DE102021200355A1

DE102021200355A1 - Getriebe und Antriebsvorrichtung für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102021200355A1
Application number: DE102021200355.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Ziemer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2022-07-21
Also published as: US11597274B2; US20220227225A1; CN114763061A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebe (2) für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1), umfassend mindestens eine erste elektrische Maschine (3a) und eine zweite elektrische Maschine (3b), die in eine erste Drehrichtung (R1) und in eine zweite Drehrichtung (R2) drehantreibbar sind und zumindest mittelbar mit wenigstens einer Abtriebswelle (4) antriebswirksam verbunden sind, wobei eine Antriebsleistung der wenigstens einen ersten elektrischen Maschine (3a) in die erste Drehrichtung (R1) über eine erste Freilaufkupplung (5a) mit einer ersten Übersetzung und in die zweite Drehrichtung (R2) über eine zweite Freilaufkupplung (5b) mit einer zweiten Übersetzung zumindest mittelbar auf die jeweilige Abtriebswelle (4) übertragbar ist, um die jeweilige Abtriebswelle (4) in eine dritte Drehrichtung (R3) anzutreiben, und wobei im Leistungsfluss zwischen der ersten oder zweiten Freilaufkupplung (5a, 5b) und der jeweiligen Abtriebswelle (4) mindestens eine erste Übersetzungsstufe (17) zur Drehrichtungsumkehr der jeweiligen Abtriebswelle (4) in die dritte Drehrichtung (R3) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung (13) für ein solches Fahrzeug (1) sowie ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) mit einer Antriebsvorrichtung (13) oder einem Getriebe (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung für ein solches Fahrzeug sowie ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer solchen Antriebsvorrichtung oder einem solchen Getriebe.
Aus der DE 10 2015 002 405 A1 geht ein Fahrzeug mit zumindest zwei Elektromotoren und einer Steuereinrichtung hervor, wobei die Elektromotoren, welche zumindest eine Welle antreiben. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, eine an der zumindest einen Welle bereitzustellende Leistung auf die zumindest zwei Elektromotoren in Abhängigkeit von der bereitzustellenden Leistung zu verteilen. Der jeweilige Elektromotor ist beispielsweise mit einem Getriebe verbunden, wobei die Elektromotoren und die Getriebe zu einem Antriebsstrang zusammengefasst sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches und effizientes Getriebe sowie eine Antriebsvorrichtung für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Getriebe für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst mindestens eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine, die in eine erste Drehrichtung und in eine zweite Drehrichtung drehantreibbar sind und zumindest mittelbar mit wenigstens einer Abtriebswelle antriebswirksam verbunden sind, wobei eine Antriebsleistung der wenigstens einen ersten elektrischen Maschine in die erste Drehrichtung über eine erste Freilaufkupplung mit einer ersten Übersetzung und in die zweite Drehrichtung über eine zweite Freilaufkupplung mit einer zweiten Übersetzung zumindest mittelbar auf die jeweilige Abtriebswelle übertragbar ist, um die jeweilige Abtriebswelle in eine dritte Drehrichtung anzutreiben, und wobei im Leistungsfluss zwischen der ersten oder zweiten Freilaufkupplung und der jeweiligen Abtriebswelle mindestens eine erste Übersetzungsstufe zur Drehrichtungsumkehr der jeweiligen Abtriebswelle in die dritte Drehrichtung angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das Getriebe als Multimotortopologie ausgebildet, bei der alle elektrischen Maschinen mit der jeweiligen Abtriebswelle mechanisch verbindbar oder verbunden sind, wobei die elektrischen Maschinen je nach Betriebssituation und/oder Betriebsstrategie des Fahrzeugs und je nach Drehrichtung der wenigstens ersten elektrischen Maschine einzeln oder in Kombination eine Antriebsleistung mit einer bestimmten Übersetzung auf die jeweilige Abtriebswelle übertragen können. Durch Aufteilung auf mehrere elektrische Maschinen erhöht sich je nach Betriebspunkt des Fahrzeugs der Teillastfaktor an der jeweiligen antreibenden elektrischen Maschine, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes als Gesamtsystem optimiert wird.
Die elektrischen Maschinen sind vorzugsweise mit einem jeweiligen oder mit einem gemeinsamen Akkumulator verbunden, der die elektrischen Maschinen mit elektrischer Energie versorgt. Ferner sind die elektrischen Maschinen bevorzugt von einer Leistungselektronik steuer- bzw. regelbar. Die elektrischen Maschinen weisen jeweils einen gehäusefesten Stator und einen drehbar dazu angeordneten Rotor mit einer Rotorwelle auf, wobei die jeweilige Rotorwelle ein- oder mehrteilig mit einer Eingangswelle verbunden ist, welche insbesondere im Fall der ersten elektrischen Maschine je nach Drehrichtung der Rotorwelle über die erste oder zweite Freilaufkupplung eine Antriebsleistung mit einer ersten oder zweiten Übersetzung zumindest mittelbar auf die jeweilige Abtriebswelle überträgt. Dabei ist entweder die erste Übersetzung höher als die zweite Übersetzung oder umgekehrt.
In diesem Zusammenhang ist unter dem Begriff „zumindest mittelbar“ zu verstehen, dass zwei Bauteile über mindestens ein weiteres Bauteil, das zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist, miteinander (wirk-)verbunden sind oder direkt und somit unmittelbar miteinander verbunden sind. Mithin können zwischen der jeweiligen Freilaufkupplung und einer Übersetzungsstufe oder der Abtriebswelle noch weitere Bauteile angeordnet sein, die mit dem Freilauf bzw. der Übersetzungsstufe bzw. der Abtriebswelle wirkverbunden sind.
Jede elektrische Maschine weist je nach Bauart ein separates Wirkungsgradkennfeld auf, wobei für jeden Betriebspunkt der jeweiligen elektrischen Maschine ein jeweiliger Wirkungsgrad vorliegt. Wenn mehrere oder alle elektrische Maschinen gemeinsam zum Antrieb des Fahrzeugs beitragen bzw. ein Drehmoment an den Abtrieb übertragen, liegt ferner wenigstens ein weiteres Wirkungsgradkennfeld vor, das einen jeweiligen Wirkungsgrad der Getriebeanordnung zu jedem beliebigen Betriebspunkt des Fahrzeugs angibt. Bei unterschiedlich ausgebildeten elektrischen Maschinen kann dies, je nach Kombination der elektrischen Maschinen miteinander, jeweils zu unterschiedlichen Wirkungsgradkennfeldern und entsprechenden Wirkungsgraden für den jeweiligen Betriebspunkt führen. Durch geeignete Schaltung bzw. Deaktivierung oder Aktivierung einer oder mehrerer elektrischer Maschinen kann dadurch je nach Betriebspunkt ein wirkungsgradoptimaler Antrieb des Fahrzeugs ermöglicht werden. Die Steuerung und Regelung der elektrischen Maschinen erfolgt mittels einer Leistungselektronik, die dazu ferner auf Motorkenndaten bzw. Motorkennfelder und weitere Verlustdaten zurückgreifen kann.
Vorzugsweise sind die elektrischen Maschinen in einem gemeinsamen Getriebegehäuse angeordnet. Durch die Anordnung mehrerer elektrischer Maschinen in einem gemeinsamen Hauptgehäuse können die elektrischen Maschinen vergleichsweise klein, das heißt mit kleinem Durchmesser ausgebildet sein, sodass in der Folge eine höhere Maschinendrehzahl bzw. eine Rotorumfangsgeschwindigkeit der jeweiligen elektrischen Maschine realisierbar ist. Je größer die Anzahl der elektrischen Maschinen in der Getriebeanordnung, desto besser kann zudem ein Drehmomentverlust aufgrund des vergleichsweise geringeren Maschinendurchmessers kompensiert werden. Die elektrischen Maschinen können dabei identisch, das heißt in gleicher Größe, Leistung, Bauart und/oder mit gleichem Verlustkennfeld ausgebildet sein. Alternativ ist denkbar, dass die elektrischen Maschinen je nach Anforderung an die Getriebeanordnung unterschiedliche Leistungen, erforderliche Bauraumvolumen, Bauarten und/oder Verlustkennfelder aufweisen. Die elektrischen Maschinen können insbesondere eine Leistung zwischen 1 Kilowatt (kW) und 36 kW aufweisen. Auch eine höhere Leistung ist je nach Anwendungsfall, Anforderung und/oder Größe des Fahrzeugs möglich. Durch eine geeignete Kombination von elektrischen Maschinen mit unterschiedlichen Leistungen kann ein breites Spektrum von Betriebszuständen abgedeckt werden, bei denen die jeweilige elektrische Maschine oder, wenn mehrere elektrische Maschinen miteinander kombiniert werden, die elektrischen Maschinen jeweils mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad betrieben werden.
