DE102022203305B3 - Antrieb mit kompakter axialer Anbindung einer elektrischen Maschine an Radsatz mit Quertrieben - Google Patents

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    • F16H1/10—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion involving only two intermeshing members with parallel axes one of the members being internally toothed

Abstract

Antrieb (1) für ein Hybridfahrzeug mit kompakter axialer Anbindung einer elektrischen Maschine (3) an einen Radsatz eines Getriebes mit Quertrieben, wobei die elektrische Maschine (3) eine Rotorwelle (6) mit einer ersten Achse (A1) aufweist und ein Verbrennungsmotor eine zweite Achse (A2) besitzt, wobei der Verbrennungsmotor eine Welle (10) über eine externe Verzahnung (10e) und die elektrische Maschine (3) die Welle (10) über ein umlaufendes Ritzel (11) und einer Innenverzahnung (1 0b) antreibt, wobei die Achsen (A1, A2) zueinander um den Abstand (12) beabstandet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Antrieb mit kompakter axialer Anbindung einer elektrischen Maschine an einen Radsatz mit Quertrieben in einem Hybridfahrzeug, an das eine elektrische und eine verbrennungsmotorische Antriebsmaschine angebunden ist.
  • Stand der Technik
  • Hybridantriebe mit zwei oder mehr verschiedenen Antriebsquellen können zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen im Fahrzeugverkehr beitragen. Um einen möglichst effektiven Betrieb des Hybridantriebs zu erreichen, werden Antriebsstrategien eingesetzt, die einen Elektroantrieb situationsbedingt flexibel nutzen, beispielsweise zum Anfahren, als alleinige Antriebsquelle im städtischen Kurzstreckenverkehr oder in einem Stop and Go Betrieb, als zusätzliche Antriebsquelle bei erhöhten Leistungsanforderungen in einem Boostbetrieb, als Startergenerator zum schnellen Starten des Verbrennungsmotors sowie als Generator zur Stromerzeugung, oder zur Energierückgewinnung in einem Rekuperationsbetrieb. Der Verbrennungsmotor soll hingegen zumindest überwiegend in verbrauchs-, drehmoment- und drehzahlgünstigen Betriebspunkten bei hohem Wirkungsgrad betrieben werden.
  • Bei Hybridfahrzeugen sind Getriebe bekannt, welche neben einem Radsatz auch eine oder mehrere Elektromaschinen aufweisen. Das Getriebe ist dabei üblicherweise mehrgängig gestaltet, d. h. es sind mehrere unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse als Gänge zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle durch Betätigung entsprechender Schaltelemente schaltbar, wobei dies oft automatisch vollzogen wird. Je nach Anordnung der Schaltelemente handelt es sich bei diesen um Kupplungen oder auch um Bremsen. Das Getriebe wird dabei dazu genutzt, ein Zugkraftangebot einer Antriebsmaschine des Kraftfahrzeuges in Hinblick auf verschiedene Kriterien geeignet umzusetzen. Dabei werden die Gänge des Getriebes zumeist auch im Zusammenspiel mit der zumindest einen Elektromaschine zur Darstellung eines rein elektrischen Fahrens verwendet. Häufig kann die zumindest eine Elektromaschine außerdem im Getriebe zur Darstellung verschiedener Betriebsmodi auf unterschiedliche Weisen eingebunden werden.
  • Ein solches Getriebe ist beispielsweise aus der DE 10 2021 200 255 A1 bekannt. Das Hybridgetriebe ist in Fahrtrichtung hinter einem Verbrennungsmotor angeordnet. Über einen Riemen oder eine Kette, also einer Queranbindung, wird das Drehmoment des Verbrennungsmotors auf eine erste Getriebewelle übertragen. Von dort kann Drehmoment auf eine zweite Getriebewelle übertragen werden, wobei die zweite Getriebewelle mit einer elektrischen Maschine über ein Planetengetriebe wirkverbunden ist. Ein Differential übergibt das resultierende Drehmoment an die angetriebenen Räder des Fahrzeugs. Die elektrische Maschine ist dabei in Fahrtrichtung hinter dem Verbrennungsmotor und parallel zu diesem verbaut. In einem solchen Hybridgetriebe ist es zur Erfüllung bestimmter Anforderungen gegebenenfalls sinnvoll eine weitere elektrische Maschine in den Antriebsstrang zu integrieren. Solche Anforderungen können beispielsweise das Starten oder Aufboosten des Verbrennungsmotors sein. Die elektrische Maschine kann dabei verbrennungsmotorseitig, zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe oder getriebeseitig in einer P1-Hybrid-Konfiguration angebunden sein.
