DE102021109199A1

DE102021109199A1 - Kraftfahrzeug mit einem Koppelgetriebe und Koppelgetriebe für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021109199A1
Application number: DE102021109199.3A
Authority: DE
Inventors: Klaus Zelger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2022-10-13
Also published as: US20240131915A1; CN116867982A; EP4323666A1; WO2022218661A1; US20240227533A9

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (K) mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine (10), zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (K) und mit wenigstens einem Koppelgetriebe (20), welches zumindest zwischen einer Koppelungsstellung (KS), in welcher die elektrische Antriebsmaschine (10) Drehmoment übertragend mit einem Antriebsrad (100) des Kraftfahrzeugs (K) gekoppelt ist, und einer Entkoppelungsstellung (ES), in welcher die elektrische Antriebsmaschine (10) von dem Antriebsrad (100) entkoppelt ist, schaltbar ist. Das wenigstens eine Koppelgetriebe (20) ist zur Drehmoment übertragenden Koppelung mit genau einer Seite einer Antriebsachse (110) des Kraftfahrzeugs (K) vorgesehen und umfasst eine Formschlusskupplung (40) zum Schalten zwischen der Koppelungsstellung (KS) und der Entkoppelungsstellung (ES). Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Koppelgetriebe (20) für ein Kraftfahrzeug (K) sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (K).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine, zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und mit wenigstens einem Koppelgetriebe, welches zumindest zwischen einer Koppelungsstellung, in welcher die elektrische Antriebsmaschine Drehmoment übertragend mit einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, und einer Entkoppelungsstellung, in welcher die elektrische Antriebsmaschine von dem Antriebsrad entkoppelt ist, schaltbar ist. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Koppelgetriebe für ein derartiges Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs.
Anhand derartiger Koppelgetriebe ist es beispielsweise möglich, eine Drehmomentübertragung zwischen der elektrischen Antriebsmaschine und Antriebsrädern eines Kraftfahrzeugs bedarfsgerecht zu unterbrechen (Entkoppelungsstellung) und damit beispielsweise ein sogenanntes Segeln des Kraftfahrzeugs bei dessen Fahrbetrieb zu ermöglichen sowie die Drehmomentübertragung herzustellen (Koppelungsstellung) um ein Antreiben der Antriebsräder mittels der Antriebsmaschine zu ermöglichen.
Die DE 199 23 316 A1 beschreibt beispielsweise ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer in einem Antriebsstrang mit einer Antriebswelle angeordneten Starter- und Generator-Einheit. Die Starter- und Generator-Einheit weist eine als elektrischer Motor mit Starterfunktion oder elektrischer Generator betreibbare elektrische Maschine und ein Planetengetriebe auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit einem aufwandsarm betreibbaren Koppelgetriebe, ein entsprechendes Koppelgetriebe für ein solches Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Koppelgetriebe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine, zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und mit wenigstens einem Koppelgetriebe, welches zumindest zwischen einer Koppelungsstellung, in welcher die elektrische Antriebsmaschine Drehmoment übertragend mit einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, und einer Entkoppelungsstellung, in welcher die elektrische Antriebsmaschine von dem Antriebsrad entkoppelt ist, schaltbar ist. Das Koppelgetriebe kann vorzugsweise automatisiert zwischen der Koppelungsstellung und der Entkoppelungsstellung schaltbar sein. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Steuergerät umfassen, mittels welchem beispielsweise eine Schaltvorrichtung des Koppelgetriebes ansteuerbar sein kann. Bei Ansteuerung der Schaltvorrichtung kann Letztere bedarfsgerecht in die Koppelungsstellung bzw. die Entkoppelungsstellung schalten und dadurch die Antriebsmaschine mit dem Antriebsrad koppeln bzw. entkoppeln. Unter dem Ausdruck Antriebsrad ist vorliegend ein Antriebselement zu verstehen, welches direkten Kontakt zu einer Aufstandsfläche des Kraftfahrzeugs aufweist und dementsprechend zumindest eine Felge und einen mit dieser verbundenen Reifen aufweist.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Koppelgetriebe zur Drehmoment übertragenden Koppelung mit genau einer Seite einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist und eine Formschlusskupplung zum Schalten zwischen der Koppelungsstellung und der Entkoppelungsstellung umfasst. Dies ist von Vorteil, da durch die drehmomentübertragenden Koppelung mit der genau einen Seite der Antriebsachse des Kraftfahrzeugs eine besonders gezielte, sozusagen radselektive Übertragung von Drehmoment an das Antriebsrad ermöglicht ist.
Unter dem Ausdruck, wonach das wenigstens eine Koppelgetriebe zur Drehmoment übertragenden Koppelung mit genau einer Seite einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, ist vorliegend zu verstehen, dass das wenigstens eine Koppelgetriebe zum Einzelradantrieb des Antriebsrades ausgebildet und vorgesehen ist. Dabei ist klar, dass hierdurch auch eine etwaige Doppelbereifung des Antriebsrades umfasst sein kann.
