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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs sowie einen Antriebsstrang mit einem solchen Getriebe.
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Aus der
DE 10 2013 215 877 B4 geht ein Umlaufrädergetriebe zur Verzweigung der an einem Leistungseingang anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und auf einen zweiten Leistungsausgang in Verbindung mit einer Reduktion der Ausgangsdrehzahl auf ein unter der Antriebsdrehzahl am Leistungseingang liegendes Drehzahlniveau hervor. Das Umlaufrädergetriebe weist eine erste Getriebestufe auf, die ein erstes Sonnenrad, einen ersten Planetensatz, einen ersten Planetenträger und ein erstes Hohlrad umfasst. Ferner weist das Umlaufrädergetriebe eine zweite Getriebestufe auf, die ein zweites Sonnenrad, einen zweiten Planetensatz, einen zweiten Planetenträger und ein zweites Hohlrad umfasst. Außerdem weist das Umlaufrädergetriebe eine dritte Planetenstufe auf, die ein drittes Sonnenrad, einen dritten Planetensatz und einen dritten Planetenträger umfasst. Das erste Sonnenrad fungiert als Leistungseingang, wobei der erste Planetenträger mit dem zweiten Sonnenrad drehfest gekoppelt ist. Der zweite Planetenträger ist stationär festgelegt, wobei das erste Hohlrad mit dem dritten Sonnenrad gekoppelt ist. Der erste Leistungsausgang ist über die dritte Getriebestufe bewerkstellig, wobei der zweite Leistungsausgang über das zweite Hohlrad der zweiten Getriebestufe bewerkstelligt ist. Die dritte Getriebestufe umfasst ein drittes Hohlrad, das drehfest mit dem zweiten Planetenträger gekoppelt ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein platzsparendes, insbesondere axial kompaktbauendes, Getriebe für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs vorzuschlagen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Getriebe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, durch ein Getriebe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 2 sowie durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Getriebe für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs gemäß einem ersten Erfindungsaspekt umfasst eine Eingangswelle, eine erste Ausgangswelle, eine zweite Ausgangswelle sowie ein zwischen der Eingangswelle und den beiden Ausgangswellen wirksam angeordnetes integrales Differential, wobei das Differential einen ersten Planetenradsatz mit mehreren Radsatzelementen und einen damit wirkverbundenen zweiten Planetenradsatz mit mehreren Radsatzelementen umfasst, das Getriebe ferner umfassend ein mit dem ersten und zweiten Planetenradsatz wirkverbundenes Umlaufrädergetriebe mit mehreren Radsatzelementen, wobei ein erstes Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes drehfest mit der Eingangswelle verbunden ist, wobei ein zweites Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes über eine erste Koppelwelle drehfest mit einem ersten Radsatzelement des Umlaufrädergetriebes verbunden ist, wobei ein drittes Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes über eine zweite Koppelwelle drehfest mit einem ersten Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist, wobei ein zweites Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes drehfest mit der zweiten Ausgangswelle verbunden ist, wobei ein drittes Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes drehfest mit einem ortsfesten Bauelement verbunden ist, wobei ein zweites Radsatzelement des Umlaufrädergetriebes drehfest mit einem ortsfesten Bauelement verbunden ist, wobei ein drittes Radsatzelement des dritten Umlaufrädergetriebes drehfest mit der ersten Ausgangswelle verbunden ist, und wobei mittels des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar ein erstes Abtriebsmoment auf die erste Ausgangswelle übertragbar ist, wobei ein Abstützmoment des ersten Planetenradsatzes in dem zweiten Planetenradsatz derart wandelbar ist, dass ein dem ersten Abtriebsmoment entsprechendes zweites Abtriebsmoment auf die zweite Ausgangswelle übertragbar ist. Die Drehrichtung des Antrieb und des Abtriebs sind im ersten Erfindungsaspekt gegensinnig.
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Ein erfindungsgemäßes Getriebe für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt umfasst eine Eingangswelle, eine erste Ausgangswelle, eine zweite Ausgangswelle sowie ein zwischen der Eingangswelle und den beiden Ausgangswellen wirksam angeordnetes integrales Differential, wobei das Differential einen ersten Planetenradsatz mit mehreren Radsatzelementen und einen damit wirkverbundenen zweiten Planetenradsatz mit mehreren Radsatzelementen umfasst, das Getriebe ferner umfassend ein mit dem ersten und zweiten Planetenradsatz wirkverbundenes Umlaufrädergetriebe mit mehreren Radsatzelementen, wobei ein erstes Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes drehfest mit der Eingangswelle verbunden ist, wobei ein zweites Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes über eine erste Koppelwelle drehfest mit einem ersten Radsatzelement des Umlaufrädergetriebes verbunden ist, wobei ein drittes Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes über eine zweite Koppelwelle drehfest mit einem ersten Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist, wobei ein zweites Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes drehfest mit einem ortsfesten Bauelement verbunden ist, wobei ein drittes Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes drehfest mit der zweiten Ausgangswelle verbunden ist, wobei ein zweites Radsatzelement des dritten Umlaufrädergetriebes drehfest mit der ersten Ausgangswelle verbunden ist, wobei ein drittes Radsatzelement des Umlaufrädergetriebes drehfest mit einem ortsfesten Bauelement verbunden ist, und wobei mittels des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar ein erstes Abtriebsmoment auf die erste Ausgangswelle übertragbar ist, wobei ein Abstützmoment des ersten Planetenradsatzes in dem zweiten Planetenradsatz derart wandelbar ist, dass ein dem ersten Abtriebsmoment entsprechendes zweites Abtriebsmoment auf die zweite Ausgangswelle übertragbar ist. Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sind die Anbindung des zweiten und dritten Radsatzelementes des zweiten Planetenradsatzes sowie des zweiten und dritten Radsatzelementes des Umlaufrädergetriebes im Vergleich zum Getriebe gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung getauscht. Die Drehrichtung des Antrieb und des Abtriebs sind im zweiten Erfindungsaspekt gleichsinnig.
