DE102021121958A1

DE102021121958A1 - Elektrisch betreibbarer Achsantriebsstrang

Info

Publication number: DE102021121958A1
Application number: DE102021121958.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Kühnle; Thorsten Krause
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2023-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang (1) eines Kraftfahrzeugs (2) mit einer elektrischen Maschine (3) deren Rotor (4) drehmomentübertragend mit dem Eingang (5) eines öldurchströmten Drehmomentenwandlers (6) gekoppelt ist, während ein Ausgang (7) des Drehmomentenwandlers (6) drehmomentübertragend mit einer Getriebeanordnung (8) des Achsantriebsstrangs (1) verbunden ist, wobei die Getriebeanordnung (8) ein Planetengetriebe (9) umfasst, welches wenigstens zwei aktuierbare Kupplungen (10,11) aufweist, mit denen das Planetengetriebe (9) in einen ersten Betriebszustand versetzbar ist, bei dem an einem mit einem Fahrzeugrad (12) des Kraftfahrzeugs (2) gekoppelten Getriebeausgang (13) ein Drehmoment mit einer ersten Drehrichtung anliegt und das Planetengetriebe (9) in einen zweiten Betriebszustand versetzbar ist, bei dem an dem mit einem Fahrzeugrad (12) des Kraftfahrzeugs (2) gekoppelten Getriebeausgang (13) ein Drehmoment mit einer zweiten Drehrichtung anliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch betreibbarer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine deren Rotor drehmomentübertragend mit dem Eingang eines öldurchströmten Drehmomentenwandlers gekoppelt ist, während ein Ausgang des Drehmomentenwandlers drehmomentübertragend mit einer Getriebeanordnung des Achsantriebsstrangs verbunden ist.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge, der wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferenzial oder Stirnraddifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibarer Antriebsstrang bezeichnet.
Aus der DE 10 2010 048 837 A1 ist eine derartige Antriebsvorrichtung mit wenigstens einem Elektromotor und mindestens einem mit einem Rotor des Elektromotors antreibbaren Planetendifferenzial bekannt, wobei das Planetendifferenzial wenigstens einen Planententräger, der mit einem Rotor des Elektromotors wirkverbunden ist, erste Planetenräder und zweite Planetenräder, die drehbar an dem Planetenträger gelagert sind, sowie ein erstes Sonnenrad und ein zweites Sonnenrad, von denen jedes jeweils mit einer Abtriebswelle des Planetendifferenzials wirkverbunden ist, aufweist. Dabei stehen die ersten Planetenräder mit dem ersten Sonnenrad im Zahneingriff und steht jedes der zweiten Planetenräder mit dem zweiten Sonnenrad sowie mit einem der ersten Planetenräder im Zahneingriff. Ferner sind die Sonnenräder koaxial einer Rotationsachse des Rotors angeordnet.
In der DE 10 2016 216 802 A1 wird eine andere Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebsmaschine beschrieben, die über eine Antriebswelle mit einer Getriebevorrichtung, umfassend ein Wellgetriebe und ein Differentialgetriebe, wirkverbunden ist.
Bislang werden häufig 1-Gang E-Achsen verbaut. Damit die Spreizung von maximal erforderlichem Radmoment in Anfahrsituationen am Berg sowie erforderliche Höchstgeschwindigkeit erfüllt werden kann, muss eine verhältnismäßig lange Getriebeübersetzung mit überdimensionierter Elektromaschine gewählt werden. Dies wiederum erhöht die Kosten von Elektromaschine und Leistungselektronik. 2-Gang Systeme könnten diesen Zielkonflikt lösen, sind aber aufgrund der erforderlichen Komplexität und Getriebeaktuierung kostenseitig im Nachteil.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu reduzieren oder vollständig zu beseitigen und einen kostengünstig herstellbaren elektrischen Achsantriebsstrang bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine deren Rotor drehmomentübertragend mit dem Eingang eines öldurchströmten Drehmomentenwandlers gekoppelt ist, während ein Ausgang des Drehmomentenwandlers drehmomentübertragend mit einer Getriebeanordnung des Achsantriebsstrangs verbunden ist, wobei die Getriebeanordnung ein Planetengetriebe umfasst, welches wenigstens zwei aktuierbare Kupplungen, aufweist, mit denen das Planetengetriebe in einen ersten Betriebszustand versetzbar ist, bei dem an einem mit einem Fahrzeugrad des Kraftfahrzeugs gekoppelten Getriebeausgang ein Drehmoment mit einer ersten Drehrichtung anliegt und das Planetengetriebe in einen zweiten Betriebszustand versetzbar ist, bei dem an dem mit einem Fahrzeugrad des Kraftfahrzeugs gekoppelten Getriebeausgang ein Drehmoment mit einer zweiten Drehrichtung anliegt.