Zum Antrieb des Fahrzeugs in eine Vorwärtsfahrtrichtung wird wengistens die erste elektrische Maschine bzw. die erste Rotorwelle der ersten elektrischen Maschine in die erste Drehrichtung angetrieben, wobei bei einer Rotation der jeweiligen Eingangswelle in die erste Drehrichtung die erste Freilaufkupplung derart ausgebildet ist, dass ein Drehmoment von der ersten Rotorwelle über die erste Freilaufkupplung zumindest mittelbar auf die jeweilige Abtriebswelle übertragen wird, sodass die jeweilige Abtriebswelle in eine Drehbewegung, und zwar in die dritte Drehrichtung versetzt wird. Dazu ist im Leistungsfluss hinter der ersten Freilaufkupplung vorzugsweise die mindestens eine erste Übersetzungsstufe ausgebildet, die das von der ersten elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment mit einer ersten Übersetzung zumindest mittelbar an die jeweilige Abtriebswelle weiterleitet.
Bei einer Drehrichtungsumkehr der Rotorwelle in eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung wird die erste Freilaufkupplung selbsttätig gelöst, wobei kein Drehmoment über die erste Freilaufkupplung auf die jeweilige Abtriebswelle übertragen wird. Stattdessen ist bei einer Rotation der jeweiligen Rotorwelle in die zweite Drehrichtung die zweite Freilaufkupplung derart ausgebildet, dass ein Drehmoment von der Rotorwelle über die zweite Freilaufkupplung zumindest mittelbar auf die jeweilige Abtriebswelle übertragen wird, sodass die jeweilige Abtriebswelle in eine Drehbewegung versetzt wird. Dazu ist im Leistungsfluss hinter der zweiten Freilaufkupplung vorzugsweise mindestens eine zweite Übersetzungsstufe mit einer zweiten Übersetzung ausgebildet, die das von der ersten elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment mit einer zweiten Übersetzung an die jeweilige Abtriebswelle weiterleitet. Somit ist die mindestens eine erste elektrische Maschine je nach Drehrichtung der Rotorwelle zwischen der ersten und zweiten Übersetzung schaltbar.
Die jeweilige Freilaufkupplung kann zwei relativ zueinander verdrehbare Bauteile, insbesondere Ringe mit dazwischen angeordneten Sperrelementen sein, wobei das erste Bauteil drehfest mit der Rotorwelle und das zweite Bauteil bevorzugt drehfest mit einem Zahnrad der jeweiligen ersten Übersetzungsstufe verbunden sind. Die Sperrelemente sind ferner dazu ausgebildet, bei einer Rotation der Rotorwelle in die erste bzw. zweite Drehrichtung die Rotorwelle mit der jeweiligen Übersetzungsstufe antriebswirksam zu koppeln. Die Freilaufkupplungen können beliebig ausgebildet werden, insbesondere als Rollen-Freilaufkupplung oder als Klemmkörper-Freilaufkupplung. Durch Verwendung von Freilaufkupplungen kann auf aktiv zu betätigende Schaltelemente verzichtet werden. Dadurch wird ein einfaches und kostengünstiges Getriebe bereitgestellt.
Damit die jeweilige Abtriebswelle unabhängig von der Drehrichtung der Rotorwelle der ersten elektrischen Maschine stets in die dritte Drehrichtung, die vorzugsweise einer Vorwärtsfahrrichtung entspricht, rotiert, ist wenigstens eine der ersten oder zweiten Freilaufkupplung nachgelagerte Übersetzungsstufe derart ausgebildet, dass eine Drehrichtungsumkehr der jeweiligen Abtriebswelle erfolgt. Mithin sind die Freilaufkupplungen jeweils eine nur in eine Drehrichtung wirkende Kupplung bzw. Rücklaufsperre.
In diesem Sinn ist die mindestens eine erste Übersetzungsstufe mit der ersten Übersetzung vorzugsweise im Leistungsfluss hinter der ersten Freilaufkupplung angeordnet ist, wobei im Leistungsfluss hinter der zweiten Freilaufkupplung mindestens eine zweite Übersetzungsstufe mit einer zweiten Übersetzung angeordnet ist.
Bevorzugt ist die mindestens eine erste Übersetzungsstufe antriebswirksam mit der mindestens einen zweiten Übersetzungsstufe antriebswirksam verbunden, wobei die mindestens eine zweite Übersetzungsstufe im Leistungsfluss hinter der mindestens einen ersten Übersetzungsstufe angeordnet ist. Somit durchläuft eine Antriebsleistung, die über die erste Freilaufkupplung übertragen wird, sowohl die erste als auch die zweite Übersetzungsstufe, wobei mittels der ersten Übersetzungsstufe eine Drehrichtungsumkehr erfolgt. Demgegenüber wird die Antriebsleistung, die über die zweite Freilaufkupplung übertragen wird, direkt in die zweite Übersetzungsstufe eingeleitet, welche wiederum zumindest mittelbar mit der jeweiligen Abtriebswelle wirkverbunden ist.
Die mindestens eine zweite elektrische Maschine ist ebenfalls zumindest mittelbar mit der jeweiligen Abtriebswelle wirkverbunden. Die mindestens eine zweite elektrische Maschine kann dazu beispielsweise ein- oder mehrstufig ausgebildet sein und kann sowohl in der ersten Drehrichtung als auch in der zweiten Drehrichtung ein positives bzw. negatives Drehmoment übertragen. Vorzugsweise ist die mindestens eine zweite elektrische Maschine ebenfalls, also zusammen mit der mindestens einen ersten elektrischen Maschine, mit der mindestens einen zweiten Übersetzungsstufe antriebswirksam verbunden. Dadurch erfolgt an der mindestens einen zweiten Übersetzungsstufe eine Antriebsleistungssummation. Des Weiteren ist denkbar, je nach Ausgestaltung der jeweiligen zweiten elektrischen Maschine weitere Übersetzungsstufen zwischen der jeweiligen zweiten elektrischen Maschine und der mindestens einen zweiten Übersetzungsstufe anzuordnen.
Insbesondere dann, wenn das Fahrzeug in einem Fahrzyklus bzw. in einem Betriebspunkt mit geringen Lastanforderungen angetrieben wird, kann es aufgrund des Wirkungsgradkennfelds der jeweiligen elektrischen Maschine sein, dass bei mehreren aktuell auf den Abtrieb einwirkenden elektrischen Maschinen ein ungünstiger Gesamtwirkungsgrad am jeweiligen Betriebspunkt vorliegt. Um dem entgegenzuwirken, kann beispielsweise die zweite elektrische Maschine abgeschaltet oder lastfrei geschaltet werden, sodass nur die erste elektrische Maschine eine Antriebsleistung an die jeweilige Abtriebswelle überträgt. Unter einer lastfreien Schaltung der jeweiligen elektrischen Maschine ist eine Nullmomentregelung zu verstehen, bei der die Rotorwelle mit der Betriebsdrehzahl mitgedreht wird, ohne ein positives oder negatives Drehmoment auf den Abtrieb zu übertragen. Alternativ ist denkbar, zwischen der zweiten elektrischen Maschine und der jeweiligen Abtriebswelle eine Kupplung vorzusehen, um eine Entkopplung vom Abtrieb vorzunehmen.