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Bei einem derartigen Getriebe, wie jeweils gemäß dem ersten oder zweiten Erfindungsaspekt vorgeschlagen, werden die Summen beider Radmomente nicht zu einem gemeinsamen Achsmoment in einem Bauteil vereint bzw. zusammengefasst. Vielmehr wird die in die Eingangswelle eingeleitete Antriebsleistung im integralen Differential aufgeteilt und entsprechend der Ausbildung und Anbindung der Planetenradsätze in die damit wirkverbundenen Ausgangswellen weitergeleitet. Damit können die Bauteile des integralen Differentials aufgrund des jeweiligen, vergleichsweise kleinen Drehmoments schlanker ausgebildet werden. Des Weiteren erfolgen eine Bauteilreduzierung sowie eine Gewichtseinsparung. Mithin wird ein Getriebe bereitgestellt, dass mittels des integralen Differentials die beiden Funktionen Drehmomentwandlung und Drehmomentverteilung, welche bisher durch zwei separate Baugruppen gelöst wurde, durch eine einzige integrale Baugruppe darstellen kann. Bei der Erfindung handelt es sich somit um ein kombiniertes Übersetzungs- und Differentialgetriebe, das einerseits eine Drehmomentwandlung und andererseits die Drehmomentverteilung auf die Ausgangswellen realisiert, wobei zudem eine Leistungsverzweigung realisiert wird. Mit einem derartigen Getriebe lassen sich hohe Übersetzungen realisieren, insbesondere von betragsmäßig i > 12. Das hier vorgeschlagene Getriebe umfasst ein integriertes Differentialgetriebe mit nachgeschaltetem Umlaufrädergetriebe.
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Unter einem integralen Differential ist im Rahmen dieser Erfindung ein Differential mit einem ersten Planetenradsatz und einem mit dem ersten Planetenradsatz wirkverbundenen zweiten Planetenradsatz zu verstehen. Der erste Planetenradsatz ist mit der Eingangswelle, mit dem zweiten Planetenradsatz sowie zumindest mittelbar mit der ersten Ausgangswelle antriebswirksam verbunden. Der zweite Planetenradsatz ist mit der zweiten Ausgangswelle antriebswirksam verbunden und stützt sich an einem ortsfesten Bauelement ab. Mittels eines solchen integralen Differentials ist das Eingangsmoment an der Eingangswelle wandelbar und in einem definierten Verhältnis auf die beiden Ausgangswellen aufteilbar bzw. übertragbar. Vorzugsweise wird die Eingangsleistung zu je 50%, das heißt hälftig auf die Ausgangswellen übertragen. Somit weist das Differential kein Bauteil auf, an dem die Summe der beiden Abtriebsmomente anliegt. Anders gesagt wird die Entstehung eines Summendrehmoments verhindert. Darüber hinaus weist das Differential bei identischen Abtriebsdrehzahlen der Ausgangswellen keine im Block umlaufenden bzw. ohne Wälzbewegung umlaufenden Verzahnungen auf. Mithin erfolgt unabhängig der Abtriebsdrehzahlen der Ausgangswellen stets eine Relativbewegung der miteinander in Zahneingriff stehenden Bauteile des Differentials. Die Ausgangswellen des Getriebes sind insbesondere dazu eingerichtet, mit einem Rad des Fahrzeugs wirkverbunden zu sein. Die jeweilige Ausgangswelle kann direkt bzw. unmittelbar oder indirekt bzw. mittelbar, das heißt über z. B. ein Gelenk und/oder eine Radnabe, mit dem dazugehörigen Rad verbunden sein.
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Das integrale Differential ist folglich als Planetengetriebe mit zwei Planetenradsätzen und den Radsatzelementen Sonnenrad, Hohlrad und mehreren von einem Planetenträger auf einer Kreisbahn um das Sonnenrad geführten Planetenrädern ausgebildet. Unter einem „Planetenradsatz“ ist eine Einheit mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad und mit mehreren von einem Planetenträger auf einer Kreisbahn um das Sonnenrad geführten Planetenrädern zu verstehen, wobei die Planetenräder mit dem Hohlrad und dem Sonnenrad in Zahneingriff stehen.