Erfindungsgemäß wird also ein Achsantriebsstrang bereitgestellt, der die Funktionalität eines 2-Gang-Getriebes mit reduzierten Kosten sowie erweiterten Funktionen darzustellen kann. Die 2-Gang-Funktionalität wird durch die Einbindung eines insbesondere öldurchströmten Drehmomentwandlers erreicht. Hierbei gilt es aber zu beachten, dass für dessen vorteilhafte Nutzung auch beim Rückwärtsfahren eine Drehmomentüberhöhung gegeben sein muss, d.h. der Drehmomentenwandler muss sowohl bei Vorwärts- als auch Rückwärtsfahrt immer in Auslegungsrichtung (d.h. i.d.R. vorwärts) drehen. Die elektrische Maschine dreht deshalb immer in die gleiche Richtung. Dadurch ist ein schaltbares Planetengetriebe mit einem Reversiersatz mit Drehrichtungsumkehr notwendig. Da dieser bevorzugt mit einfachen Klauenkupplungen in das Getriebegehäuse integriert wird ist hierdurch eine Kostenersparnis gegenüber einem klassischen „2 Gang Getriebe“ zu erwarten.
Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und eine Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Maschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung der Getriebeanordnung gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
Die Getriebeanordnung des elektrischen Achsantriebsstrangs ist insbesondere mit der elektrischen Maschine koppelbar, welche zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für das Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Bei dem Antriebsdrehmoment handelt es sich besonders bevorzugt um ein Hauptantriebsdrehmoment, sodass das Kraftfahrzeug ausschließlich durch das Antriebsdrehmoment angetrieben wird.
Die Getriebeanordnung kann ein Planetengetriebe und/oder ein Differentialgetriebe aufweisen. Ein Differentialgetriebe ist ein Planetengetriebe mit einem Antrieb und zwei Abtrieben. Es hat üblicherweise die Funktion, zwei Fahrzeugräder eines Kraftfahrzeugs so anzutreiben, dass sie in Kurven unterschiedlich schnell, aber mit gleicher Vortriebskraft drehen können.
Der erfindungsgemäße Achsantriebsstrang weist einen Drehmomentenwandler auf. Ein Drehmomentwandler hat die Funktion, beim Anfahren des Fahrzeugs das motorseitig erzeugte Drehmoment möglichst ruckfrei und verstärkt bis zum annähernden Gleichlauf von Motor und Antrieb zu übertragen. Er dient als hydraulische Anfahrkupplung und als zusätzliche Übersetzung, welche dem Getriebe vorgeschaltet ist, so dass zum Anfahren ein höheres Drehmoment bereitgestellt wird. Die Übersetzung im Wandler arbeitet stufenlos. Dabei wird das von der Antriebseinheit gelieferte Drehmoment in der Regel so gewandelt, dass bei niedriger Drehzahl des Motors ein großes Drehmoment bereitgestellt wird, während bei höherer Drehzahl des Motors keine Drehmomentverstärkung vorhanden ist. Da die Kraftübertragung hydraulisch erfolgt, ist das Anfahren sehr weich und damit auch materialschonend.
Ein Drehmomentwandler besteht mindestens aus einem Pumpenrad, einem Turbinenrad sowie einem Leitrad, deren Aufbau und Funktion nachfolgend erläutert wird.