Unter der Formschlusskupplung ist eine Kupplung zu verstehen, bei welcher in der Koppelungsstellung eine Übertragung von Drehmoment durch formschlüssiges Ineinandergreifen, also durch Formschluss jeweiliger Kupplungselemente erfolgt. Anders als bei Kupplungen, welche Drehmoment durch Reibschluss übertragen, also Reibkupplungen, wie beispielsweise Lamellenkupplungen oder Rutschkupplungen, ist bei Formschlusskupplungen in vorteilhafter Weise keine Haltekraft nötig, um die Übertragung des Drehmoments aufrecht zu erhalten. Darüber hinaus tritt bei Formschlusskupplungen auch kein Schlupf zwischen den jeweiligen Kupplungselementen auf, über welche in der Koppelungsstellung Drehmoment übertragbar ist, bzw. übertragen wird.
Bevorzugt kann ausschließlich durch Schalten von der Entkoppelungsstellung in die Koppelungsstellung die Drehmoment übertragende Koppelung zwischen der elektrischen Antriebsmaschine und dem Antriebsrad hergestellt werden. Es kann also vorgesehen sein, dass keine weiteren Kupplungen zur Drehmomentübertragung zwischen dem Antriebsrad und der elektrischen Antriebsmaschine zwischengeschaltet sind.
In weiterer vorteilhafter Weise kann die elektrische Antriebsmaschine in der Koppelungsstellung über das wenigstens eine Koppelgetriebe differenzialgetriebelos, also mit anderen Worten ohne Zwischenschaltung eines Differenzialgetriebes des Kraftfahrzeugs und damit differenzialgetriebefrei Drehmoment übertragend mit dem Antriebsrad gekoppelt sein.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug eine Mehrzahl an Antriebsrädern, Koppelgetrieben und elektrischen Antriebsmaschinen umfasst. So kann jedem der Antriebsräder jeweils wenigstens ein Koppelgetriebe und wenigstens eine elektrische Antriebsmaschine zugeordnet sein. Weist das Kraftfahrzeug also beispielsweise einen Vierradantrieb auf, so kann das Kraftfahrzeug vier Antriebsräder, vier elektrische Antriebsmaschinen und vier Koppelgetriebe umfassen. Dadurch können beispielsweise die jeweiligen, einem Vorderwagen, also der Front des Kraftfahrzeugs zugeordneten, vorderen Antriebsräder durch Schalten der diesen vorderen Antriebsrädern zugeordneten (vorderen) Koppelgetriebe und Einstellen der Entkoppelungsstellung entkoppelt werden, wohingegen die einem Hinterwagen, also dem Heck des Kraftfahrzeugs zugeordneten, hinteren Antriebsrädern durch Schalten der (hinteren) Koppelgetriebe und Einstellen der Koppelungsstellung gekoppelt und damit zum Antreiben des Kraftfahrzeugs genutzt werden. In diesem beispielhaften Fall befinden sich die vorderen Antriebsrädern in einem sogenannten „Segelbetrieb“ und werden im Gegensatz zu den hinteren Antriebsrädern nicht zum Antreiben des Kraftfahrzeugs genutzt. Es denkbar ist selbstverständlich auch, dass die vorderen Antriebsräder zum Antreiben des Kraftfahrzeugs genutzt werden und sich die hinteren Antriebsrädern im Segelbetrieb befinden.
Besonders bevorzugt kann das Koppelgetriebe als zwischen der Koppelungsstellung und der Entkoppelungsstellung schaltbare Zahnradstufe, insbesondere Zwischenzahnradstufe, ausgebildet sein. Dies gestattet eine einfache Integration in ein Getriebe, insbesondere Stirnradgetriebe, des Kraftfahrzeugs. Das Getriebe kann vorzugsweise als Automatikgetriebe ausgestaltet sein.
Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass durch die Koppelung mit genau einer Seite der Antriebsachse des Kraftfahrzeugs und einem dadurch bewirkten Einzelradantrieb ein bedarfsgerechtes Koppeln und Entkoppeln des Antriebsrades erfolgen kann. Das Kraftfahrzeug kann besonders effizient betrieben werden, wenn es mehrere, beispielsweise vier Antriebsräder umfasst, welche jeweils mit einem Koppelgetriebe und jeweils einer elektrischen Antriebsmaschine angetrieben werden können und bedarfsgerecht während der Fahrt des Kraftfahrzeugs beispielsweise zwei der Antriebsräder entkoppelt werden können, indem die jeweilige Entkoppelungsstellung der zwei, diesen Antriebsrädern zugeordneten Koppelgetrieben eingestellt wird. Des Weiteren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Formschlusskupplung ohne Kraftaufwand in der Koppelungsstellung und in der Entkoppelungsstellung gehalten werden kann. Mit anderen Worten muss also - anders als beispielsweise bei Reibkupplungen - keine Haltekraft aufgewendet werden, um die Koppelungsstellung und damit die Drehmomentübertragung bzw. die Entkoppelungsstellung und damit die Unterbrechung der Drehmomentübertragung aufrecht zu erhalten. Dies trägt ebenfalls zur Effizienzsteigerung bei und ermöglicht insgesamt einen aufwandsarmen Betrieb des Koppelgetriebes und damit auch des Kraftfahrzeugs.