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Mit einem derartigen Getriebe wird die Zahl der ineinander geschachtelten Wellen reduziert wird. Insbesondere kann ein Getriebe mit maximal zwei ineinander geschachtelten Wellen realisiert werden. Zudem sind keine Hohlwellen erforderlich, die einen kompletten Planetenradsatz oder mehrere komplette Planetenradsätze räumlich aufnehmen bzw. umgreifen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Getriebe weniger komplex, mit einem geringeren Gewicht, einem kleineren Durchmesser und somit kompakter sowie kostengünstig ausgebildet werden kann.
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Der erste und zweite Planetenradsatz sind vorzugsweise in axialer Richtung benachbart angeordnet. Mit anderen Worten sind die Radsatzelemente des ersten Planetenradsatzes in einer ersten gemeinsamen Ebene und die Radsatzelemente des zweiten Planetenradsatzes in einer zweiten gemeinsamen Ebene angeordnet, wobei die beiden Ebenen im Wesentlichen parallel verlaufen und axial benachbart zueinander angeordnet sind. Die jeweilige gemeinsame Ebene ist im Wesentlichen senkrecht zur jeweiligen Achse des Fahrzeugs ausgerichtet.
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Alternativ sind der erste und zweite Planetenradsatz radial geschachtelt angeordnet. Indem der erste Planetenradsatz gemäß dem ersten Erfindungsaspekt zumindest bereichsweise radial innerhalb des zweiten Planetenradsatzes angeordnet ist, wird eine radial geschachtelte Bauweise des integralen Differentials realisiert. Mit anderen Worten sind die Radsatzelemente des ersten und zweiten Planetenradsatzes axial in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Mithin sind der erste und zweite Planetenradsatz im Wesentlichen in einer gemeinsamen Radebene angeordnet, wodurch das Getriebe axial kurzbauend und dadurch besonders kompakt gestaltbar ist. Der erste und zweite Planetenradsatz sind demzufolge radial betrachtet übereinander angeordnet.
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Das Umlaufrädergetriebe ist bevorzugt als Planetengetriebe ausgebildet. Das Umlaufrädergetriebe ist dem ersten Planetenradsatz nachgeschaltet. Anders gesagt wird die Antriebsleistung einer Antriebseinheit über den ersten Planetenradsatz und das Umlaufrädergetriebe auf die erste Ausgangswelle übertragen. Das Umlaufrädergetriebe stützt sich zudem mit einem der Radsatzelemente, insbesondere entweder mit dem zweiten Radsatzelement gemäß dem ersten Erfindungsaspekt oder mit dem dritten Radsatzelement gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt, an einem ortsfesten Bauelement ab. Als ortsfestes Bauelement ist ein dreh- und axialfestes Bauteil des Getriebes zu verstehen, beispielsweise das Getriebegehäuse. Mithin kann das ortsfeste Bauelement gehäusefest angeordnet sein. Unter dem Begriff „gehäusefest“ ist zu verstehen, dass zwischen dem jeweiligen gehäusefesten Radsatzelement und dem ortsfesten Bauelement des Getriebes keine Relativbewegung stattfindet bzw. stattfinden kann.
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Vorzugsweise weist das Umlaufrädergetriebe einen dritten Planetenradsatz mit mehreren Radsatzelementen auf. Der dritte Planetenradsatz umfasst ebenfalls die Radsatzelemente Sonnenrad, Hohlrad und mehrere von einem Planetenträger auf einer Kreisbahn um das Sonnenrad geführte Planetenräder. Denkbar ist, dass das Umlaufrädergetriebe auch einen vierten oder weitere Planetenradsätze umfasst.
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Die Eingangswelle ist bevorzugt dazu eingerichtet, zur Einleitung eines Drehmoments in das Getriebe mit einer Antriebseinheit, insbesondere einer elektrischen Maschine oder einem Verbrennungsmotor, verbunden zu sein. Die Eingangswelle ist ist damit zumindest mittelbar drehfest mit einer Antriebswelle der Antriebseinheit verbunden. Die Antriebseinheit erzeugt eine Antriebsleistung, die über die Antriebswelle auf die Eingangswelle übertragen wird. Die Antriebswelle der Antriebseinheit kann drehfest mit der Eingangswelle verbunden sein. Alternativ sind die Antriebswelle und die Eingangswelle ein zusammenhängendes bzw. einstückiges Bauteil. Je nach Ausbildung des Antriebsstranges können auch zwei oder mehrere Eingangswellen vorgesehen sein, insbesondere wenn der Antriebsstrang ein hybridisierter Antriebsstrang ist und daher zwei oder mehrere Antriebseinheiten vorgesehen sind.
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Die Eingangswelle ist bevorzugt als Hohlwelle ausgebildet. Vorzugsweise ist die Eingangswelle dazu eingerichtet, die erste Koppelwelle radial aufzunehmen. Anders gesagt ist die erste Koppelwelle durch die Eingangswelle hindurchgeführt. Damit ist die erste Koppelwelle sozusagen „inline“ durch das Getriebe hindurchgeführt, um eine Antriebsleistung auf das damit wirkverbundene Rad zu übertragen. Dadurch können die Ausgangswellen vorteilhafterweise koaxial zueinander angeordnet werden. Durch die koaxiale Anordnung der Ausgangswellen kann eine radial schmale Bauweise des Getriebes realisiert werden.