In dem Drehmomentwandler befindet sich antriebs- oder eingangsseitig das als Schaufelrad ausgebildetes Pumpenrad und abtriebsseitig das als Schaufelrad ausgebildetes Turbinenrad, wobei zwischen diesen das in der Regel mit einem Freilauf versehene Leitrad angeordnet ist. Das Pumpenrad ist mit dem antreibenden Motor und das abtriebsseitige Turbinenrad mit dem Getriebe gekoppelt.
Pumpenrad, Turbinenrad und Leitrad laufen in einem Hydraulikfluid-Bad, wobei durch die Rotation des von dem Motor angetriebenen Pumpenrades das Hydraulikfluid aufgrund der Zentrifugalkräfte, welche mit steigender Rotationsgeschwindigkeit des Pumenrades zunehmen, nach außen und entlang der Gehäusewand des Drehmomentwandlers zum Turbinenrad strömt. Das Hydraulikfluid trifft auf das Turbinenrad und versetzt dieses in eine Drehbewegung, die gleichsinnig zur Drehung des Pumpenrads ist.
Dem Pumpenrad gegenüber steht ein Turbinenrad welches im Grunde ein umgekehrtes Pumpenrad ist. Im Turbinenrad sind die Turbinenradschaufeln entsprechend umgekehrt angebracht. Mit den Turbinenradschaufeln wird die Energie des Hydraulikfluids welches vom Pumpenrad beschleunigt wird aufgenommen. Das Pumpenrad überträgt somit Energie auf das Turbinenrad mittels des durch das Pumpenrad beschleunigten Hydraulikfluids.
Beim Turbinenrad sind die Turbinenradschaufeln so angeordnet, dass das Hydraulikfluid nach innen befördert wird wonach es erneut in den inneren teil des Pumpenrads gelangen kann und der hydraulische Kreislauf so geschlossen wird.
Es werden beim Drehmomentwandler grundsätzlich wenigstens zwei Betriebsbereiche unterschieden: Den Wandlerbereich mit nennenswerten Drehzahlunterschieden zwischen Pumpen und Turbinenrad und den Kupplungsbereich mit sehr geringen Drehzahlunterschieden.
Zunächst wird der Wandlerbereich näher erläutert. Generiert der Motor beim Anfahren eine höhere Drehzahl des Pumpenrades, wird das Turbinenrad durch den entstehenden Hydraulikfluidstrom angetrieben. Dabei dreht sie das Turbinenrad in dieser Phase weitaus langsamer als das Pumpenrad zum einen durch Verluste zum anderen aber weil es Leitrad einen gewollten stau des Hydraulikfluidstroms verursacht welcher zu einer geringeren Drehzahl des Turbinenrads führt jedoch auch zu einem höheren Drehmoment am Turbinenrad. Eine Steigerung des Drehmoments ist insbesondere beim Anfahren von großer Bedeutung. Das Leitrad steht im Wandlerbereich des Drehmomentwandlers fest.
Ist die Anfahrphase des Fahrzeugs abgeschlossen, wechselt der Drehmomentwandler aus seinem Wandlerbereich in seinen Kupplungsbereich, bei dem Pumpenrad und Turbinenrad annähernd die gleiche Drehzahl und das gleiche Drehmoment besitzen. Das Leitrad dreht sich hierbei durch eine entsprechend ausgeführte Freilaufeinrichtung mit.
Das Pumpenrad hat die Funktion, das im Wandlergehäuse befindliche Hydraulikfluid durch am Pumpenrad angeordnete Pumpenradschaufeln im vom Motor angetrieben Betriebszustand des Drehmomentwandlers anzusaugen und durch die bei der Drehung des Pumpenrads wirkende Zentrifugalkraft nach Außen zu drücken, von wo aus das Hydraulikfluid gegen die Turbinenradschaufeln des dem Pumpenrad gegenüberliegend angeordneten Turbinenrads geschleudert und von diesen umgelenkt wird, so dass ein Drehmoment von dem Pumpenrad auf das Turbinenrad übertragen wird. Das Pumpenrad ist üblicherweise drehfest mit dem Wandlergehäuse verbunden und wird vom Motor des Fahrzeugs angetrieben. Häufig ist das Pumpenrad monolithisch mit dem Wandlergehäuse ausgeformt.