Bevorzugt ist die mindestens eine erste Übersetzungsstufe als Planetengetriebe mit zumindest einem Planetenradsatz ausgebildet. Demnach weist das Planetengetriebe ein Sonnenrad und ein Hohlrad auf, wobei räumlich zwischen dem Sonnen- und Hohlrad zumindest ein Planetenradsatz mit einer Mehrzahl von drehbar an einem Planetenträger gelagerten Planetenrädern angeordnet ist. Nach einem Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle bzw. die Eingangswelle der jeweiligen elektrischen Maschine drehfest mit dem Sonnenrad verbunden, wobei der Planetenträger fest mit dem Stator der jeweilige elektrischen Maschine verbunden ist. Das Hohlrad ist zumindest mittelbar mit der jeweiligen Abtriebswelle oder mit einem Zahnrad der jeweiligen Übersetzungsstufe verbunden, um ein Drehmoment und eine Drehzahl zumindest mittelbar auf die jeweilige Abtriebswelle bzw. auf die jeweilige Übersetzungsstufe zu übertragen.
Ferner bevorzugt ist im Leistungsfluss hinter der mindestens einen zweiten Übersetzungsstufe mindestens eine dritte Übersetzungsstufe angeordnet. Die mindestens eine dritte Übersetzungsstufe ist dabei vorzugsweise als Planetengetriebe mit zumindest einem Planetenradsatz ausgebildet. Mittels des Planetengetriebes kann insbesondere nach der Antriebsleistungssummation eine Übersetzung geändert werden, um je nach Größe und Anforderung an das Getriebe eine bestimmte Ausgangsdrehzahl sowie ein bestimmtes Ausgangsdrehmoment zu erreichen.
Das Getriebe ist beispielsweise in einer Radnabe eines Rades des Fahrzeugs angeordnet. Es ist also als Radnabenmotor ausgebildet, wobei eine derartige Anordnung der mindestens einen dritten Übersetzungsstufe bzw. des Planetengetriebes nach der mindestens einen zweiten Übersetzungsstufe vorteilhaft ist. Insbesondere ist eine von dem Planetengetriebe generierte Übersetzung von 3 oder mehr für den genannten Anwendungsfall von Vorteil.
Vorzugsweise sind wenigstens die erste und zweite elektrische Maschine zumindest mittelbar mit einem Differential antriebswirksam verbunden, wobei das Differential wenigstens mit zwei Abtriebswellen wirkverbunden ist. Über das Differential kann je nach Ausbildung des Getriebes, beispielsweise wenn jede elektrische Maschine des Getriebes über wenigstens eine eigene Übersetzungsstufe verfügt, eine Antriebsleistungssummation aller Antriebsleistungen der elektrischen Maschinen erfolgen, sodass die elektrischen Maschinen je nach Betriebspunkt und Fahrstrategie einzeln oder gemeinsam ein Drehmoment auf den Abtrieb übertragen.
Das Differential ist vorzugsweise koaxial zur Abtriebsachse bzw. auf der Abtriebsachse angeordnet und teilt eine Antriebsleistung bevorzugt zwei Abtriebswellen auf. Unter Abtriebswellen sind im Bezug auf das Differential Wellen zu verstehen, die jeweils zumindest mittelbar mit einem jeweiligen Rad des Fahrzeugs wirkverbunden sind, wobei auf die Abtriebswellen ein aus der Abtriebswelle des Getriebes kommendes Drehmoment sowie eine Drehzahl über das Differential übertragen wird. Mithin ist die erste Abtriebswelle des Getriebes zumindest mittelbar über das Differential mit einer zweiten und dritten Abtriebswelle wirkverbunden.
Nach einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens die erste elektrische Maschine als permanenterregter Elektromotor ausgebildet. Gegenüber Asynchronmotoren weisen permanenterregte Elektromotor einen höheren Wirkungsgrad auf. Des Weiteren erfolgt in einem abgeschalteten Zustand der ersten elektrischen Maschine wegen der im Überholtrieb befindlichen Freilaufkupplungen kein Schleppmomenteintrag, sodass Verluste reduziert werden. Vorzugsweise ist wenigstens die zweite elektrische Maschine als Asynchronmotor ausgebildet. Asynchronmotoren weisen gegenüber permanenterregten Elektromotoren niedrigere Schleppmomente auf, sodass Verlustleistungen minimiert werden.
Das Getriebe ist ferner bevorzugt derart ausgelegt, dass eine Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs unterstützt wird. Dazu wird die Wirkrichtung an der Rotorwelle der jeweiligen ersten elektrischen Maschine umgekehrt, indem zum einen an der jeweiligen zweiten elektrischen Maschine das Drehmoment umgekehrt wird. Des Weiteren sind mit der ersten Rotorwelle der jeweiligen ersten elektrischen Maschine eine dritte und vierte Freilaufkupplung wirksam verbunden, die beispielsweise über eine Axialbewegung durch eine schrägverzahnte Mitnahme, vorzugsweise an einem Stirn- oder Radsatztrieb in Wirkverbindung mit der jeweiligen ersten Rotorwelle bringbar sind. Die Übertragung der axialen Bewegung von einer Welle auf eine andere Welle kann beispielsweise durch gekoppelte Schaltgabeln oder eine Schaltwippe erfolgen. Neben der Rückwärtsfahrt wird dadurch eine Rekuperation mittels der jeweiligen ersten elektrischen Maschine ermöglicht. Mithin kann wenigstens die erste elektrische Maschine im Generatorbetrieb betrieben werden, sodass durch eine sogenannte Rekuperation elektrische Energie erzeugt wird, die im jeweiligen Akkumulator gespeichert wird.
Nach einem Ausführungsbeispiel umfasst das Getriebe drei elektrische Maschinen, die sowohl in eine erste Drehrichtung als auch in eine zweite Drehrichtung drehantreibbar sind und zumindest mittelbar mit wenigstens einer Abtriebswelle antriebswirksam verbunden sind, wobei eine Antriebsleistung der ersten und dritten elektrischen Maschine in die erste Drehrichtung über eine jeweilige erste Freilaufkupplung mit einer ersten Übersetzung und in die zweite Drehrichtung über eine jeweilige zweite Freilaufkupplung mit einer zweiten Übersetzung zumindest mittelbar auf die jeweilige Abtriebswelle übertragbar ist, um die jeweilige Abtriebswelle in eine dritte Drehrichtung anzutreiben, und wobei im Leistungsfluss zwischen der jeweiligen ersten oder zweiten Freilaufkupplung und der jeweiligen Abtriebswelle mindestens eine erste Übersetzungsstufe zur Drehrichtungsumkehr der jeweiligen Abtriebswelle in die dritte Drehrichtung angeordnet ist.
Das Getriebe kann parallel oder quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnet sein, wobei insbesondere ein Quereinbau der Getriebeanordnung bzw. ein Quereinbau der elektrischen Maschinen im Fahrzeug im Gegensatz zu einer Reihenanordnung von elektrischen Maschinen, die entlang einer Abtriebsachse aufgereiht sind, der geringe erforderliche Bauraum vorteilhaft ist. Bei einer Längsanordnung des Getriebes, das heißt parallel zur Fahrzeuglängsachse, ist die jeweilige Abtriebswelle quer bzw. senkrecht zur jeweiligen Achse des Fahrzeugs angeordnet. Bei einer Queranordnung der Getriebeanordnung, das heißt quer zur Fahrzeuglängsachse, ist die jeweilige Abtriebswelle parallel, vorzugsweise koaxial zur Abtriebsachse angeordnet.
Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst zumindest ein Getriebe gemäß der vorher beschriebenen Art. Ein erfindungsgemäßes zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst wenigstens ein solches Getriebe gemäß der vorher beschriebenen Art. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Bus oder Lastkraftwagen (Bus und Lastkraftwagen z. B. mit einem Gewicht von über 3,5 t).