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Unter einer „Welle“ ist ein rotierbares Bauteil des Getriebes zu verstehen, über welches je zugehörige Komponenten des Getriebes drehfest miteinander verbunden sind. Die jeweilige Welle kann die Komponenten dabei axial oder radial oder auch sowohl axial und radial miteinander verbinden. Unter einer Welle ist nicht ausschließlich ein beispielsweise zylindrisches, drehbar gelagertes Maschinenelement zur Übertragung von Drehmomenten zu verstehen, sondern vielmehr sind hierunter auch allgemeine Verbindungselemente zu verstehen, die einzelne Bauteile oder Elemente miteinander verbinden, insbesondere Verbindungselemente, die mehrere Elemente drehfest miteinander verbinden.
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Ferner bevorzugt ist die Eingangswelle axial zwischen dem integralen Differential mit dem ersten und zweiten Planetenradsatz sowie dem Umlaufrädergetriebe angeordnet. Damit erfolgt die Anbindung der Antriebseinheit axial zwischen dem integralen Differential und dem Umlaufrädergetriebe. In einem Ausführungsbeispiel ist die Antriebseinheit axial zwischen dem integralen Differential und dem Umlaufrädergetriebe angeordnet. Damit ist das Getriebe nochmals kompakter gestaltbar.
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Dass zwei Bauelemente des Getriebes drehfest „verbunden“ bzw. „gekoppelt“ sind bzw. „miteinander in Verbindung stehen“, meint im Sinne der Erfindung eine permanente Koppelung dieser Bauelemente, sodass diese nicht unabhängig voneinander rotieren können. Darunter ist also eine dauerhafte Drehverbindung zu verstehen. Insbesondere ist zwischen diesen Bauelementen, bei welchen es sich um Elemente des Differentials und/oder auch Wellen und/oder ein drehfestes Bauelement des Getriebes handeln kann, kein Schaltelement vorgesehen, sondern die entsprechenden Bauelemente sind fest miteinander gekoppelt. Auch eine drehelastische Verbindung zwischen zwei Bauteilen wird als fest oder drehfest verstanden. Insbesondere kann eine drehfeste Verbindung auch Gelenke beinhalten, z.B. um eine Lenkbewegung oder eine Einfederung eines Rades zu ermöglichen.
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Prinzipiell können die Planetenradsätze des Getriebes, insbesondere des integralen Differentials und des Umlaufrädergetriebes, beliebig zueinander angeordnet und miteinander wirkverbunden sein, um ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis zu realisieren. Nach einem Ausführungsbeispiel sind das erste Radsatzelement ein Sonnenrad des jeweiligen Planetenradsatzes, das zweite Radsatzelement ein Planetenträger des jeweiligen Planetenradsatzes und das dritte Radsatzelement ein Hohlrad des jeweiligen Planetenradsatzes. Die Eingangswelle ist somit drehfest mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes verbunden, wobei der Planetenträger des ersten Planetenradsatzes drehfest mit dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes des Umlaufrädergetriebes verbunden ist und das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar drehfest mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist. Insbesondere ist das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes über ein Koppelelement, insbesondere eine Koppelwelle, drehfest mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes verbunden. Nach einem Ausführungsbeispiel gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ist der Planetenträger des zweiten Planetenradsatzes drehfest mit der zweiten Ausgangswelle verbunden, wobei das Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes ortsfest angeordnet ist. Ferner ist der Planetenträger des dritten Planetenradsatzes ortsfest angeordnet, wobei das Hohlrad des dritten Planetenradsatzes drehfest mit der ersten Ausgangswelle verbunden ist. Nach einem Ausführungsbeispiel gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ist das Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes drehfest mit der zweiten Ausgangswelle verbunden, wobei der Planetenträger des zweiten Planetenradsatzes ortsfest angeordnet ist. Ferner ist das Hohlrad des dritten Planetenradsatzes ortsfest angeordnet, wobei der Planetenträger des dritten Planetenradsatzes drehfest mit der ersten Ausgangswelle verbunden ist. Die Anbindung der Radsatzelemente zwischen den Planetenradsätzen kann je nach Anforderung an die Übersetzungen beliebig getauscht werden.
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Zwischen den genannten Bauteilen, also den Radsatzelementen der Planetenradsätze, können analog zu den genannten Koppelwellen außerdem weitere Bauteile, beispielsweise Zwischen- bzw. Koppelwellen angeordnet sein.