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Koppelgetriebe ein erstes Zahnrad, welches in zumindest mittelbarem Eingriff mit der Antriebsmaschine steht, sowie ein anhand der Formschlusskupplung mit dem ersten Zahnrad Drehmoment übertragend koppelbares, zweites Zahnrad, welches zumindest mittelbar drehfest mit dem Antriebsrad gekoppelt ist. Dies ist von Vorteil, da das Koppelgetriebe dadurch besonders einfach und robust aufgebaut ist und damit eine besonders geringe Störanfälligkeit aufweist. Unter dem Ausdruck mittelbar ist allgemein zu verstehen, dass weitere Drehmoment übertragende Elemente zwischengeschaltet sein können. Das jeweilige Zahnrad kann beispielsweise über eine Welle (als derartiges Drehmoment übertagendes Element) und dadurch mittelbar mit der Antriebsmaschine bzw. dem Antriebsrad gekoppelt sein kann. Unter dem Ausdruck drehfest ist allgemein zu verstehen, dass eine Relativdrehung unterbunden ist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Formschlusskupplung ein erstes Kupplungselement, welches zumindest mittelbar drehfest mit dem ersten Zahnrad gekoppelt ist und ein zweites Kupplungselement, welches zumindest mittelbar drehfest mit dem zweiten Zahnrad gekoppelt ist. Dies ist von Vorteil, da die Formschlusskupplung damit einen besonders einfachen und robusten Aufbau aufweist. Unter dem Ausdruck mittelbar ist zu verstehen, dass sowohl das jeweilige Kupplungselement als auch das jeweilige Zahnrad drehfest beispielsweise mit einer entsprechenden Welle verbunden sein können, wodurch dann das Kupplungselement mittelbar, nämlich beispielsweise mittels der Welle mit dem Zahnrad gekoppelt sein kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Formschlusskupplung ein Verbindungselement, welches einerseits zumindest mittelbar mit dem ersten Zahnrad und andererseits zumindest mittelbar mit dem ersten Kupplungselement drehfest gekoppelt ist. Dies ist von Vorteil, da das Verbindungselement eine besonders einfache Ausgestaltung des ersten Kupplungselements gestattet. Das Verbindungselement kann reversibel lösbar, also mit anderen Worten zerstörungsfrei lösbar, beispielsweise mittels einer Passverzahnung, welche auch als Steckverzahnung bezeichnet werden kann, zumindest mittelbar mit dem ersten Zahnrad gekoppelt sein.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Verbindungselement als Festmuffe ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da das als Festmuffe ausgebildete Verbindungselement eine geführte Bewegung des ersten Kupplungselement zum Schalten zwischen der Entkoppelungsstellung und der Koppelungsstellung ermöglicht. Die Festmuffe kann vorzugsweise eine Innenverzahnung mit entlang einer Drehachse des ersten Zahnrads verlaufenden Zähnen aufweisen. Diese Innenverzahnung kann mit einer Komplementärverzahnung, welche einer drehfest mit dem ersten Zahnrad verbundenen, ersten Welle zugeordnet sein kann, in Eingriff stehen. Die Verbindung der Innenverzahnung mit der Komplementärverzahnung kann vorzugsweise als spielfreier Presssitz ausgebildet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Formschlusskupplung ein Sperrelement. Das Sperrelement ist zum Unterbinden des Schaltens von der Entkoppelungsstellung in die Koppelungsstellung bei einem Drehzahlunterschied zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad ausgebildet. Darüber hinaus ist das Sperrelement zur Freigabe einer das Schalten von der Entkoppelungsstellung in die Koppelungsstellung bewirkenden Relativbewegung zwischen dem ersten Kupplungselement und dem zweiten Kupplungselement bei Drehzahlgleichheit zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Formschlusskupplung als Klauenkupplung ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da eine derartige Klauenkupplung einerseits besonders robust und einfach aufgebaut ist und andererseits kein Kraftaufwand nötig ist, um die Koppelungsstellung bzw. die Entkoppelungsstellung jeweils aufrecht zu erhalten, sondern lediglich zum Schalten zwischen der Koppelungsstellung und der Entkoppelungsstellung also zum Schalten von der Koppelungsstellung in die Entkoppelungsstellung und umgekehrt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Koppelgetriebe in ein Stirnradgetriebe des Kraftfahrzeugs integriert. Dies ist von Vorteil, da das Koppelgetriebe dadurch besonders bauraumsparend angeordnet und in einem Gehäuse des Stirnradgetriebes aufgenommen sein kann. Vorzugsweise kann das Koppelgetriebe als Zwischenzahnradstufe des Stirnradgetriebes ausgebildet sein.