Vorzugsweise ist das jeweilige Getriebe mit einer angetriebenen Achse des Fahrzeugs antriebswirksam verbunden. Die jeweilige Abtriebswelle des Getriebes ist dabei parallel oder koaxial zur Abtriebsachse bzw. zur angetriebenen Achse des Fahrzeugs angeordnet. Insbesondere ist ein Achsdifferential vorgesehen, wobei die Abtriebswelle über das Differential mit wenigstens einer weiteren, vorzugsweise mit zwei weiteren Abtriebswellen verbunden ist. Die beiden weiteren Abtriebswellen sind zumindest mittelbar mit zumindest einem jeweiligen an der Achse angeordneten Rad des Fahrzeug verbunden und bildet somit die Abtriebsachse. Die Abtriebsachse verläuft bevorzugt mittig durch das Gehäuse des Getriebes, sodass die verschiedenen Bauteile des Getriebes, und zwar insbesondere die mindestens zwei elektrischen Maschinen um die Abtriebsachse herum und parallel zueinander angeordnet sind. Somit kann für jede Achse des Fahrzeugs, insbesondere für die Vorder- und Hinterachse ein derartiges Getriebe eingesetzt werden. Dadurch können getrennte Systeme für die linke und rechte Achshälfte bereitgestellt werden. Ferner kann ein ESP-System umgesetzt werden, mittels dessen Schlupfverluste minimiert werden können.
Alternativ ist das jeweilige Getriebe in einer Radnabe eines Rades des Fahrzeugs integriert. In diesem Fall weist das jeweilige Getriebe lediglich eine Abtriebswelle auf, die zumindest mittelbar mit einer Felge oder einem Reifen des jeweiligen Rades verbunden ist. Die Abtriebswelle kann dazu als Hohlwelle ausgebildet und drehbar auf einer Radnabe gelagert sein, wobei die Radnabe koaxial zur Abtriebswelle angeordnet ist und zumindest abschnittsweise durch die Abtriebswelle hindurchragt. Durch Ausbildung von Radnabenmotoren bzw. -antrieben können ebenfalls getrennte Systeme für die linke und rechte Fahrzeugseite und/oder für die Vorder- und Hinterachse des Fahrzeugs, insbesondere für jedes Rad individuell bereitgestellt werden, sodass insbesondere ein Allradsystem bereitgestellt wird. Dadurch kann ebenfalls ein ESP-System umgesetzt werden, um Schlupf zu minimieren. Des Weiteren ist ein sogenanntes Torque Vectoring möglich, bei dem jedes Rad einzeln mit einem positiven oder negativen Drehmoment beaufschlagt werden kann, sodass die Fahrsicherheit des Fahrzeugs erhöht wird. Zudem können Teillastzustände weiter optimiert werden, beispielsweise indem die Räder nur einer Achse angetrieben werden, während die Räder der jeweils anderen Achse lastfrei mitgedreht werden.
Außerdem werden geringe Zugkrafteinbrüche während Schaltvorgängen realisiert, und zwar indem die Schaltvorgänge der Radnabenmotoren bzw. der jeweiligen im Rad integrierten Getriebe nacheinander durchgeführt werden, sodass bei einem Schaltvorgang eines (Radnaben-)Getriebes mindestens ein anderes (Radnaben-)Getriebe, das nicht an der Umschaltung beteiligt ist, eine Antriebsleistung auf den Abtrieb überträgt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass Bauraum im Fahrzeug gewonnen wird, da das jeweilige Getriebe in den Innenraum des jeweiligen Rades integriert wird.
Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Getriebes gelten sinngemäß ebenfalls für die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung sowie für das erfindungsgemäße zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeug, und umgekehrt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt

1 eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemä-ßen Getriebe gemäß einer ersten Ausführungsform,
2a eine schematische Querschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Getriebes gemäß 1,
2b eine schematische Längsschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Getriebes gemäß 1 und 2a,
3a eine schematische Querschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Getriebes gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
3b eine schematische Längsschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Getriebes gemäß 3a.

1 zeigt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1 mit zwei Achsen 9a, 9b, wobei an einer der Achsen 9a eine Antriebsvorrichtung 13 ausgebildet ist. An den Enden der Achse 9a sind Räder 12 drehbar angeordnet, wobei innerhalb jedes Rades 12 der Achse 9a der Antriebsvorrichtung 13 ein Getriebe 2 angeordnet bzw. darin integriert ist, sodass jedes Rad 12 als sogenannter Radnabenmotor ausgebildet ist. Die Ausbildung des jeweiligen Getriebes 2 ist in 2a bis 3b anhand von zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. Vorliegend ist jedoch jeweils nur ein Rad 12 dargestellt. Das jeweils andere Rad 12 der Achse 9a ist identisch ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass alle Räder 12 des Fahrzeugs 1 ein darin integriertes Getriebes 2 aufweisen und/oder dass sich die Getriebe 2 der Räder 12 insbesondere in Leistungsfähigkeit unterscheiden.
Alternativ ist an einem oder allen Achsen 9a, 9b des Fahrzeugs 1 je nur ein Getriebe 2 angeordnet, wobei das jeweilige Getriebe 2 mit der dazugehörigen Achse 9a, 9b des Fahrzeugs 1 antriebswirksam verbunden ist, sodass die jeweilige Achse 9a, 9b eine angetriebene Achse ist. In diesem Fall ist das Getriebe 2 über ein - hier nicht gezeigtes - Differential mit der jeweiligen Achse 9a, 9b verbunden, und verbindet eine - in 2a bis 3b gezeigte - Abtriebswelle 4 des jeweiligen Getriebes 2 mit zwei weiteren Abtriebswellen, die wiederum zumindest mittelbar mit dem jeweiligen Rad 12 wirksam verbunden sind. Auch bei einer derartigen Anordnung des Getriebes 2 in der Antriebsvorrichtung 13 entspricht der Aufbau des Getriebes 2 im Wesentlichen den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
Die in 2a bis 3b gezeigten elektrischen Maschinen 3a, 3b sind mit einem - hier nicht dargestellten - Akkumulator elektrisch verbunden, welcher die elektrischen Maschinen 3a, 3b mit elektrischer Energie versorgt. Die Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Maschinen 3a, 3b erfolgt ferner mittels einer - hier ebenfalls nicht dargestellten - Leistungselektronik.
Nach dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2a und 2b umfasst das als Radnabenmotor ausgebildete Getriebe 2 eine erste elektrische Maschine 3a und eine zweite elektrische Maschine 3b, die jeweils einen ortsfesten Stator 6 und einen drehbar dazu angeordneten Rotor 7 umfassen. Der Rotor 7 der jeweiligen elektrischen Maschine 3a, 3b ist mit einer jeweiligen Rotorwelle 16a, 16b verbunden, die sowohl in eine erste Drehrichtung R1 als auch in einer entgegengesetzt dazu verlaufende zweite Drehrichtung R2 drehantreibbar ist. Die erste elektrische Maschine 3a ist vorliegend als permanenterregter Elektromotor ausgebildet und die zweite elektrische Maschine 3b ist als Asynchronmotor ausgebildet.
Die erste Rotorwelle 16a der ersten elektrischen Maschine 3a ist mit einer ersten und zweiten Freilaufkupplung 5a, 5b wirksam verbunden. Je nach Drehrichtung R1, R2 der jeweiligen Rotorwelle 16a, 16b ist eine Antriebsleistung der wenigstens einen ersten elektrischen Maschine 3a in die erste Drehrichtung R1 über die erste Freilaufkupplung 5a mit einer ersten Übersetzung und in die zweite Drehrichtung R2 über die zweite Freilaufkupplung 5b mit einer zweiten Übersetzung zumindest mittelbar auf eine jeweilige Abtriebswelle 4 übertragbar. Die jeweilige Übersetzung wird dadurch erreicht, dass im Leistungsfluss hinter den Freilaufkupplungen 5a, 5b jeweils wenigstens eine Übersetzungsstufe in der nachfolgend beschriebenen Weise angeordnet ist.