Die Funktion des Turbinenrades ist es, das vom Pumpenrad beschleunigte Hydraulikfluid mittels am Turbinenrad ausgeformte Turbinenradschaufeln aufzunehmen, in ein Drehmoment an der Turbinenradwelle zu wandeln und das Hydraulikfluid nach innen und aus dem Turbinenrad heraus und dem Pumpenrad zuzuführen.
Um Drehmoment zu wandeln wird ein sogenanntes Leitrad benötigt, welches sich zwischen Pumpenrad und Turbinenrad befindet. Die Schaufeln des Leitrads sind derart ausgebildet, dass das Leitrad bei niedrigen Umdrehungsgeschwindigkeiten des Turbinenrads und den damit einhergehenden Anströmungswinkeln des Hydraulikfluids einen Drehimpuls erfährt, der gegensinnig zur Drehrichtung des Turbinenrad wirkt. Eine Drehung des Leitrads entgegengesetzt zum Drehsinn des Turbinenrads wird im Wandlerbereich des Drehmomentwandlers üblicherweise durch einen Freilauf verhindert, der lediglich eine Drehung des Leitrads in Richtung der Drehung des Turbinenrads zulässt. Somit kommt es zu einer Aufstauung des vom Turbinenrad weg strömenden Hydraulikfluids vor dem Leitrad, was wiederum eine Vergrößerung des Drehmoments am Turbinenrad bewirkt. Die Drehmomentverstärkung ist am größten, wenn der Drehzahlunterschied zwischen Pumpen- und Turbinenrad am größten ist. Der Drehzahlunterschied wird mit zunehmender Drehzahl des Fahrzeugmotors geringer. Ist schließlich eine annähernd gleiche Drehzahl zwischen Pumpen- und Turbinenrad erreicht, ändert sich der Anströmwinkel des Hydraulikfluidstroms auf das Leitrad, und das Leitrad beginnt sich, durch die Freilaufeinrichtung entsprechend in einen Freilauf geschaltet, gleichsinnig mit dem Pumpen- und dem Turbinenrad zu drehen. Ab diesem sogenannten Kupplungspunkt ab dem der Drehmomentwandler in den Betriebszustand seines Kupplungsbereichs versetzt wird, findet keine Verstärkung des Drehmoments mehr statt, aber durch das Mitdrehen des Leitrads wird das am Pumpenrad anliegende Drehmoment auch bei steigender Drehzahlen nicht abgeschwächt.
Die Freilaufeinrichtung hat die Funktion, eine Drehung des Leitrades in einer Freilaufrichtung, insbesondere während sich der Drehmomentwandler in seinem Wandlerbetrieb befindet, zu ermöglichen und eine Drehung des Leitrads entgegen der Freilaufrichtung, insbesondere während sich der Drehmomentwandler in seinem Kupplungsbereich befindet, zu sperren.
Durch die hydraulische Kraftübertragung entsteht im Drehmomentwandler ein Schlupf. Das bedeutet, dass die Drehzahl des motorseitigen Pumpenrades höher ist, als die des getriebeseitigen Turbinenrades. Um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen kann eine Wandlerüberbrückungskupplung (WÜK) im Drehmomentwandler vorgesehen sein, welche das Pumpenrad und Turbinenrad unter bestimmten Lastzuständen miteinander kraft- und/oder formschlüssig verbindet, so dass diese als miteinander gekuppelter Block umlaufen und die Übermittlung der Energie nicht weiter über den Hydraulikfluidstrom vollzogen wird und in der Folge der Drehmomentwandler in einem solchen Betriebszustand praktisch schlupffrei das Drehmoment des motorseitigen Pumpenrads auf das getriebeseitige Turbinenrad überträgt.