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Koppelgetriebe für ein Kraftfahrzeug gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Das Koppelgetriebe ist zumindest zwischen einer Koppelungsstellung, in welcher die elektrische Antriebsmaschine Drehmoment übertragend mit einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, und einer Entkoppelungsstellung, in welcher die elektrische Antriebsmaschine von dem Antriebsrad entkoppelt ist, schaltbar. Das wenigstens eine Koppelgetriebe ist zur Drehmoment übertragenden Koppelung mit genau einer Seite einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs ausgestaltet und umfasst eine Formschlusskupplung zum Schalten zwischen der Koppelungsstellung und der Entkoppelungsstellung. Dieses Koppelgetriebe kann besonders effizient und aufwandsarm betrieben werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine, welche zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist und mit wenigstens einem Koppelgetriebe, welches zumindest zwischen einer Koppelungsstellung, in welcher die elektrische Antriebsmaschine Drehmoment übertragend mit einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, und einer Entkoppelungsstellung, in welcher die elektrische Antriebsmaschine von dem Antriebsrad entkoppelt ist, schaltbar ist. Das wenigstens eine Koppelgetriebe ist zur Drehmoment übertragenden Koppelung mit genau einer Seite einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs vorgesehen und umfasst eine Formschlusskupplung zum Schalten zwischen der Koppelungsstellung und der Entkoppelungsstellung. Zudem umfasst das Koppelgetriebe ein erstes Zahnrad, welches in zumindest mittelbarem Eingriff mit der Antriebsmaschine steht, sowie ein anhand der Formschlusskupplung mit dem ersten Zahnrad Drehmoment übertragend koppelbares, zweites Zahnrad, welches zumindest mittelbar drehfest mit dem Antriebsrad gekoppelt ist. Darüber hinaus umfasst die Formschlusskupplung ein erstes Kupplungselement, welches zumindest mittelbar drehfest mit dem ersten Zahnrad gekoppelt ist und ein zweites Kupplungselement, welches zumindest mittelbar drehfest mit dem zweiten Zahnrad gekoppelt ist. Die Formschlusskupplung umfasst ein Sperrelement, welches bei dem Verfahren das Schalten von der Entkoppelungsstellung in die Koppelungsstellung unterbindet, während die elektrische Antriebsmaschine einen Drehzahlunterschied zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad ausgleicht. Bei anhand der elektrischen Antriebsmaschine hergestellter Drehzahlgleichheit zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad gibt das Sperrelement eine das Schalten von der Entkoppelungsstellung in die Koppelungsstellung bewirkende Relativbewegung zwischen dem ersten Kupplungselement und dem zweiten Kupplungselement frei. Dieses Verfahren ermöglicht eine besonders effiziente und aufwandsarm in Betrieb des Kraftfahrzeugs.
Befindet sich das Kraftfahrzeug also in einem Fahrzustand, bei welchem sich jeweilige Räder des Kraftfahrzeugs zu welchen auch das Antriebsrad gehört, drehen, so kann die elektrische Antriebsmaschine, zeitlich vor einer Drehmoment übertragenden Koppelung zwischen dem Antriebsrad und der Antriebsmaschine über das Koppelgetriebe zum Beschleunigen des Kraftfahrzeugs, zunächst den Drehzahlunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnrad ausgleichen. Erst wenn Drehzahlgleichheit besteht, also der Drehzahlunterschied zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad ausgeglichen ist, gibt das Sperrelement das Schalten von der Entkoppelungsstellung in die Koppelungsstellung und damit die Drehmoment übertragende Koppelung zwischen der elektrischen Antriebsmaschine und dem Antriebsrad über das Koppelgetriebe frei. Das Schalten von der Entkoppelungsstellung in die Koppelungsstellung kann nun erfolgen. Sobald die Koppelungsstellung eingestellt ist, kann Drehmoment von der elektrischen Antriebsmaschine auf das Antriebsrad übertragen und zum Antreiben bzw. Beschleunigen des Kraftfahrzeugs genutzt werden.
Des Weiteren kann die Übertragung des Drehmoments von der elektrischen Antriebsmaschine auf das Antriebsrad zügig durch Schalten von der Koppelungsstellung in die Entkoppelungsstellung unterbrochen werden. Dadurch kann das Antriebsrad auch als nicht angetriebenes Rad genutzt werden, was beispielsweise für ein sogenanntes Segeln des Kraftfahrzeugs vorteilhaft ist.
Die in Bezug auf einen der Aspekte vorgestellten, bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die jeweils anderen Aspekte der Erfindung und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen.
Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Perspektivansicht eines Stirnradgetriebes, welches ein Koppelgetriebes umfasst, und mit einer elektrischen Antriebsmaschine gekoppelt ist die zum Antreiben eines Antriebsrades eines stark abstrahiert dargestellten Kraftfahrzeugs dient; und
2 eine schematische Schnittdarstellung des im Halbschnitt dargestellten Koppelgetriebes.

1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Kraftfahrzeug K, welches insgesamt vier elektrische Antriebsmaschinen 10, vier Stirnradgetriebe SG mit vier Koppelgetrieben 20 und vier Antriebsräder 100 umfasst. Dabei ist jedem der Stirnradgetriebe SG jeweils eines der Koppelgetriebe 20 zugeordnet. Mit anderen Worten ist jeweils eines der Koppelgetriebe 20 in jeweils eines der Stirnradgetriebe SG des Kraftfahrzeugs K integriert.