Nach 2b ist die erste Freilaufkupplung 5a derart ausgebildet, dass sie bei einer Rotation der ersten Rotorwelle 16a in die erste Drehrichtung R1 eine Antriebsleistung von der Rotorwelle 16a über die erste Freilaufkupplung 5a auf eine als Planetengetriebe ausgebildete erste Übersetzungsstufe 17 überträgt. Dabei wird eine erste Übersetzung bereitgestellt. Die erste Freilaufkupplung 5a ist aufseiten der ersten Übersetzungsstufe 17 zumindest mittelbar drehfest mit einem Sonnenrad 14 der ersten Übersetzungsstufe 17 verbunden, wobei die am Sonnenrad 14 wirkende Antriebsleistung über ein drehbar gelagertes Hohlrad 15 der ersten Übersetzungsstufe 17 auf eine erste Zwischenwelle 22 weitergeleitet wird. Dazu ist räumlich zwischen dem Sonnenrad 14 und dem Hohlrad 15 ein gehäusefester Planetenträger 20 mit mehreren drehbar am Planetenträger 20 gelagerten Planetenrädern 21 angeordnet, wobei die Planetenräder 21 mit dem Sonnenrad 14 und dem Hohlrad 15 in Zahneingriff stehen.
Die erste Zwischenwelle 22 ist somit drehfest mit dem Hohlrad 15 verbunden und ist zudem mit der zweiten Freilaufkupplung 5b wirkverbunden. Die zweite Freilaufkupplung 5b ist derart ausgebildet, dass sie bei einer Rotation der ersten Rotorwelle 16a in die erste Drehrichtung R1 keine Antriebsleistung, das heißt kein Drehmoment und auch keine Drehzahl auf die erste Zwischenwelle 22 überträgt. Die erste Freilaufkupplung 5a ist hingegen derart ausgebildet, dass sie bei einer Drehung der ersten Rotorwelle 16a in die zweite Drehrichtung R2 keine Antriebsleistung auf die erste Zwischenwelle 22 überträgt. Im Gegensatz dazu überträgt die zweite Freilaufkupplung 5b bei einer Drehrichtungsumkehr der ersten Rotorwelle 16a in die zweite Drehrichtung R2 eine Antriebsleistung auf die erste Zwischenwelle 22. Dabei wird eine zweite Übersetzung bereitgestellt, die ungleich zu ersten Übersetzung ist, sodass allein mittels der ersten elektrischen Maschine 3a, 3b in Abhängigkeit der Drehrichtung R1, R2 dessen erster Rotorwelle 16a ein Antrieb des Fahrzeugs 1 mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen realisierbar ist.
Die erste Zwischenwelle 22 ist über ein drehfest damit verbundenes erstes Zahnrad 23 mit einer zweiten Übersetzungsstufe 18 antriebswirksam verbunden. Die zweite Übersetzungsstufe 18 umfasst eine erste Vorgelegewelle 24 mit einem drehfest damit verbundenen zweiten und dritten Zahnrad 25, 26. Das erste Zahnrad 23 steht mit dem zweiten Zahnrad 25 in Zahneingriff. Somit ist die zweite Übersetzungsstufe 18 im Leistungsfluss hinter der ersten Übersetzungsstufe 17 angeordnet. Die erste Vorgelegewelle 24 steht wiederum in Wirkverbindung mit einer dritten Übersetzung 19, umfassend eine zweite Vorgelegewelle 31 mit einem drehfest daran angeordneten vierten und fünften Zahnrad 27, 28. Das dritte Zahnrad 26 der zweiten Übersetzungsstufe 18 steht in Zahneingriff mit dem vierten Zahnrad 27 der dritten Übersetzung 19. Das fünfte Zahnrad 28 steht wiederum in Zahneingriff mit einem drehfest mit der Abtriebswelle 4 verbundenes sechstes Zahnrad 29. Somit ist die dritte Übersetzungsstufe 19 im Leistungsfluss hinter der zweiten Übersetzungsstufe 18 angeordnet.
Mittels der ersten Übersetzungsstufe 17 wird eine Drehrichtungsumkehr erreicht, sodass die Abtriebswelle 4 unabhängig von der Drehrichtung R1, R2 der ersten Rotorwelle 16a stets in die gleiche Drehrichtung rotiert, jedoch je nach Drehrichtung R1, R2 mit der ersten oder zweiten Übersetzung. Infolgedessen rotiert die Abtriebswelle 4 in einem der Vorwärtsfahrtrichtung entsprechenden Getriebebetrieb in eine der ersten Drehrichtung R1 entsprechende dritte Drehrichtung R3. Somit ist die erste elektrische Maschine 3a in Abhängigkeit der Drehrichtung R1, R2 der ersten Rotorwelle 16a in Vorwärtsfahrtrichtung entweder über die erste oder die zweite Freilaufkupplung 5a, 5b mittelbar mit der Abtriebswelle 4 antriebswirksam koppelbar. Die Abtriebswelle 4 ist wiederum drehfest mit einer Felge 32 des Rades 12 verbunden, um das Fahrzeug 1 in Vorwärtsfahrtrichtung anzutreiben.
Die zweite Rotorwelle 16b der zweiten elektrischen Maschine 3b ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer festen Übersetzung ausgebildet und drehfest mit einem siebten Zahnrad 30 verbunden, das ebenso wie das erste Zahnrad 23 der ersten Zwischenwelle 22 mit dem zweiten Zahnrad 25 der zweiten Übersetzungsstufe 18 in Zahneingriff steht. Mit anderen Worten erfolgt am zweiten Zahnrad 25 der ersten Vorgelegewelle 24 eine Antriebsleistungssummation, wenn beide elektrische Maschinen 3a, 3b ein in die gleiche Richtung wirkendes Drehmoment erzeugen bzw. wenn die zweite Rotorwelle 16b in die zweite Drehrichtung R2 rotiert.
Wird die zweite Rotorwelle 16b in die entgegengesetzte erste Drehrichtung R1 rotiert, ist eine Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs 1 einleitbar. Dazu ist die erste Rotorwelle 16a ferner mit einer dritten und vierten Freilaufkupplung 10a, 10b wirkverbunden. Mittels zweier gekoppelter Schaltgabeln 8 wird eine Axialbewegung durch eine - hier nicht näher gezeigte - schrägverzahnte Mitnahme an einem an der zweiten Rotorwelle 16b angeordneten Stirn- oder Radsatztrieb durchgeführt, welche die dritte und vierte Freilaufkupplung 10a, 10b mechanisch aktiviert und die erste und zweite Freilaufkupplung 5a, 5b mechanisch deaktiviert. Dadurch wird die Wirkungsrichtung an der ersten Rotorwelle 16a umgekehrt, sodass eine Unterstützung einer Rückwärtsfahrt durch die erste elektrische Maschine 3a zusätzlich zur zweiten elektrischen Maschine 3b möglich ist. Des Weiteren ist durch die mittels der dritten und vierten Freilaufkupplung 10a, 10b erfolgenden Wirkungsrichtungsumkehr in Abhängigkeit der Drehrichtung der Zwischenwelle 22 eine Rekuperation an der ersten elektrischen Maschine 3a möglich.
Vorliegend ist die erste Zwischenwelle 22 als Hohlwelle ausgebildet und koaxial zur ersten Rotorwelle 16a angeordnet, die durch die erste Zwischenwelle 22 hindurchgeführt ist. Die erste Vorgelegewelle 24 ist ebenfalls als Hohlwelle ausgebildet und koaxial zur Radnabe 11 bzw. zur Achse 9a angeordnet. Die Abtriebswelle 4 ist auch als Hohlwelle ausgebildet und ist koaxial zur Achse 9a sowie zur ersten Vorgelegewelle 24 angeordnet. Die zweite Vorgelegewelle 31 ist als Hohlwelle ausgebildet und drehbar auf der koaxial dazu angeordneten zweiten Rotorwelle 16b gelagert.
In diesem Ausführungsbeispiel sind somit im Wesentlichen drei Gangstufen im jeweiligen Getriebe 2 realisierbar. Unter einer Gangstufe ist ein Antrieb des Fahrzeugs 1 mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis zu verstehen, wobei das Übersetzungsverhältnis jeder Gangstufe unterschiedlich zum Übersetzungsverhältnis der jeweils anderen Gangstufe ist.