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Eine oder mehrere der Planetenradsätze sind jeweils bevorzugt als Minus-Planetenradsatz oder als Plus-Planetenradsatz ausgebildet. Ein Minus-Planetenradsatz entspricht einem Planetenradsatz mit einem Planetenträger, an dem erste Planetenräder drehbar gelagert sind, einem Sonnenrad und einem Hohlrad, wobei die Verzahnung zumindest eines der Planetenräder sowohl mit der Verzahnung des Sonnenrades als auch mit der Verzahnung des Hohlrades kämmt, wodurch das Hohlrad und das Sonnenrad in entgegengesetzter Richtung rotieren, wenn das Sonnenrad bei feststehendem Steg rotiert. Ein Plus-Planetensatz unterscheidet sich von dem Minus-Planetensatz dahingehend, dass der Plus-Planetensatz erste und zweite bzw. innere und äußere Planetenräder aufweist, welche drehbar an dem Planetenträger gelagert sind. Die Verzahnung der ersten bzw. inneren Planetenräder kämmt dabei einerseits mit der Verzahnung des Sonnenrads und andererseits mit der Verzahnung der zweiten bzw. äußeren Planetenräder. Die Verzahnung der äußeren Planetenräder kämmt darüber hinaus mit der Verzahnung des Hohlrads. Dies hat zur Folge, dass bei feststehendem Planetenträger das Hohlrad und das Sonnenrad in die gleiche Richtung rotieren.
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Bei der Ausbildung eines oder mehrerer der Planetenradsätze als Plus-Planetenradsatz ist die Anbindung von Planetenträger und Hohlrad getauscht und der Betrag der Standübersetzung um 1 erhöht. Sinngemäß ist dies auch umgekehrt möglich, wenn an Stelle eines Plus-Planetenradsatzes ein Minus-Planetenradsatz vorgesehen werden soll.
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Alternativ ist auch denkbar, einen oder mehrere Planetenradsätze als Stufenplanetenradsätze auszubilden. Jedes Stufenplanentenrad des jeweiligen Stufenplanetenradsatzes umfasst bevorzugt ein erstes Zahnrad mit einem drehfest damit verbundenen zweiten Zahnrad, wobei das erste Zahnrad beispielsweise mit dem Sonnenrad und das zweite Zahnrad entsprechend mit dem Hohlrad in Zahneingriff steht, oder umgekehrt. Diese beiden Zahnräder können beispielsweise über eine Zwischenwelle oder eine Hohlwelle drehfest miteinander verbunden sein. Im Fall einer Hohlwelle kann diese auf einem Bolzen des Planetenträgers drehbar gelagert sein. Vorzugsweise haben die beiden Zahnräder des jeweiligen Stufenplanetenrades unterschiedliche Durchmesser und Zähnezahlen, um ein Übersetzungsverhältnis einzustellen. Außerdem sind auch zusammengesetzte Planetenradsätze denkbar.
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Nach einem Ausführungsbeispiel sind die Standübersetzungen der Planetenradsätze identisch. Dadurch lassen sich an den Ausgangswellen nahezu gleiche Wirkungsgrade erreichen. Die Standübersetzung ist definiert als die Übersetzung zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad bei stillstehendem Planetenträger des jeweiligen Planetenradsatzes. Die Standübersetzung kann positiv oder negativ sein.
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Alternativ sind die Standübersetzungen der Planetenradsätze unterschiedlich. Indem die Standübersetzungen der Planetenradsätze unterschiedlich gestaltet werden, können wenigstens ein Teil der Radsatzelemente mit kleineren Durchmessern ausgebildet werden, sodass das Getriebe noch kompakter ausgebildet werden kann. Es können zudem geringere Stützmomente realisiert werden.
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Unter dem Begriff „wirkverbunden“ ist eine nicht schaltbare Verbindung zwischen zwei Bauteilen zu verstehen, welche zu einer permanenten Übertragung einer Antriebsleistung, insbesondere einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments, vorgesehen ist. Die Verbindung kann dabei sowohl direkt oder über eine Festübersetzung erfolgen. Die Verbindung kann beispielsweise über eine feste Welle, eine Verzahnung, insbesondere eine Stirnradverzahnung, und/oder ein Umschlingungsmittel erfolgen.
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Unter dem Begriff „zumindest mittelbar“ ist 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 Wellen oder Zahnrädern noch weitere Bauteile angeordnet sein, die mit der Welle bzw. dem Zahnrad wirkverbunden sind.
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Es können zwischen der Eingangswelle und der Antriebseinheit weitere zwischengeschaltete Komponenten angeordnet sein, beispielsweise ausgebildet als Planetengetriebe, Stirnradgetriebe, Kettentrieb, Riementrieb, Winkeltrieb, Gelenkwelle, Torsionsdämpfer, Mehrganggetriebe oder dergleichen. Ebenso können zwischen der jeweiligen Ausgangswelle und dem damit wirkverbundenen Rad weitere zwischengeschaltete Komponenten angeordnet sein, wie beispielsweise Gelenkwellen, Übersetzungsgetriebe, Feder- und Dämpfelemente oder dergleichen.
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Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang für ein Fahrzeug gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung umfasst ein Getriebe gemäß den vorherigen Ausführungen sowie eine mit dem Getriebe wirkverbundene Antriebseinheit. Die Antriebseinheit ist bevorzugt eine elektrische Maschine, wobei die Eingangswelle des Getriebes ein Rotor der elektrischen Maschine ist oder mit dem Rotor oder einer Rotorwelle drehfest verbunden bzw. gekoppelt ist. Der Rotor ist gegenüber einem gehäusefesten Stator der elektrischen Maschine drehbar gelagert. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise mit einem Akkumulator verbunden, der die elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt. Ferner ist die elektrische Maschine bevorzugt von einer Leistungselektronik steuer- bzw. regelbar. Die Antriebseinheit kann alternativ auch ein Verbrennungsmotor sein, wobei die Eingangswelle in diesem Fall beispielsweise eine Kurbelwelle ist oder mit der Kurbelwelle drehfest verbunden bzw. gekoppelt ist.