Jede der Antriebsmaschinen 10 ist mit jeweils einem der Stirnradgetriebe SG gekoppelt. Jedes der Stirnradgetriebe SG ist darüber hinaus mit jeweils einem der Antriebsräder 100 koppelbar, indem das jeweilige Koppelgetriebe 20 des jeweiligen Stirnradgetriebes SG von einer Entkoppelungsstellung ES in eine Koppelungsstellung KS geschaltet wird. In der Koppelungsstellung KS ist das jeweilige Antriebsrad 100 Drehmoment übertragend mit der jeweiligen Antriebsmaschine 10 gekoppelt, wohingegen die Drehmomentübertragung zwischen Antriebsrad 100 und Antriebsmaschine 10 in der Entkoppelungsstellung ES unterbrochen ist. Mit anderen Worten ist die jeweilige elektrische Antriebsmaschine 10 in der Entkoppelungsstellung ES des jeweiligen Koppelgetriebes 20 von dem Antriebsrad 100 entkoppelt. Insgesamt ist dadurch ein selektives Antreiben der jeweiligen Antriebsräder 100, mithin ein Einzelradantrieb jedes der Antriebsräder 100 ermöglicht. Mit anderen Worten ist also jedes der Antriebsräder 100 durch die diesem jeweils zugeordnete elektrische Antriebsmaschine 10 jeweils unabhängig von den anderen Antriebsrädern 100 antreibbar.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 lediglich eine der Antriebsmaschinen 10, lediglich eines der Stirnradgetriebe SG mit einem der Koppelgetriebe 20 und lediglich eines der Antriebsräder 100 dargestellt. Nachfolgende Ausführungen zur Antriebsmaschine 10, zum Stirnradgetriebe SG, zum Koppelgetriebe 20 und zum Antriebsrad 100 gelten jedoch für sämtliche Antriebsmaschinen 10, Stirnradgetriebe SG, Koppelgetriebe 20 und Antriebsräder 100 des Kraftfahrzeugs K.
Das Stirnradgetriebe SG umfasst eine erste Getriebewelle 102, welche Drehmoment übertragend mit der elektrischen Antriebsmaschine 10 des Kraftfahrzeugs K gekoppelt ist. Die Drehmoment übertragende und damit drehfeste Koppelung zwischen der ersten Getriebewelle 102 und der Antriebsmaschine 10 erfolgt dabei lediglich beispielhaft über einen Keilwellenendabschnitt 103, also mit anderen Worten einen Endabschnitt der ersten Getriebewelle 102, welcher eine Keilverzahnung aufweist. Über diese Keilverzahnung ist die erste Getriebewelle 102 mit der elektrischen Antriebsmaschine 10 in zumindest mittelbarem Eingriff. Ebenfalls drehfest mit der ersten Getriebewelle 102 gekoppelt ist ein erstes Getriebezahnrad 104. Das erste Getriebezahnrad 104 ist mit einem ersten Zahnrad 42 des Koppelgetriebes 20 in Eingriff. Damit steht das erste Zahnrad 42 des Koppelgetriebes 20 in mittelbarem Eingriff mit der Antriebsmaschine 10, ist also mittelbar mit der Antriebsmaschine 10 gekoppelt.
Das Stirnradgetriebe SG umfasst des Weiteren eine zweite Getriebewelle 106, welche Drehmoment übertragend mit dem Antriebsrad 100 gekoppelt ist. Die erste Getriebewelle 104 dient der antriebsseitigen Drehmomentübertragung und die zweite Getriebewelle 106 der abtriebsseitigen Drehmomentübertragung. Die Drehmoment übertragende und damit drehfeste Koppelung zwischen der zweiten Getriebewelle 106 und dem Antriebsrad 100 erfolgt dabei lediglich beispielhaft über eine Innenkeilverzahnung 107 der zweiten Getriebewelle 106. Das Antriebsrad 100 ist über eine in 1 gestrichelt dargestellte Antriebsachse 110 mit der Innenkeilverzahnung 107 in Eingriff und dadurch drehfest mit der zweiten Getriebewelle 106 des Stirnradgetriebes SG gekoppelt. Anhand von 1 ist erkennbar, dass das Koppelgetriebe 20 zur drehmomentübertragenden Koppelung mit genau einer Seite der Antriebsachse 110 des Kraftfahrzeugs K vorgesehen ist, wodurch ein Einzelradantrieb des Antriebsrades 100 erfolgen kann. Dabei kann die Übertragung des Drehmoments zwischen der elektrischen Antriebsmaschine 10 und dem Antriebsrad 100 ohne Zwischenschaltung eines Differenzialgetriebes erfolgen. Die Übertragung des Drehmoments zwischen der elektrischen Antriebsmaschine 10 und dem Antriebsrad 100 kann also differenzialgetriebefrei (ohne Differenzialgetriebe) erfolgen.
Ebenfalls drehfest mit der zweiten Getriebewelle 106 gekoppelt ist ein zweites Getriebezahnrad 108 des Stirnradgetriebes SG. Das zweite Getriebezahnrad 108 ist mit einem zweiten Zahnrad 52 des Koppelgetriebes 20 in Eingriff. Somit ist das zweite Zahnrad 52 des Koppelgetriebes 20 zumindest mittelbar drehfest mit dem Antriebsrad 100 gekoppelt.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jeweilige Zähne der (ersten und zweiten) Getriebezahnräder 104, 108 sowie der (ersten und zweiten) Zahnräder 42, 52 in 1 nicht dargestellt.
2 zeigt das Koppelgetriebe 20 in vergrößerter Schnittdarstellung und dabei im Halbschnitt.