In einer ersten Gangstufe kann beispielsweise nur die erste elektrische Maschine 3a eine Antriebsleistung erzeugen, und zwar derart, dass die erste Rotorwelle 16a in die erste Drehrichtung R1 drehangetrieben wird und die Antriebsleistung über die erste Freilaufkupplung 5a sowie nacheinander alle drei Übersetzungsstufen 17, 18, 19 auf die Abtriebswelle 4 überträgt. Die zweite elektrische Maschine 3b ist in diesem Fall entweder abgeschaltet oder lastfrei geschaltet.
In einer zweiten Gangstufe wird die zweite elektrische Maschine 3b aktiv geschaltet, sodass die Antriebsleistung ausschließlich mittels der zweiten Rotorwelle 16b der zweiten elektrischen Maschine 3b übertragen wird, wohingegen die erste elektrische Maschine 3a entweder abgeschaltet oder lastfrei geschaltet wird.
Die dritte Gangstufe wird realisiert, indem die zweite elektrische Maschine 3b erneut abgeschaltet oder lastfrei geschaltet wird und die erste Rotorwelle 16a in die zweite Drehrichtung R2 rotiert, sodass die Antriebsleistung über die zweite Freilaufkupplung 5b und die zweite und dritte Übersetzungsstufe 18, 19 auf die Abtriebswelle 4 übertragen wird.
Eine Umschaltung von der ersten in die dritte Gangstufe, oder umgekehrt, kann beispielsweise durch Unterstützung der zweiten elektrischen Maschine 3b und somit im Wesentlichen lastschaltbar erfolgen. Dadurch werden Zugkraftunterbrechungen bzw. Drehmomenteinbrüche vermieden und der Antrieb des Fahrzeugs 1 bzw. der Gangwechsel von der ersten in die dritte Gangstufe, oder umgekehrt, erfolgen für den Fahrer des Fahrzeugs 1 besonders angenehm bzw. unauffällig.
Darüber hinaus ist denkbar, beide elektrische Maschinen 3a, 3b gemeinsam bzw. parallel für einen Antrieb des Fahrzeugs 1 zu nutzen. Dadurch lassen sich aufgrund der zuvor beschriebenen Antriebsleistungssummation am zweiten Zahnrad 25 höhere Drehmomente realisieren, die je nach Drehrichtung R1, R2 der ersten Rotorwelle 16a gemäß den Anforderungen an den Antrieb einstellbar sind.
Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3a und 3b umfasst das ebenfalls als Radnabenmotor ausgebildete Getriebe 2 drei elektrische Maschinen 3a, 3b, 3c mit jeweils einem ortsfesten Stator 6 und einem drehbar dazu angeordneten Rotor 7. In 3b ist lediglich die erste und zweite elektrische Maschine 3a, 3b gezeigt, wobei die dritte elektrische Maschine 3c identisch zur ersten elektrischen Maschine 3a ausgebildet ist. Der Rotor 7 der jeweiligen elektrischen Maschine 3a, 3b, 3c ist mit einer jeweiligen Rotorwelle 16a, 16b verbunden, die jeweils sowohl in eine erste Drehrichtung R1 als auch in eine entgegengesetzt dazu verlaufende zweite Drehrichtung R2 drehantreibbar ist. Die erste und dritte elektrische Maschine 3a, 3c sind vorliegend als permanenterregter Elektromotor ausgebildet und die zweite elektrische Maschine 3b ist als Asynchronmotor ausgebildet.
Die erste Rotorwelle 16a der ersten elektrischen Maschine 3a ist mit einer ersten und zweiten Freilaufkupplung 5a, 5b wirksam verbunden. Die erste Freilaufkupplung 5a ist derart ausgebildet, dass sie bei einer Rotation der ersten Rotorwelle 16a in die erste Drehrichtung R1 eine Antriebsleistung von der ersten Rotorwelle 16a über die erste Freilaufkupplung 5a auf eine als Planetengetriebe ausgebildete erste Übersetzungsstufe 17 überträgt, wobei die erste Übersetzungsstufe 17 eine erste Übersetzung bereitstellt.
Die erste Freilaufkupplung 5a ist derart ausgebildet, dass sie bei einer Rotation der ersten Rotorwelle 16a in die erste Drehrichtung R1 den Planetenträger 20 drehfest gegenüber dem Stator 6 und somit gehäusefest anordnet, sodass die über die erste Rotorwelle 16a an einem Sonnenrad 14 anliegende Antriebsleistung über die Planetenräder 21 auf das Hohlrad 15 mit einer ersten Übersetzung übertragen wird. Bei einer Rotation der ersten Rotorwelle 16a in die zweite Drehrichtung R2 erfolgt eine zweite Übersetzung, und zwar eine 1:1 -Übersetzung, bei der der Planetenträger 20 über eine zweite Freilaufkupplung 5b drehfest mit dem Sonnenrad 14 der ersten Übersetzungsstufe 17 verbunden ist, sodass der Planetenträger 20 und das Sonnenrad 14 mit gleicher Geschwindigkeit rotieren. Mithin wird eine von der ersten Rotorwelle 16a kommende und über die zweite Freilaufkupplung 5b am Planetenträger 20 anliegende Antriebsleistung über ein drehbar gelagertes Hohlrad 15 mit der zweiten Übersetzung auf eine erste Zwischenwelle 22 weitergeleitet, wobei räumlich zwischen dem Sonnenrad 14 und dem Hohlrad 15 Planetenräder 21 angeordnet sind, die drehbar am Planetenträger 20 gelagert sind, wobei die Planetenräder 21 mit dem Sonnenrad 14 und dem Hohlrad 15 in Zahneingriff stehen. Die erste Zwischenwelle 22 ist somit drehfest mit dem Hohlrad 15 verbunden. Die Zwischenwelle 22 ist somit je nach Drehrichtung R1, R2 der ersten Rotorwelle 16a mit der ersten oder zweiten Freilaufkupplung 5a, 5b wirkverbindbar, sodass mittels der ersten elektrischen Maschine 3a in Abhängigkeit der Drehrichtung R1, R2 der ersten Rotorwelle 16a ein Antrieb des Fahrzeugs 1 mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen realisiert wird.
Die erste Zwischenwelle 22 ist über ein drehfest damit verbundenes erstes Zahnrad 23 mit einer zweiten Übersetzungsstufe 18 antriebswirksam verbunden, die eine erste Vorgelegewelle 24 sowie ein drehfest damit verbundenes zweites und drittes Zahnrad 25, 26 umfasst. Das erste Zahnrad 23 steht mit dem zweiten Zahnrad 25 der zweiten Übersetzungsstufe 18 in Zahneingriff. Somit ist die zweite Übersetzungsstufe 18 im Leistungsfluss hinter der ersten Übersetzungsstufe 17 angeordnet. Die erste Vorgelegewelle 24 der zweiten Übersetzungsstufe 18 steht wiederum in Wirkverbindung mit einer als Planetengetriebe ausgebildeten dritten Übersetzungsstufe 19, wobei das dritte Zahnrad 26 als Sonnenrad der dritten Übersetzungsstufe 19 fungiert.
Der Abtrieb an der dritten Übersetzungsstufe 19 erfolgt über einen Planetenträger 34, der drehfest mit der Abtriebswelle 4 verbunden ist, wobei am Planetenträger 34 eine Mehrzahl von Planetenrädern 35 drehbar gelagert sind, die sowohl mit dem als Sonnenrad ausgebildeten dritten Zahnrad 26 als auch mit einem gehäusefesten Hohlrad 33 in Zahneingriff stehen. Somit ist die dritte Übersetzungsstufe 19 im Leistungsfluss hinter der zweiten Übersetzungsstufe 18 angeordnet.