Es kann bevorzugt sein, den Drehmomentenwandler mit einem Drehschwingungstilger, wie einem Fliehkraftpendel, auszurüsten. Ein Fliehkraftpendel ist dazu eingerichtet, Drehungleichförmigkeiten bzw. Torsionsschwingungen in einem Antriebsstrang zu tilgen
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Kupplung mit einem Planetenradträger des Planetengetriebes derart zusammenwirkt, dass durch Aktuierung der ersten Kupplung eine Rotation des Planetenradträgers verhindert oder ermöglicht ist.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die zweite Kupplung mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes derart zusammenwirkt, dass durch Aktuierung der zweiten Kupplung eine Rotation des Sonnenrads verhindert oder ermöglicht ist.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die erste Kupplung im Momentenfluss zwischen einem drehfesten Getriebegehäuse und dem Planetenradträger angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die zweite Kupplung im Momentenfluss zwischen einer mit dem Ausgang des Drehmomentenwandlers gekoppelten Wandlerausgangswelle und dem Sonnenrad angeordnet ist.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Rotor der elektrischen Maschine mittels einer aktuierbaren dritten Kupplung mit der Wandlerausgangswelle koppelbar oder von dieser entkoppelbar ist, so dass der Drehmomentenwandler aus dem Momentenfluss zwischen der elektrischen Maschine und dem Fahrzeugrad entkoppelbar ist.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Kupplung im Momentenfluss zwischen dem Sonnenrad und einer Ausgangswelle des Planetengetriebes angeordnet ist.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Drehmomentwandler eine Fliehkraftkupplung aufweist, mittels derer der Drehmomentenwandler aus dem Momentenfluss zwischen der elektrischen Maschine und dem Fahrzeugrad entkoppelbar ist.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass im Momentenfluss zwischen dem Planetengetriebe und dem Fahrzeugrad ein zweites Planetengetriebe angeordnet ist.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass das Planetengetriebe radial innerhalb einer als Radialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine positioniert ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:

1 eine erste Ausführungsform eines Achsantriebsstrang in einem ersten Betriebszustand in einer schematischen Axialschnittansicht,
2 eine erste Ausführungsform eines Achsantriebsstrang in einem zweiten Betriebszustand in einer schematischen Axialschnittansicht,
3 eine erste Ausführungsform eines Achsantriebsstrang in einem dritten Betriebszustand in einer schematischen Axialschnittansicht,
4 eine erste Ausführungsform eines Achsantriebsstrang in einem vierten Betriebszustand in einer schematischen Axialschnittansicht,
5 eine zweite Ausführungsform eines Achsantriebsstrang in einer schematischen Axialschnittansicht,
6 eine dritte Ausführungsform eines in einer schematischen Axialschnittansicht.

Die 1 zeigt einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang 1 eines Kraftfahrzeugs 2 mit einer elektrischen Maschine 3 deren Rotor 4 drehmomentübertragend mit dem Eingang 5 eines öldurchströmten Drehmomentenwandlers 6 gekoppelt ist, während ein Ausgang 7 des Drehmomentenwandlers 6 drehmomentübertragend mit einer Getriebeanordnung 8 des Achsantriebsstrangs 1 verbunden ist.
Die Getriebeanordnung 8 umfasst ein Planetengetriebe 9, welches wenigstens zwei aktuierbare Kupplungen 10,11 aufweist, mit denen das Planetengetriebe 9 in einen ersten Betriebszustand versetzbar ist, bei dem an einem mit einem Fahrzeugrad 12 des Kraftfahrzeugs 2 gekoppelten Getriebeausgang 13 ein Drehmoment mit einer ersten Drehrichtung anliegt. Das Planetengetriebe 9 ist mittels der aktuierbaren Kupplungen 11,12 ferner in einen zweiten Betriebszustand versetzbar, bei dem an dem mit einem Fahrzeugrad 12 des Kraftfahrzeugs 2 gekoppelten Getriebeausgang 13 ein Drehmoment mit einer zweiten Drehrichtung anliegt.
Im Momentenfluss zwischen dem Planetengetriebe 9 und dem Fahrzeugrad 12 ein ist ein zweites Planetengetriebe 20 angeordnet, welches gelegentlich auch als „Final Drive“ bezeichnet wird. Das Planetengetriebe 9 ist radial innerhalb einer als Radialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine 3 positioniert.