Anhand von 2 ist erkennbar, dass das Koppelgetriebe 20 eine als Klauenkupplung ausgebildete Formschlusskupplung 40 zum Schalten zwischen der Koppelungsstellung KS und der Entkoppelungsstellung ES umfasst. Zudem zeigt 2, dass das erste Zahnrad 42 einteilig mit einer Welle 46 verbunden ist. Bei der Übertragung des Drehmoments von der elektrischen Antriebsmaschine 10 an das Antriebsrad 100, also beim Antreiben des Antriebsrades 100, rotiert das erste Zahnrad 42 und damit die Welle 46 in Umfangsrichtung U um eine Drehachse x, welche gleichzeitig eine Mittelachse der Welle 46 und des ersten Zahnrades 42 darstellt.
Das erste Zahnrad 42 ist anhand der Formschlusskupplung 40 Drehmoment übertragend mit dem zweiten Zahnrad 52 koppelbar, indem die Formschlusskupplung 40 und damit das Koppelgetriebe 20 zwischen der Koppelungsstellung KS und der Entkoppelungsstellung ES geschaltet wird.
Die Formschlusskupplung 40 umfasst ein erstes Kupplungselement 44, welches mit einem Verbindungselement 70 gekoppelt ist. Das erste Kupplungselement 44 ist bidirektional und relativ zu dem Verbindungselement 70 gemäß einer durch einen Doppelpfeil gekennzeichneten Relativbewegung RB parallel zur Drehachse x und damit translatorisch verschiebbar. Um die translatorische Verschiebbarkeit des ersten Kupplungselements 44 zu ermöglichen, weisen das erste Kupplungselement 44 und das Verbindungselement 70 jeweils miteinander in Eingriff stehende Verzahnungen, insbesondere Keilverzahnungen, auf.
Dadurch bleiben das erste Kupplungselement 44 und das Verbindungselement 70 bei der Relativbewegung RB in Eingriff.
Das erste Kupplungselement 44 ist mittelbar, nämlich über das Verbindungselement 70 und die Welle 46, drehfest mit dem ersten Zahnrad 42 gekoppelt. Ein zweites Kupplungselement 54 des Koppelgetriebes 20 ist drehfest (und damit Drehmoment übertragend) mit dem zweiten Zahnrad 52 an einem gemeinsamen Koppelbereich 56 gekoppelt. An diesem Koppelbereich 56 können beispielsweise jeweilige Keilverzahnungen des zweiten Kupplungselements 54 und des zweiten Zahnrades 52 ineinandergreifen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement 70 als Festmuffe ausgebildet.
Das zweite Zahnrad 52 ist über jeweilige Nadellager 58a, 58b drehbar auf der Welle 46 gelagert, wie ebenfalls 2 zu entnehmen ist. Anhand jeweiliger Wälzlager 60a, 60b, welche beispielsweise als Kugellager ausgebildet sein können, ist das Koppelgetriebe 20 an einem vorliegend nicht weiter gezeigten Gehäuse des Stirnradgetriebes SG abgestützt und damit gelagert. Über das Wälzlager 60a ist das erste Zahnrad 42 bzw. die Welle 46 zumindest mittelbar an dem Gehäuse abgestützt, wohingegen das zweite Zahnrad 52 über das weitere Wälzlager 60b zumindest mittelbar an dem Gehäuse abgestützt ist.
Durch die Relativbewegung RB des ersten Kupplungselements 44 kann das Koppelgetriebe 20 wahlweise in die Entkoppelungsstellung ES, in welcher die elektrische Antriebsmaschine 10 von dem Antriebsrad 100 entkoppelt ist, oder in die Koppelungsstellung KS geschaltet werden, in welcher das erste Zahnrad 42 Drehmoment übertragend mit dem zweiten Zahnrad 52 und damit insgesamt die elektrische Antriebsmaschine 10 mit dem Antriebsrad 100 gekoppelt ist.
In der Koppelungsstellung KS ergibt sich ein in 2 exemplarisch durch einen Pfeil verdeutlichter Kraftfluss KF zwischen dem ersten Zahnrad 42 und dem zweiten Zahnrad 52.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das erste Kupplungselement 44, welches auch als erstes Klauenelement bezeichnet werden kann, in der Koppelungsstellung KS lediglich abschnittsweise und punktiert dargestellt, jedoch ist zu erkennen, dass das erste Kupplungselement 44 in der Koppelungsstellung KS mit dem zweiten Kupplungselement 54, welches auch als zweites Klauenelement bezeichnet werden kann, in Eingriff ist, also Drehmoment übertragend gekoppelt ist. In der Entkoppelungsstellung ES sind das erste Kupplungselement 44 und das zweite Kupplungselement 54 hingegen voneinander getrennt, also entkoppelt, sodass der Kraftfluss KF zwischen dem ersten Kupplungselement 44 und dem zweiten Kupplungselement 54 unterbrochen ist und dementsprechend auch keine Drehmomentübertragung zwischen diesen Kupplungselement in 44, 54 erfolgen kann.