Mittels der ersten Übersetzungsstufe 17 wird eine Drehrichtungsumkehr der ersten Drehrichtung R1 der ersten Rotorwelle 16a in eine zweite Drehrichtung R2 erreicht, sodass die Abtriebswelle 4 unabhängig von der Drehrichtung R1, R2 der ersten Rotorwelle 16a stets in die gleiche Drehrichtung rotiert, jedoch je nach Drehrichtung R1, R2 der ersten Rotorwelle 16a mit der ersten oder zweiten Übersetzung. Infolgedessen rotiert die Abtriebswelle 4 in einem der Vorwärtsfahrtrichtung entsprechenden Getriebebetrieb stets in eine dritte Drehrichtung R3. Somit ist die erste elektrische Maschine 3a in Abhängigkeit der Drehrichtung R1, R2 der ersten Rotorwelle 16a in Vorwärtsfahrtrichtung entweder über die erste oder die zweite Freilaufkupplung 5a, 5b mittelbar mit der Abtriebswelle 4 antriebswirksam koppelbar. Die Abtriebswelle 4 ist wiederum drehfest mit einer Felge 32 des Rades 12 verbunden, um das Fahrzeug 1 in Vorwärtsfahrtrichtung anzutreiben.
Die zweite Rotorwelle 16b der zweiten elektrischen Maschine 3b ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer festen Übersetzung ausgebildet und drehfest mit einem vierten Zahnrad 27 verbunden, das ebenso wie das erste Zahnrad 23 der ersten Zwischenwelle 22 mit dem zweiten Zahnrad 25 der zweiten Übersetzungsstufe 18 in Zahneingriff steht. Mit anderen Worten erfolgt am zweiten Zahnrad 25 der ersten Vorgelegewelle 24 eine Antriebsleistungssummation, wenn die drei elektrischen Maschinen 3a, 3b, 3c ein in die gleiche Richtung wirkendes Drehmoment erzeugen, insbesondere wenn die zweite Rotorwelle 16b in die zweite Drehrichtung R2 rotiert.
Wird die zweite Rotorwelle 16b in die entgegengesetzte erste Drehrichtung R1 rotiert, ist eine Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs 1 einleitbar. Dazu ist die erste Rotorwelle 16a ferner mit einer dritten und vierten Freilaufkupplung 10a, 10b wirkverbunden. Mittels zweier gekoppelter Schaltgabeln 8 wird eine Axialbewegung durch eine - hier nicht näher gezeigte - schrägverzahnte Mitnahme an einem an der zweiten Rotorwelle 16b angeordneten Stirn- oder Radsatztrieb durchgeführt, welche die dritte und vierte Freilaufkupplung 10a, 10b mechanisch aktiviert und die erste und zweite Freilaufkupplung 5a, 5b mechanisch deaktiviert. Dadurch wird die Wirkungsrichtung an der ersten Rotorwelle 16a umgekehrt, sodass eine Unterstützung einer Rückwärtsfahrt durch die erste elektrische Maschine 3a zusätzlich zur zweiten elektrischen Maschine 3b möglich ist. Des Weiteren ist durch die mittels der dritten und vierten Freilaufkupplung 10a, 10b erfolgenden Wirkungsrichtungsumkehr in Abhängigkeit der Drehrichtung der Zwischenwelle 22 eine Rekuperation an der ersten elektrischen Maschine 3a möglich.
Vorliegend ist die erste Zwischenwelle 22 als Hohlwelle ausgebildet und koaxial zur ersten Rotorwelle 16a angeordnet, die durch die erste Zwischenwelle 22 hindurchgeführt ist. Die erste Vorgelegewelle 24 ist ebenfalls als Hohlwelle ausgebildet und koaxial zur Radnabe 11 bzw. zur Achse 9a angeordnet. Die Abtriebswelle 4 ist auch als Hohlwelle ausgebildet und ist koaxial zur Achse 9a sowie zur ersten Vorgelegewelle 24 angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel sind im Getriebe 2 aufgrund der drei elektrischen Maschinen 3a, 3b, 3c im Wesentlichen fünf Gangstufen realisierbar. In einer ersten Gangstufe erzeugt nur die erste elektrische Maschine 3a eine Antriebsleistung, und zwar derart, dass die erste Rotorwelle 16a in die erste Drehrichtung R1 drehangetrieben wird und die Antriebsleistung über die jeweilige erste Freilaufkupplung 5a, den Planetenträger 20 sowie nacheinander alle drei Übersetzungsstufen 17, 18, 19 auf die Abtriebswelle 4 überträgt. Die zweite und dritte elektrische Maschine 3b, 3c sind in diesem Fall entweder abgeschaltet oder lastfrei geschaltet.
Eine zweite Gangstufe wird realisiert, indem die dritte elektrische Maschine 3c mit einer gegenüber der ersten elektrischen Maschine 3a längeren Übersetzungsstufe aktiv geschaltet wird, sodass die Antriebsleistung ausschließlich mittels der dritten elektrischen Maschine 3c erzeugt und durch die erste Rotorwelle 16a über die erste Freilaufkupplung 5a der dritten elektrischen Maschine 3c, den Planetenträger 20 sowie nacheinander alle drei Übersetzungsstufen 17, 18, 19 auf die Abtriebswelle 4 übertragen wird, wohingegen die erste elektrische Maschine 3a und die zweite elektrische Maschine 3b entweder abgeschaltet oder lastfrei geschaltet sind.
In einer dritten Gangstufe wird die zweite elektrische Maschine 3b aktiv geschaltet, sodass die Antriebsleistung ausschließlich mittels der zweiten Rotorwelle 16b der zweiten elektrischen Maschine 3b übertragen wird, wohingegen die erste und dritte elektrische Maschine 3a, 3c entweder abgeschaltet oder lastfrei geschaltet sind.
Die vierte Gangstufe liegt vor, wenn die erste elektrische Maschine 3a aktiviert und die erste Rotorwelle 16a in die zweite Drehrichtung R2 rotiert wird, wobei über die jeweilige zweite Freilaufkupplung 5b die zweite Übersetzung bereitgestellt wird. Dabei sind die zweite und dritte elektrische Maschine 3b, 3c abgeschaltet. Mithin wird die Antriebsleistung über die zweite Freilaufkupplung 5b der ersten elektrischen Maschine 3a, das mit dem Planetenträger 20 und dem Hohlrad 15 verblockte Sonnenrad 14 der jeweiligen ersten Übersetzungsstufe 17, sowie die beiden weiteren Übersetzungsstufen 18, 19 auf die Abtriebswelle 4 übertragen.
Demgegenüber ist bei der fünften Gangstufe die dritte elektrische Maschine 3c aktiviert und dessen erste Rotorwelle 16a wird in die zweite Drehrichtung R2 rotiert, wobei über die jeweilige zweite Freilaufkupplung 5b die zweite Übersetzung bereitgestellt wird. Dabei sind die erste und zweite elektrische Maschine 3a, 3b abgeschaltet. Mithin wird die Antriebsleistung über die zweite Freilaufkupplung 5b der dritten elektrischen Maschine 3c, das mit dem Planetenträger 20 und dem Hohlrad 15 verblockte Sonnenrad 14 der jeweiligen ersten Übersetzungsstufe 17, sowie die beiden weiteren Übersetzungsstufen 18, 19 auf die Abtriebswelle 4 übertragen.
Eine Umschaltung von der ersten in die vierte Gangstufe, oder umgekehrt, bzw. eine Umschaltung von der zweiten in die fünfte Gangstufe, oder umgekehrt, kann beispielsweise von der zweiten elektrischen Maschine 3b unterstützt werden und somit im Wesentlichen lastschaltbar erfolgen. Dadurch werden Zugkraftunterbrechungen bzw. Drehmomenteinbrüche vermieden und der Antrieb des Fahrzeugs 1 bzw. der Gangwechsel von der ersten in die vierte Gangstufe, oder umgekehrt, bzw. von der zweiten in die fünfte Gangstufe, oder umgekehrt, erfolgen für den Fahrer des Fahrzeugs 1 besonders angenehm bzw. unauffällig.