Die erste Kupplung 10 wirkt mit einem Planetenradträger 14 des Planetengetriebes 9 derart zusammen, dass durch Aktuierung der ersten Kupplung 10 eine Rotation des Planetenradträgers 14 verhindert oder ermöglicht ist. Die zweite Kupplung 11 wirkt mit einem Sonnenrad 15 des Planetengetriebes 9 derart zusammen, dass durch Aktuierung der zweiten Kupplung 11 eine Rotation des Sonnenrads 15 verhindert oder ermöglicht ist. Die erste Kupplung 10 ist dabei im Momentenfluss zwischen einem drehfesten Getriebegehäuse 16 und dem Planetenradträger 14 angeordnet ist, während die zweite Kupplung 11 im Momentenfluss zwischen einer mit dem Ausgang 7 des Drehmomentenwandlers 6 gekoppelten Wandlerausgangswelle 17 und dem Sonnenrad 15 angeordnet ist.
Die gesamte Getriebeeinheit besteht somit aus dem Drehmomentwandler 6 und dem Getriebegehäuse 16 in welchem die als schaltbares Planetengetriebe 9 ausgebildete Reversiereinheit im Kraftfluss zwischen Drehmomentwandler 6 und Fahrzeugrad 12 integriert wird. Je nach Ausführung ist hierbei die Drehzahlwandlung zwischen „Vorwärts-“ und „Rückwärtsbetrieb“ möglichst gering zu halten. Dies gilt insbesondere, wenn eine Wandlerüberbrückungskupplung 18, wie es in der 4 gezeigt ist, statt im Drehmomentwandler 6 in das Planetengetriebe 9 verlegt werden soll. Dann wird der Planetensatz bevorzugt so angeordnet, dass die Aktuierung der Klauenkupplungen 10,11 des Planetengetriebes 9 als auch die Wandlerüberbrückungskupplung 18 von der gleichen Seite aus angesteuert werden können. In diesem Fall ist ein Drehzahlabweichung von kleiner 40%, insbesondere kleiner 20 % zwischen vorwärts und rückwärts erstrebenswert, d.h. (in Relation zu Hohlrad und Sonne) möglichst kleine Planetenräder. Eine größere Drehzahlabweichung ist möglich, muss jedoch durch die Drehmomentenüberhöhung des Drehmomentenwandlers 6 in der ungünstigeren Fahrtrichtung kompensiert werden.
In einem anderen Fall, wenn die Wandlerüberbrückungskupplung 18 im Drehmomentenwandler 6 verbleiben soll oder ggfs. durch eine drehzahlselektive Fliehkraftkupplung 20 ersetzt wird, was in der 6 gezeigt ist, kann der Planetensatz des Planetengetriebes 9 auch herumgedreht werden, so dass im Reversierfall eine Untersetzung erreicht werden kann. Da die Reversiereinheit im Kraftfluss direkt nach dem mit E-Maschinendrehzahl schnell drehenden Drehmomentenwandler 6 angeordnet ist, sind die Drehzahlen hoch und die Momente gering, d.h. es kann mit kleinen / leichten / axial schmalen Zahnrädern gearbeitet werden was ebenfalls die Kosten senkt.
Bei der Reversiereinheit ist der Planetenradträger 14 schaltbar. Im Betriebsmodus „Vorwärtsfahrt“ und „Segeln“ ist dieser frei drehend, in den beiden anderen Betriebsmodi „Rückwärtsfahrt“ und „Parksperre“ ist dieser fest mit dem Getriebegehäuse 16 verbunden. Auch das Sonnenrad 15 ist schaltbar. Diese ist beim „Rückwärtsfahrt“ und „Segeln“ frei, in den Zuständen „Vorwärtsfahrt“ und „Parksperre“ mit dem immer eingangsseitig drehenden Hohlrad 27 verbunden. In letzterem Zustand wird der Planetensatz verblockt und dreht als Einheit ohne Übersetzung mit.