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Vorzugsweise ist die Antriebseinheit koaxial zum integralen Differential angeordnet. Damit ist eine zusätzliche Übersetzung von der Eingangswelle auf die Rotorwelle bzw. den Rotor bzw. die Kurbelwelle der Antriebseinheit nicht erforderlich.
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Bevorzugt ist die Antriebseinheit als elektrische Maschine ausgebildet und koaxial zur Eingangswelle angeordnet, wobei die erste Ausgangswelle durch einen Rotor der elektrischen Maschine hindurchgeführt ist. Dadurch ist das Getriebe besonders kompakt.
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Der Antriebsstrang gemäß der vorher beschriebenen Art ist in einem Fahrzeug einsetzbar. 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). Insbesondere ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Das Fahrzeug umfasst wenigstens zwei Achsen, wobei eine der Achsen eine mittels des Antriebsstrangs antreibbare Antriebsachse bildet. An dieser Antriebsachse ist der erfindungsgemäße Antriebsstrang wirksam angeordnet, wobei der Antriebsstrang eine Antriebsleistung der Antriebseinheit über das erfindungsgemäße Getriebe auf die Räder dieser Achse überträgt. Es ist auch denkbar für jede Achse einen solchen Antriebsstrang vorzusehen. Der Antriebsstrang ist bevorzugt in Front-Quer-Bauweise verbaut, sodass die Eingangswelle sowie die Ausgangswellen im Wesentlichen quer zur Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet sind. Alternativ kann der Antriebsstrang schräg zur Längs- und Querachse des Fahrzeugs angeordnet sein, wobei die Ausgangswellen über entsprechende Gelenke mit den Rädern der jeweiligen Achse, die quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnet sind, verbunden sind.
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Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Getriebes gemäß dem ersten Erfindungsaspekt gelten sinngemäß ebenfalls für das erfindungsgemäße Getriebe gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt sowie für den erfindungsgemäßen Antriebsstrang, und umgekehrt.
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Im Folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 eine stark schematische Draufsicht auf ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang und einem erfindungsgemäßen Getriebe nach einer ersten Ausführungsform, und
- 2 eine stark schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Antriebsstranges gemäß 1,
- 3 eine stark schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Antriebsstranges gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- 4 eine stark schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Antriebsstranges gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Gemäß 1 ist ein Fahrzeug 1 mit zwei Achsen 11 a, 11b dargestellt, wobei an der ersten Achse 11 a ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang 2 antriebswirksam angeordnet ist. Die erste Achse 11 a kann sowohl Frontachse als auch Heckachse des Fahrzeugs 1 sein und bildet eine angetriebene Achse des Fahrzeugs 1. Der Antriebsstrang 2 umfasst eine als elektrische Maschine ausgeführte Antriebseinheit 22 sowie ein damit wirkverbundenes Getriebe 3, wobei der Aufbau und die Anordnung des Antriebsstranges 2 am Fahrzeug 1, insbesondere des Getriebes 3 in den nachfolgenden Figuren näher erläutert wird. Die elektrische Maschine ist exemplarisch in 2 gezeigt. In 3 und 4 wird zur Vereinfachung darauf verzichtet. Die elektrische Maschine wird durch einen - hier nicht gezeigten - Akkumulator mit elektrischer Energie versorgt, welcher wirksam mit einem gehäusefesten Stator 19 verbunden ist. Ferner ist die elektrische Maschine mit einer - hier nicht gezeigten - Leistungselektronik zur Steuerung und Regelung verbunden. Durch Bestromung des Stators 19 wird ein drehbar dazu angeordneter Rotor 20, welcher als Antriebswelle wiederum drehfest mit einer Eingangswelle 4 des Getriebes 3 verbunden ist, in eine Drehbewegung relativ zum Stator 19 versetzt. Die Eingangswelle 4 kann alternativ auch mit einer separaten Rotorwelle des Rotors 20 drehfest verbunden bzw. damit gekoppelt sein. 3 und 4 zeigen lediglich die Eingangswelle 4. Die Antriebsleistung der Antriebseinheit 22 wird über die Eingangswelle 4 in das Getriebe 3 geleitet und dort von einem integralen Differential 7 gewandelt und zumindest mittelbar auf eine erste Ausgangswelle 5 und eine zweite Ausgangswelle 6 aufgeteilt. Außerdem weist das Getriebe 3 ein Umlaufrädergetriebe 12 auf. Die Antriebseinheit 22, umfassend den Stator 19 sowie den Rotor 20, sind koaxial zum integralen Differential 7 angeordnet.
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An den Enden der vorliegend koaxial zueinander angeordneten Ausgangswellen 5, 6 ist jeweils ein Rad 18 zumindest mittelbar angeschlossen, um das Fahrzeug 1 anzutreiben. Zwischen dem jeweiligen Rad 18 und den Ausgangswellen 5, 6 sind Gelenke 21 und Radnaben 23 angeordnet, um eventuelle Schiefstellungen der Ausgangswellen 5, 6 auszugleichen. Das Fahrzeug 1 ist folglich ein Elektrofahrzeug, wobei der Antrieb rein elektrisch erfolgt.