Darüber hinaus ist denkbar, die elektrischen Maschinen 3a, 3b, 3c für den Antrieb des Fahrzeugs 1 beliebig miteinander zu kombinieren bzw. gleichzeitig aktiv zu schalten. Mit anderen Worten können zwei, drei oder alle elektrische Maschinen 3a, 3b, 3c eine Antriebsleistung erzeugen und in der zuvor beschriebenen Weise auf die Abtriebswelle 4 übertragen. Dadurch lassen sich aufgrund der Antriebsleistungssummation am zweiten Zahnrad 25 höhere Drehmomente realisieren, die je nach Drehrichtung R1, R2 der jeweiligen ersten Rotorwelle 16a der ersten und/oder dritten elektrischen Maschine 3a, 3c gemäß den Anforderungen an den Antrieb einstellbar sind. Dabei ist vorteilhaft, dass die elektrischen Maschinen 3a, 3b, 3c in allen stationären Betriebszuständen nahe an einem Wirkungsgradoptimum betreibbar sind.
Da mehrere Räder 12 des Fahrzeugs 1 ein Getriebe 2 der zuvor beschriebenen Art aufweisen, können, wenn ein oder mehrere Getriebe 2 unterhalb eines bestimmten Wirkungsgrades vorliegen oder wenn das Fahrzeug 1 einen bestimmten Geschwindigkeitsgrenzwert unterschreitet, ein oder mehrere Getriebe 2 deaktiviert werden, sodass das Fahrzeug 1 beispielsweise nur mittels eines Rades 12 bzw. mittels des in diesem Rad 12 angeordneten Getriebes 2, insbesondere mittels nur einer in diesem Getriebe 2 integrierten elektrischen Maschine 3a, 3b, 3c angetrieben wird. Gleichermaßen können ein oder mehrere Getriebe 2 aktiviert werden, wenn höhere Leistungsanforderungen gewünscht sind.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Getriebe
3a: Erste elektrische Maschine
3b: Zweite elektrische Maschine
3c: Dritte elektrische Maschine
4: Abtriebswelle
5a: Erste Freilaufkupplung
5b: Zweite Freilaufkupplung
6: Stator
7: Rotor
8: Schaltgabel
9a: Erste Achse
9b: Zweite Achse
10a: Dritte Freilaufkupplung
10b: Vierte Freilaufkupplung
11: Radnabe
12: Rad
13: Antriebsvorrichtung
14: Sonnenrad der ersten Übersetzungsstufe
15: Hohlrad der ersten Übersetzungsstufe
16a: Erste Rotorwelle
16b: Zweite Rotorwelle
17: Erste Übersetzungsstufe
18: Zweite Übersetzungsstufe
19: Dritte Übersetzungsstufe
20: Planetenträger der ersten Übersetzungsstufe
21: Planetenrad der ersten Übersetzungsstufe
22: Erste Zwischenwelle
23: Erstes Zahnrad
24: Erste Vorgelegewelle
25: Zweites Zahnrad
26: Drittes Zahnrad
27: Viertes Zahnrad
28: Fünftes Zahnrad
29: Sechstes Zahnrad
30: Siebtes Zahnrad
31: Zweite Vorgelegewelle
32: Felge
33: Hohlrad der dritten Übersetzungsstufe
34: Planetenträger der dritten Übersetzungsstufe
35: Planetenrad der dritten Übersetzungsstufe
R1: Erste Drehrichtung
R2: Zweite Drehrichtung
R3: Dritte Drehrichtung

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 102015002405 A1 [0002]

Claims

Getriebe (2) für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1), umfassend mindestens eine erste elektrische Maschine (3a) und eine zweite elektrische Maschine (3b), die in eine erste Drehrichtung (R1) und in eine zweite Drehrichtung (R2) drehantreibbar sind und zumindest mittelbar mit wenigstens einer Abtriebswelle (4) antriebswirksam verbunden sind, wobei eine Antriebsleistung der wenigstens einen ersten elektrischen Maschine (3a) in die erste Drehrichtung (R1) über eine erste Freilaufkupplung (5a) mit einer ersten Übersetzung und in die zweite Drehrichtung (R2) über eine zweite Freilaufkupplung (5b) mit einer zweiten Übersetzung zumindest mittelbar auf die jeweilige Abtriebswelle (4) übertragbar ist, um die jeweilige Abtriebswelle (4) in eine dritte Drehrichtung (R3) anzutreiben, und wobei im Leistungsfluss zwischen der ersten oder zweiten Freilaufkupplung (5a, 5b) und der jeweiligen Abtriebswelle (4) mindestens eine erste Übersetzungsstufe (17) zur Drehrichtungsumkehr der jeweiligen Abtriebswelle (4) in die dritte Drehrichtung (R3) angeordnet ist.
Getriebe (2) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine erste Übersetzungsstufe (17) mit der ersten Übersetzung im Leistungsfluss hinter der ersten Freilaufkupplung (5a) angeordnet ist, und wobei im Leistungsfluss hinter der zweiten Freilaufkupplung (5b) mindestens eine zweite Übersetzungsstufe (18) mit einer zweiten Übersetzung angeordnet ist.
Getriebe (2) nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine erste Übersetzungsstufe (17) mit der mindestens einen zweiten Übersetzungsstufe (18) antriebswirksam verbunden ist, wobei die mindestens eine zweite Übersetzungsstufe (18) im Leistungsfluss hinter der mindestens einen ersten Übersetzungsstufe (17) angeordnet ist.
Getriebe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite elektrischen Maschine (3b) ebenfalls mit der mindestens einen zweiten Übersetzungsstufe (18) antriebswirksam verbunden ist.
Getriebe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Leistungsfluss hinter der mindestens einen zweiten Übersetzungsstufe (18) mindestens eine dritte Übersetzungsstufe (19) angeordnet ist.
Getriebe (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die mindestens eine erste Übersetzungsstufe (17) als Planetengetriebe mit zumindest einem Planetenradsatz ausgebildet ist.
Getriebe (2) nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine dritte Übersetzungsstufe (19) als Planetengetriebe mit zumindest einem Planetenradsatz ausgebildet ist.
Getriebe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens die erste und zweite elektrische Maschine (3a, 3b) zumindest mittelbar mit einem Differential antriebswirksam verbunden sind, wobei das Differential wenigstens mit zwei Abtriebswellen (4) wirkverbunden ist.
Getriebe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens die erste elektrische Maschine (3a) als permanenterregter Elektromotor ausgebildet ist.
Getriebe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens die zweite elektrische Maschine (3b) als Asynchronmotor ausgebildet ist.
Getriebe (2) für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1), drei elektrische Maschinen (3a, 3b, 3c), die sowohl in eine erste Drehrichtung (R1) als auch in eine zweite Drehrichtung (R2) drehantreibbar sind und zumindest mittelbar mit wenigstens einer Abtriebswelle (4) antriebswirksam verbunden sind, wobei eine Antriebsleistung der ersten und dritten elektrischen Maschine (3a, 3c) in die erste Drehrichtung (R1) über eine jeweilige erste Freilaufkupplung (5a) mit einer ersten Übersetzung und in die zweite Drehrichtung (R2) über eine jeweilige zweite Freilaufkupplung (5b) mit einer zweiten Übersetzung zumindest mittelbar auf die jeweilige Abtriebswelle (4) übertragbar ist, um die jeweilige Abtriebswelle (4) in eine dritte Drehrichtung (R3) anzutreiben, und wobei im Leistungsfluss zwischen der jeweiligen ersten oder zweiten Freilaufkupplung (5a, 5b) und der jeweiligen Abtriebswelle (4) mindestens eine erste Übersetzungsstufe (17) zur Drehrichtungsumkehr der jeweiligen Abtriebswelle (4) in die dritte Drehrichtung (R3) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung (13) für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1), umfassend zumindest ein Getriebe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1), umfassend wenigstens ein Getriebe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 13, wobei das jeweilige Getriebe (2) mit einer angetriebenen Achse (9a) des Fahrzeugs (1) antriebswirksam verbunden ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 13, wobei das jeweilige Getriebe (2) in einer Radnabe (11) eines Rades (12) des Fahrzeugs (1) integriert ist.