Um die Koppelungsstellung KS bzw. die Entkoppelungsstellung ES einzustellen, umfasst das Koppelgetriebe 20 eine Schaltvorrichtung 22 welche schematisch in 1 und ausschnittsweise in 2 dargestellt ist. Die Schaltvorrichtung 22 kann eine Schaltkraft auf das erste Kupplungselement 44 ausüben, um letzteres entsprechend der Relativbewegung RB zwischen der Koppelungsstellung KS und der Entkoppelungsstellung ES hin und her zu schalten. Die Schalteinrichtung 22 kann durch einen Steuergerät ECU angesteuert werden. Das Steuergerät ECU kann dem Kraftfahrzeug K, dem Stirnradgetriebe SG oder beispielsweise dem Koppelgetriebe 20 zugeordnet sein. Vorliegend kann anhand des Steuergerätes ECU auch die elektrische Antriebsmaschine 10 angesteuert werden.
Um das Schalten von der Entkoppelungsstellung ES in die Koppelungsstellung KS bei einem Drehzahlunterschied zwischen dem ersten Zahnrad 42 und dem zweiten Zahnrad 52 zu unterbinden, umfasst die Formschlusskupplung 40 ein Sperrelement 80. Sobald der Drehzahlunterschied auf dem Wert „0“ verringert ist und damit Drehzahlgleichheit zwischen dem ersten Zahnrad 42 und dem zweiten Zahnrad 52 herrscht, gibt das Sperrelement 80 die das Schalten von der Entkoppelungsstellung ES in die Koppelungsstellung KS bewirkende Relativbewegung RB zwischen dem ersten Kupplungselement 44 und dem zweiten Kupplungselement 54 frei. Der Drehzahlunterschied kann durch die elektrische Antriebsmaschine 10 ausgeglichen werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Drehzahlunterschied auch durch das Sperrelement 80 ausgeglichen werden, sodass das Sperrelement 80 zur Synchronisierung dienen kann. Das Sperrelement 80 kann allgemein die Funktion eines Synchronrings übernehmen und/oder als Synchronring ausgebildet sein. Vorliegend unterstützt das Sperrelement 80 die elektrische Antriebsmaschine, welche auch als Elektromotor, kurz E-Motor, bezeichnet werden kann, bei der Synchronisierung. Zum Ausgleichen des Drehzahlunterschied passt die elektrische Antriebsmaschine 10 während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs K die Drehzahl des ersten Zahnrad 42 der Drehzahl des zweiten Zahnrad 52 zumindest weitgehend an.
Das Koppelgetriebe 20 ermöglicht einen besonders effizienten Betrieb des Kraftfahrzeugs K, da das Koppelgetriebe 20 eine bedarfsgerechte Koppelung und Entkoppelung zwischen der elektrischen Antriebsmaschine 20 und dem Antriebsrad 100 gestattet, insbesondere wenn das Kraftfahrzeug K die Mehrzahl an elektrischen Antriebsmaschine 20, Koppelgetrieben 20 (bzw. Stirnradgetrieben SG mit jeweils einem Koppelgetriebe 20) und Antriebsrädern 100 umfasst, welche jeweils unabhängig voneinander gekoppelt und entkoppelt werden können.
Während beispielsweise bei konventionellen Lamellenkupplungen entsprechende Haltekräfte notwendig sind, um einen gekoppelten Zustand und eine damit verbundene Drehmomentübertragung aufrecht zu erhalten, ist dies bei dem vorliegenden Koppelgetriebe 20 aufgrund der Formschlusskupplung 40 nicht nötig. Im Gegensatz zu einer Lamellenkupplung kann die vorliegende Formschlusskupplung 40 die Koppelungsstellung KS oder die Entkoppelungsstellung ES kraftlos aufrechterhalten. Es ist also nach erfolgter Relativbewegung RB und nachdem die Koppelungsstellung KS bzw. die Entkoppelungsstellung ES eingestellt wurde, keine, beispielsweise durch die Schaltvorrichtung 22 aufzuwendende, weitere Haltekraft nötig, um eine unerwünschte Bewegung des ersten Kupplungselements 44 parallel zur Drehachse x zu unterbinden.
Das Sperrelement 80 und/oder die elektrische Antriebsmaschine 10 ermöglichen zusammenfassend eine besonders zügige Verringerung des Drehzahlunterschiedes zwischen dem ersten Zahnrad 42 und dem zweiten Zahnrad 52 beim Betrieb des Kraftfahrzeugs K und damit eine besonders schnelle Einstellung der Drehzahlgleichheit zwischen diesen Zahnrädern 42, 52. Dadurch sind besonders geringe Schaltzeiten zum Schalten zwischen der Koppelungsstellung KS und der Entkoppelungsstellung ES realisierbar, wobei ein etwaiger, spürbarer Ruck bzw. eine unerwünschte akustische Rückmeldung während des Schaltens zumindest gedämpft oder sogar eliminiert werden können.
Zusammenfassend gestattet das Kraftfahrzeug K mit dem Koppelgetriebe 20 die Synchronisation zwischen dem ersten Zahnrad 42 und dem zweiten Zahnrad 52, also die an- und abtriebsseitige Synchronisation, wobei eine gleichzeitig zumindest weitgehend verlustfreie Aufrechterhaltung der Koppelungsstellung KS bzw. Entkoppelungsstellung ES ermöglicht ist.