Die 1 zeigt den Achsantriebsstrang in seiner Betriebsstellung „Vorwärtsfahrt“. Die Betriebsstellung „Rückwärtsfahrt“ ist in der 2 gezeigt. 3 zeigt die Betriebsstellung „Segeln“, bei der das Fahrzeugrad 12 von dem Planetengetriebe 9 abgekoppelt ist. 4 zeigt schließlich die Betriebsstellung „Parksperre“, bei denen die mit dem Fahrzeugrad 12 gekoppelten rotierbaren Wellen durch die eingekuppelten Kupplungen 10,11 gesperrt sind.
Werden wie bevorzugt vorgeschlagen Klauenkupplungen als Kupplungen 10,11 verwendet, haben diese den (neben dem Kostenvorteil) Vorteil, dass diese den letztgeschalteten Zustand halten, d.h. „normaly stay“ sind und keine Haltekräfte durch die Aktuierungseinheit der Kupplungen 10,11 benötigen. Dies ist besonders vorteilhaft bei abgestelltem / geparktem Fahrzeug 2 sowie Start / Stopp Situationen. Die Klauenkupplung kann ggfs. auch über eine Synchronisationseinreichtung verfügen. so dass der Wechsel der Betriebsmodi auch unter geringer Last / Restdrehzahl erfolgen kann. Andernfalls kann die Synchronsierung über die elektrische Maschine erfolgen. In einem gewöhnlicheren und kostenseitig weniger vorteilhaften Fall könnten auch lastschaltfähige Lamellenkupplungen eingesetzt werden).
Die Aktuierung kann bevorzugt aus dem Drehmomentenwandler 6 mit dem vorhandenen hydraulischen Wandlerdrücken bewerkstelligt werden. Hierfür kann sowohl der Wandlerdruck als auch der Wandlerüberbrückungsdruck genutzt werden.
Die Kupplungen 10,11 können z.B. als federvorgespannte Kolben 21,22 mit Klaue ausgeführt werden, die erst ab oder bis zu einem gewissen Druck schalten und danach auf oder zu gehen. Auch zwei vorgespannten Federn 23,24 und ggfs. ein einseitig definierter Freigang wären möglich, um komplexere Schaltfolgen abzudecken. Aus Gründen der Vereinfachung sind in den Prinzipskizzen jedoch nur normal einseitig vorgespannten Federn 23,24 dargestellt. Zusätzlich kann dieses Prinzip auch um eine ins Planetengetriebe 9 integrierte Wandlerüberbrückungskupplung 18 erweitert werden, welche die wandlerinterene Überbrückungskupplung ersetzt und sowohl Vorteile beim Packaging als auch bei den Wandlerlasten hat, da die Abstützung der Kupplungsschließkräfte in der unter Drehzahl hochbelasteten Wandlerhülle entfällt. In diesem Fall hat der Drehmomentwandler 6 zwei Wellendurchbrüche für die Wandlerausgangswelle 17 und Leitradstutzen, jeweils auf der gegenüberliegenden Seite, wie es in der 6 skizziert ist.
Wie die 4 zeigt, kann der Rotor 4 der elektrischen Maschine 3 mittels einer aktuierbaren dritten Kupplung 18 mit der Wandlerausgangswelle 17 koppelbar oder von dieser entkoppelbar sein, so dass der Drehmomentenwandler 6 aus dem Momentenfluss zwischen der elektrischen Maschine 3 und dem Fahrzeugrad 12 entkoppelbar ist. Alternativ kann es auch möglich sein, dass der Drehmomentwandler 6 eine Fliehkraftkupplung 20 aufweist, mittels derer der Drehmomentenwandler 6 aus dem Momentenfluss zwischen der elektrischen Maschine 3 und dem Fahrzeugrad 12 entkoppelbar ist, so wie es exemplarisch in der 6 gezeigt ist.