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In 2 bis 4 sind unterschiedliche Ausgestaltungformen des Getriebes 3 gezeigt. Das jeweilige Getriebe 3 ist ein Differentialgetriebe und umfasst vorliegend eine Eingangswelle 4, eine erste Ausgangswelle 5 und eine zweite Ausgangswelle 6. Die Ausgangswellen 5, 6 sind koaxial zueinander angeordnet und erstrecken sich in entgegengesetzte Richtungen zu den Rädern 18 hin. Vorliegend erstreckt sich die erste Ausgangswelle 5 nach rechts und die zweite Ausgangswelle 6 nach links.
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Das Getriebe 3 umfasst ein integrales Differential 7, das einen ersten Planetenradsatz 8 mit mehreren Radsatzelementen und einen damit wirkverbundenen zweiten Planetenradsatz 9 mit mehreren Radsatzelementen umfasst. Ferner umfasst das Getriebe 3 ein mit dem ersten und zweiten Planetenradsatz 8, 9 wirkverbundenes Umlaufrädergetriebe 12, wobei das Umlaufrädergetriebe 12 einen dritten Planetenradsatz 10 mit mehreren Radsatzelementen aufweist. Die Eingangswelle 4 ist axial zwischen dem integralen Differential 7 mit dem ersten und zweiten Planetenradsatz 8, 9 sowie dem Umlaufrädergetriebe 12 angeordnet, sodass gemäß 2 die Antriebseinheit 22 axial zwischen dem integralen Differential 7 und dem Umlaufrädergetriebe 12 angeordnet ist.
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Vorliegend sind am ersten Planetenradsatz 8 das erste Radsatzelement ein erstes Sonnenrad 25a, das zweite Radsatzelement ein erster Planetenträger 26a und das dritte Radsatzelement ein erstes Hohlrad 27a, wobei am ersten Planetenträger 26a mehrere erste Planetenräder 28a drehbar angeordnet sind, die mit dem ersten Sonnenrad 25a und dem ersten Hohlrad 26a in Zahneingriff stehen. Ferner sind am zweiten Planetenradsatz 9 das erste Radsatzelement ein zweites Sonnenrad 25b, das zweite Radsatzelement ein zweiter Planetenträger 26b und das dritte Radsatzelement ein zweites Hohlrad 27b, wobei am zweiten Planetenträger 26b mehrere zweite Planetenräder 28b drehbar angeordnet sind, die mit dem zweiten Sonnenrad 25b und dem zweiten Hohlrad 27b in Zahneingriff stehen. Außerdem sind am dritten Planetenradsatz 10 das erste Radsatzelement ein drittes Sonnenrad 25c, das zweite Radsatzelement ein dritter Planetenträger 26c und das dritte Radsatzelement ein drittes Hohlrad 27c, wobei am dritten Planetenträger 26c mehrere dritte Planetenräder 28c drehbar angeordnet sind, die mit dem dritten Sonnenrad 25c und dem dritten Hohlrad 27c in Zahneingriff stehen.
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Der erste und zweite Planetenradsatz 8, 9 sind hier jeweils als Minus-Planetenradsatz ausgebildet und axial benachbart zueinander angeordnet. Der dritte Planetenradsatz 10 ist ebenfalls als Minus-Planetenradsatz ausgebildet. Der erste Planetenradsatz 9 ist axial unmittelbar benachbart zwischen der Antriebseinheit 22 und dem zweiten Planetenradsatz 9 angeordnet.
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Nach 2 ist das erste Sonnenrad 25a des ersten Planetenradsatzes 8 drehfest mit der Eingangswelle 4 verbunden. Der erste Planetenträger 26a des ersten Planetenradsatzes 8 ist über eine erste Koppelwelle 14 drehfest mit dem dritten Sonnenrad 25c des Umlaufrädergetriebes 12 verbunden. Die Eingangswelle 4 ist dazu eingerichtet, die erste Koppelwelle 14 radial aufzunehmen. Mithin ist das erste Sonnenrad 25a als Hohlrad und die damit verbundene Eingangswelle 4 als Hohlwelle ausgebildet. Die erste Koppelwelle 14 erstreckt sich durch die Eingangswelle 4 hindurch. Das Hohlrad 27a des ersten Planetenradsatzes 8 ist über eine zweite Koppelwelle 15 drehfest mit dem zweiten Sonnenrad 25b des zweiten Planetenradsatzes 9 verbunden. Der zweite Planetenträger 26b des zweiten Planetenradsatzes 9 ist drehfest mit der zweiten Ausgangswelle 6 verbunden, wobei das zweite Hohlrad 27b des zweiten Planetenradsatzes 9 drehfest mit einem ortsfesten Bauelement 13 verbunden ist. Der dritte Planetenträger 26c des Umlaufrädergetriebes 12 ist ebenfalls drehfest mit dem ortsfesten Bauelement 13 verbunden, ist also gehäusefest angeordnet. Das dritte Hohlrad 27c des dritten Umlaufrädergetriebes 10 ist drehfest mit der ersten Ausgangswelle 5 verbunden.