Bezugszeichenliste

10: elektrische Antriebsmaschine
20: Koppelgetriebe
22: Schaltvorrichtung
40: Formschlusskupplung
42: erstes Zahnrad
44: erstes Kupplungselement
46: Welle
52: zweites Zahnrad
54: zweites Kupplungselement
56: Koppelbereich
58a,b: Nadellager
60a, b: Wälzlager
70: Verbindungselement
80: Sperrelement
100: Antriebsrad
102: erste Getriebewelle
103: Keilwellenendabschnitt
104: erstes Getriebezahnrad
106: zweite Getriebewelle
107: Innenkeilverzahnung
108: zweites Getriebezahnrad
110: Antriebsachse
ECU: Steuergerät
K: Kraftfahrzeug
KF: Kraftfluss
KS: Koppelungsstellung
ES: Entkoppelungsstellung
RB: Relativbewegung
SG: Stirnradgetriebe
U: Umfangsrichtung
x: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19923316 A1 [0003]

Claims

Kraftfahrzeug (K) mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine (10), zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (K) und mit wenigstens einem Koppelgetriebe (20), welches zumindest zwischen einer Koppelungsstellung (KS), in welcher die elektrische Antriebsmaschine (10) Drehmoment übertragend mit einem Antriebsrad (100) des Kraftfahrzeugs (K) gekoppelt ist, und einer Entkoppelungsstellung (ES), in welcher die elektrische Antriebsmaschine (10) von dem Antriebsrad (100) entkoppelt ist, schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Koppelgetriebe (20) zur Drehmoment übertragenden Koppelung mit genau einer Seite einer Antriebsachse (110) des Kraftfahrzeugs (K) vorgesehen ist und eine Formschlusskupplung (40) zum Schalten zwischen der Koppelungsstellung (KS) und der Entkoppelungsstellung (ES) umfasst.
Kraftfahrzeug (K) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelgetriebe (20) ein erstes Zahnrad (42) umfasst, welches in zumindest mittelbarem Eingriff mit der Antriebsmaschine (10) steht, sowie ein anhand der Formschlusskupplung (40) mit dem ersten Zahnrad (42) Drehmoment übertragend koppelbares, zweites Zahnrad (52), welches zumindest mittelbar drehfest mit dem Antriebsrad (100) gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug (K) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusskupplung (40) ein erstes Kupplungselement (44), welches zumindest mittelbar drehfest mit dem ersten Zahnrad (42) gekoppelt ist und ein zweites Kupplungselement (54), welches zumindest mittelbar drehfest mit dem zweiten Zahnrad (52) gekoppelt ist, umfasst.
Kraftfahrzeug (K) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusskupplung (40) ein Verbindungselement (70) umfasst, welches einerseits zumindest mittelbar mit dem ersten Zahnrad (42) und andererseits zumindest mittelbar mit dem ersten Kupplungselement (44) drehfest gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug (K) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (70) als Festmuffe ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (K) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusskupplung (40) ein Sperrelement (80) zum Unterbinden des Schaltens von der Entkoppelungsstellung (ES) in die Koppelungsstellung (KS) bei einem Drehzahlunterschied zwischen dem ersten Zahnrad (42) und dem zweiten Zahnrad (52) und zur Freigabe einer das Schalten von der Entkoppelungsstellung (ES) in die Koppelungsstellung (KS) bewirkenden Relativbewegung (RB) zwischen dem ersten Kupplungselement (44) und dem zweiten Kupplungselement (54) bei Drehzahlgleichheit zwischen dem ersten Zahnrad (42) und dem zweiten Zahnrad (52) umfasst.
Kraftfahrzeug (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusskupplung (40) als Klauenkupplung ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelgetriebe (20) in ein Stirnradgetriebe (SG) des Kraftfahrzeugs (K) integriert ist.
Koppelgetriebe (20) für ein Kraftfahrzeug (K) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Koppelgetriebe (20), zumindest zwischen einer Koppelungsstellung (KS), in welcher die elektrische Antriebsmaschine (10) Drehmoment übertragend mit einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs (K) gekoppelt ist, und einer Entkoppelungsstellung (ES), in welcher die elektrische Antriebsmaschine (10) von dem Antriebsrad (100) entkoppelt ist, schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Koppelgetriebe (20) zur Drehmoment übertragenden Koppelung mit genau einer Seite einer Antriebsachse (110) des Kraftfahrzeugs (K) ausgestaltet ist und eine Formschlusskupplung (40) zum Schalten zwischen der Koppelungsstellung (KS) und der Entkoppelungsstellung (ES) umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (K) nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Formschlusskupplung (40) ein Sperrelement (80) umfasst, welches das Schalten von der Entkoppelungsstellung (ES) in die Koppelungsstellung (KS) unterbindet, während die elektrische Antriebsmaschine (10) einen Drehzahlunterschied zwischen dem ersten Zahnrad (42) und dem zweiten Zahnrad (52) ausgleicht und eine, das Schalten von der Entkoppelungsstellung (ES) in die Koppelungsstellung (KS) bewirkende Relativbewegung (RB) zwischen dem ersten Kupplungselement (44) und dem zweiten Kupplungselement (54) bei Drehzahlgleichheit zwischen dem ersten Zahnrad (42) und dem zweiten Zahnrad (52) freigibt.