5-6 zeigen Ausführungsformen, bei denen die zweite Kupplung 11 im Momentenfluss zwischen dem Sonnenrad 15 und einer Ausgangswelle 19 des Planetengetriebes 9 angeordnet ist.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Achsantriebsstrang
2: Kraftfahrzeug
3: elektrische Maschine
4: Rotor
5: Eingang
6: Drehmomentenwandler
7: Ausgang
8: Getriebeanordnung
9: Planetengetriebe
10: Kupplung
11: Kupplung
12: Fahrzeugrad
13: Getriebeausgang
14: Planetenradträger
15: Sonnenrad
16: Getriebegehäuse
17: Wandlerausgangswelle
18: Kupplung
19: Ausgangswelle
20: Fliehkraftkupplung
21: Kupplungskolben
22: Kupplungskolben
23: Federelement
24: Federelement
25: Planetenräder
26: Planetengetriebe
27: Hohlrad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010048837 A1 [0004]
DE 102016216802 A1 [0005]

Claims

Elektrisch betreibbarer Achsantriebsstrang (1) eines Kraftfahrzeugs (2) mit einer elektrischen Maschine (3) deren Rotor (4) drehmomentübertragend mit dem Eingang (5) eines öldurchströmten Drehmomentenwandlers (6) gekoppelt ist, während ein Ausgang (7) des Drehmomentenwandlers (6) drehmomentübertragend mit einer Getriebeanordnung (8) des Achsantriebsstrangs (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeanordnung (8) ein Planetengetriebe (9) umfasst, welches wenigstens zwei aktuierbare Kupplungen (10,11) aufweist, mit denen das Planetengetriebe (9) in einen ersten Betriebszustand versetzbar ist, bei dem an einem mit einem Fahrzeugrad (12) des Kraftfahrzeugs (2) gekoppelten Getriebeausgang (13) ein Drehmoment mit einer ersten Drehrichtung anliegt und das Planetengetriebe (9) in einen zweiten Betriebszustand versetzbar ist, bei dem an dem mit einem Fahrzeugrad (12) des Kraftfahrzeugs (2) gekoppelten Getriebeausgang (13) ein Drehmoment mit einer zweiten Drehrichtung anliegt.
Achsantriebsstrang (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplung (10) mit einem Planetenradträger (14) des Planetengetriebes (9) derart zusammenwirkt, dass durch Aktuierung der ersten Kupplung (10) eine Rotation des Planetenradträgers (14) verhindert oder ermöglicht ist.
Achsantriebsstrang (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kupplung (11) mit einem Sonnenrad (15) des Planetengetriebes (9) derart zusammenwirkt, dass durch Aktuierung der zweiten Kupplung (11) eine Rotation des Sonnenrads (15) verhindert oder ermöglicht ist.
Achsantriebsstrang (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplung (10) im Momentenfluss zwischen einem drehfesten Getriebegehäuse (16) und dem Planetenradträger (14) angeordnet ist.
Achsantriebsstrang (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kupplung (11) im Momentenfluss zwischen einer mit dem Ausgang (7) des Drehmomentenwandlers (6) gekoppelten Wandlerausgangswelle (17) und dem Sonnenrad (15) angeordnet ist.
Achsantriebsstrang (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) der elektrischen Maschine (3) mittels einer aktuierbaren dritten Kupplung (18) mit der Wandlerausgangswelle (17) koppelbar oder von dieser entkoppelbar ist, so dass der Drehmomentenwandler (6) aus dem Momentenfluss zwischen der elektrischen Maschine (3) und dem Fahrzeugrad (12) entkoppelbar ist.
Achsantriebsstrang (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kupplung (11) im Momentenfluss zwischen dem Sonnenrad (15) und einer Ausgangswelle (19) des Planetengetriebes (9) angeordnet ist.
Achsantriebsstrang (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentwandler (6) eine Fliehkraftkupplung (20) aufweist, mittels derer der Drehmomentenwandler (6) aus dem Momentenfluss zwischen der elektrischen Maschine (3) und dem Fahrzeugrad (12) entkoppelbar ist.
Achsantriebsstrang (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Momentenfluss zwischen dem Planetengetriebe (9) und dem Fahrzeugrad (12) ein zweites Planetengetriebe (26) angeordnet ist.
Achsantriebsstrang (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (9) radial innerhalb einer als Radialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine (3) positioniert ist.