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Mittels des ersten Planetenradsatzes 8 ist ein erstes Abtriebsmoment über das Umlaufrädergetriebe 12 auf die erste Ausgangswelle 5 übertragbar, wobei ein Abstützmoment des ersten Planetenradsatzes 8 in dem zweiten Planetenradsatz 9 derart wandelbar ist, dass ein dem ersten Abtriebsmoment entsprechendes zweites Abtriebsmoment auf die zweite Ausgangswelle 6 übertragbar ist.
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In dem vorliegenden Beispiel sind die Standübersetzungen aller Planetenradsätze 8, 9, 10 identisch. Dies zeigt sich deutlich an den gleichen Durchmesserverhältnissen der Radsatzelemente, insbesondere der Planetenräder 28a - 28c. Je nach Standübersetzung sind Übersetzungen von größer als i=-12 realisierbar.
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In dem zweiten und dritte Ausführungsbeispiel nach 3 bzw. 4 ist die Anbindung der Radsatzelemente des zweiten und dritten Planetenradsatzes 9, 10 teilweise getauscht. Die Anbindung des ersten Planetenradsatzes 8 ist unverändert. Das zweite Hohlrad 27b des zweiten Planetenradsatzes 9 ist vorliegend drehfest mit der zweiten Ausgangswelle 6 verbunden, wobei der zweite Planetenträger 26b des zweiten Planetenradsatzes 9 drehfest mit dem ortsfesten Bauelement 13 verbunden ist. Das dritte Hohlrad 27c des Umlaufrädergetriebes 12 ist ebenfalls drehfest mit dem ortsfesten Bauelement 13 verbunden. Der dritte Planetenträger 26c des dritten Umlaufrädergetriebes 10 ist drehfest mit der ersten Ausgangswelle 5 verbunden.
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Ein weiterer Unterschied zur ersten Ausführungsform nach 2 besteht darin, dass die Standübersetzungen der Planetenradsätze 8, 9, 10 unterschiedlich sind, wie an den unterschiedlichen Durchmessern der Radsatzelemente zu sehen ist. Mit dem Ausführungsbeispiel nach 3 lässt sich beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis von i=12 realisieren. Mit dem Ausführungsbeispiel nach 4 lässt sich beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis von i=24 realisieren.
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Es sei explizit darauf hingewiesen, dass die Zuordnung der Radsatzelemente zu den Elementen des jeweiligen Planetenradsatzes 8, 9, 10 beliebig getauscht werden kann. Die jeweilige Anbindung der Radsatzelemente Sonnenrad, Planetenträger und Hohlrad erfolgt je nach Anforderung an die Übersetzungen inklusive Vorzeichen. Anstelle eines Minusplanetenradsatzes kann der jeweiligen Planetenradsatz 8, 9, 10 immer auch als Plusplanetenradsatz ausgebildet sein, indem die Anbindung von Planetenträger und Hohlrad getauscht wird und der Betrag der Standübersetzung um eins erhöht wird. Sinngemäß ist dies auch umgekehrt möglich. Das Umlaufrädergetriebe 12 kann auch zwei oder mehrere Planetenradsätze oder zusammengefasste Planetenradsätze enthalten.
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Es ist ferner denkbar, zwischen der Antriebseinheit 22 und dem Getriebe 3 ein - hier nicht gezeigtes - zusätzliches Übersetzungsgetriebe anzuordnen, beispielsweise ausgebildet als Planetengetriebe mit einem oder mehreren Planetenradsätzen, um eine Gesamtübersetzung des Antriebs zu erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Antriebsstrang
- 3
- Getriebe
- 4
- Eingangswelle
- 5
- Erste Ausgangswelle
- 6
- Zweite Ausgangswelle
- 7
- Differential
- 8
- Erster Planetenradsatz
- 9
- Zweiter Planetenradsatz
- 10
- Dritter Planetenradsatz
- 11a
- Erste Achse
- 11b
- Zweite Achse
- 12
- Umlaufrädergetriebe
- 13
- Ortsfestes Bauelement
- 14
- Erste Koppelwelle
- 15
- Zweite Koppelwelle
- 18
- Rad
- 19
- Stator
- 20
- Rotor
- 21
- Gelenk
- 22
- Antriebseinheit
- 23
- Radnabe
- 25a
- Erstes Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes
- 25b
- Zweites Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes
- 25c
- Drittes Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes
- 26a
- Erster Planetenträger des ersten Planetenradsatzes
- 26b
- Zweiter Planetenträger des zweiten Planetenradsatzes
- 26c
- Dritter Planetenträger des dritten Planetenradsatzes
- 27a
- Erstes Hohlrad des ersten Planetenradsatzes
- 27b
- Zweites Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes
- 27c
- Drittes Hohlrad des dritten Planetenradsatzes
- 28a
- Erstes Planetenrad des ersten Planetenradsatzes
- 28b
- Zweites Planetenrad des zweiten Planetenradsatzes
- 28c
- Drittes Planetenrad des dritten Planetenradsatzes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013215877 B4 [0002]
