 kämmen.
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Jede der Sonnen 110, 210 ist drehfest auf der Eingangswelle 1 fixiert. Der gemeinsame Steg 130/230 ist drehfest mit einer die Eingangswelle 1 koaxial umgreifenden und antiparallel zu ihr ausgerichteten Ausgangswelle 2 verbunden. Dadurch liegen Ein- und Ausgang des Getriebes 20 auf derselben (in 1 linken) Seite der Planetensätze 100, 200.
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Die Ausgangswelle 2 ist über eine Zwischenwelle 3, die bei der Ausführungsform von 1 als ein einfaches Zwischenrad ausgebildet ist, mit einem Differential 30 verbunden, welches das über das Getriebe 20 übersetzte Moment der elektrischen Maschine 10 auf die beiden Achsflanschwellen 31, 32 verteilt.
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Jedes der Hohlräder 120, 220 ist mittels einer Bandbremse 41 bzw. 42 am Gehäuse der Antriebsanordnung festlegbar. Zur Erläuterung des grundsätzlich bekannten Funktionsprinzips einer Bandbremse ist in 3 eine schematisierte Schnittdarstellung durch die Antriebsanordnung von 1 im Bereich des ersten Planetensatzes 100 gezeigt. Das Hohlrad 120 ist von einem Bremsband 411 der Bandbremse 41 umschlungen. Das Bremsband 411, das beispielsweise als innen mit einem Reibbelag belegtes Stahlband ausgebildet sein kann, bildet eine offene Schlinge um das Hohlrad 120, wobei die Kanten des Öffnungsspaltes als steife Laschen 412 nach radial außen aufgebogen sind. Eine der Laschen 412 (links in 3) liegt an einem Widerlager 413 an. An der anderen Lasche 412 (rechts in 3) greift ein motorischer Spindeltrieb 414 an. Durch Betätigung des Spindeltriebs kann das Bremsband 411 entgegen seiner eigenen Ringfederkraft im Durchmesser verringert werden, sodass es eine bremsende Reibkraft auf das Hohlrad 120 ausübt und dieses letztendlich am Gehäuse festlegt. Bei gegenläufiger Betätigung des Spindeltriebs 414 öffnet das Bremsband 411 seiner eigenen Ringfederkraft folgend den Kraftschluss um das Hohlrad 120 und gibt es wieder frei. Für die zweiter Bandbremse 42 gilt Analoges.
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Diese ausgesprochen bauraumgünstige Fixierungsmöglichkeit für die Hohlräder 120, 220 wird bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung wie folgt genutzt: Im herkömmlichen Fahrbetrieb ist eine der Bandbremsen 41, 42 geschlossen, während die andere geöffnet ist. Das Moment der elektrischen Maschine 10 wird daher über denjenigen Planetensatz 100, 200, dessen zugeordnete Bandbremse 41, 42 geschlossen ist, zum Differential 30 übertragen. Um zur Änderung der Übersetzung auf den jeweils anderen Planetensatz 200, 100 zu wechseln, erfolgt eine Überblendung, während derer die geschlossene Bandbremse 41, 42 geöffnet und die offene Bandbremse 42, 41 gleichzeitig geschlossen wird, wobei eine softwaregestützte Regelung der Bandbremsen 41, 42 sowie der elektrischen Maschine 10 für einen zugkraftunterbrechungsfreien, vom Fahrer als ruckfrei wahrgenommenen Wechsel der Übersetzung sorgt. In Fällen, in denen der Abtrieb, d.h. das Differential 30 vollständig von der elektrischen Maschine 10 abgekoppelt werden soll, können beide Bandbremsen 41, 42 geöffnet werden. Um eine Blockierung des Abtriebs zu erzielen, beispielsweise als Parksperre, können beide Bandbremsen 41, 42 geschlossen werden.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnug. Diese unterscheidet sich von derjenigen von 1 im Wesentlichen durch eine Umkehrung der geometrischen Verhältnisse im Getriebe 20. Insbesondere liegen der Getriebeeingang und der Getriebeausgang bei dieser Ausführungsform auf unterschiedlichen Seiten der Planetensätze 100, 200, d.h. die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2 sind nicht antiparallel sondern parallel zueinander orientiert. Um den gleichen Anbindungspunkt für das Differential 30 zu erreichen, ist die Zwischenwelle bei dieser Ausführungsform als Vorgelegewelle 3' ausgebildet, welche die beiden Planetensätze 100, 200 in axialer Richtung überspannt.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere kann der Antrieb der Bandbremsen 41, 42 auch anders als mittels eines Spindeltriebs realisiert werden, vorzugsweise mit einem anderen elektromechanischen Aktuator, der auch kein aufwendigen Hydrauliksystem benötigt und effizient angesteuert werden kann. Der Spindeltrieb hat jedoch aufgrund seiner Selbsthemmung den Vorteil, dass jede eingestellte Position ohne Zuführung von Hilfsenergie konstant beibehalten werden kann und somit besonders energieeffizient arbeiten kann. Überdies ist der Spindelantrieb genau ansteuerbar, somit die Bremsmoment genau einstellbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eingangswelle
- 2
- Ausgangswelle
- 3
- Zwischenwelle
- 3'
- Vorgelegewelle
- 10
- elektrische Maschine
- 11
- Stator
- 12
- Rotor
- 20
- Getriebe
- 30
- Differential
- 31, 32
- Achsflanschwelle
- 41, 42
- Bandbremse
- 411
- Bremsband
- 412
- Lasche
- 413
- Widerlager
- 414
- Spindeltrieb
- 100
- erster Planetensatz
- 110
- Sonne von 100
- 120
- Hohlrad von 100
- 131
- Planetenrad von 100
- 200
- zweiter Planetensatz
- 210
- Sonne von 200
- 220
- Hohlrad von 200
- 231
- Planetenrad von 200
- 130/230
- gemeinsamer Steg von 100 und 200
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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