  • Für die getriebeseitige Anbindung der elektrischen Maschine gibt es mehrere bekannte Möglichkeiten. Bei einer koaxialen Anordnung der elektrischen Maschine kann diese ohne eine Übersetzung angebunden sein oder mit einer Übersetzung. Ohne eine Vorübersetzung muss die elektrische Maschine drehmomenten-stark ausgelegt werden, was baulich einen größeren Durchmesser bedingt und somit zu einem erhöhten radialen Bauraumbedarf führt.
  • Eine Vorübersetzung über ein Stufen- oder Planetengetriebe, ermöglicht baulich eine elektrische Maschine mit höherer Maximaldrehzahl sowie geringerem Drehmoment und geringerem Durchmesser, erfordert aber ebenfalls axialen Bauraum neben der elektrischen Maschine sowie eine geeignete Lagerung.
  • Wird die elektrische Maschine achsparallel zum Getriebe verbaut ist axialer Bauraum für den Quertrieb, also für eine Stirnradstufe oder eine Kette notwendig. Eine solche achsparallele Anordnung fordert daher ebenfalls Bauraum für Lagerung und die Komponenten und zusätzlich einen partiell erhöhten radialen Bauraumbedarf für die elektrische Maschine relativ zur übersetzten Getriebewelle. Ein Beispiel eines achsparallelen Einbaus ist aus der
    DE 10 2019 215 685 A1 zu entnehmen. Das Dokument beschreibt einen Antriebsstrang mit einer lastschaltbaren Getriebeanordnung umfassend eine erste Getriebeeingangswelle, an die ein Verbrennungsmotor angebunden ist, einer zweiten Getriebeeingangswelle, an die eine elektrische Maschine angebunden ist und eine getriebeausgangsseitigen Kupplungseinheit, wobei die Kupplungseinheit eine erste Getriebeausgangswelle, die einem ersten Teilgetriebe zugeordnet ist, und eine zweite Getriebeausgangswelle, die einem zweiten Teilgetriebe zugeordnet ist, antriebswirksam mit zumindest einem Abtriebsrad verbindet. Die erste oder die zweite Getriebeeingangswelle kann direkt an der elektrischen Maschine beziehungsweise mit dem Verbrennungsmotor angebunden sein. Es ist jedoch auch denkbar, die elektrische Maschine beziehungsweise den Verbrennungsmotor achsparallel zur ersten beziehungsweise zur zweiten Getriebeeingangswelle anzuordnen und diese jeweils über beispielsweise einen Riementrieb oder eine oder mehreren Zahnradstufen anzubinden.
  • JP 2011-11 706 A zeigt einen Antrieb für ein Hybridfahrzeug mit kompakter axialer Anbindung einer elektrischen Maschine an einen Radsatz eines Getriebes mit Quertrieben, wobei die elektrische Maschine eine Rotorwelle mit einer ersten Achse aufweist und ein Verbrennungsmotor eine zweite Achse besitzt, wobei der Verbrennungsmotor eine koaxiale Welle über eine externe Verzahnung antreibt.
  • DE 10 2018 114 782 A1 zeigt eine Antriebseinheit für einen Antriebsstrang eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridkraftfahrzeuges, mit einer ersten elektrischen Maschine sowie einer zweiten elektrischen Maschine und einer ersten Welle sowie einer Ausgangswelle. Der Rotor der ersten elektrischen Maschine ist drehfest mit der ersten Welle verbunden und der Rotor der zweiten elektrischen Maschine ist drehfest mit der Ausgangswelle verbunden. Die Antriebseinheit weist weiterhin eine Trennkupplung auf, mit der ein Rotor der ersten elektrischen Maschine zur Drehmomentübertragung mit der Ausgangswelle verbindbar oder verbunden ist. Zudem umfasst die Antriebseinheit weiterhin ein Anschlusselement, welches mit einem Abtriebselement der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Dieses Anschlusselement dient zum Anschluss einer Verbrennungskraftmaschine.
  • EP 3 730 330 A1 zeigt eine Getriebestruktur für ein seriell/paralleles Hybridfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, einer ersten generatorischen Elektromaschine und einer zweiten motorischen Elektromaschine.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb mit kompakter Anbindung der elektrischen Maschinen mit einer Vorübersetzung zu schaffen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einem Antrieb für ein Hybridfahrzeug mit kompakter axialer Anbindung einer elektrischen Maschine an einen Radsatz eines Getriebes mit Quertrieben, wobei die elektrische Maschine eine Rotorwelle mit einer ersten Achse aufweist und ein Verbrennungsmotor eine zweite Achse besitzt, wobei der Verbrennungsmotor eine koaxiale Welle über eine externe Verzahnung antreibt.
  • Die Welle beinhaltet an der Außenseite ausgehend von der Verbrennungsmotorseite entlang ihrer Längserstreckung eine externe Verzahnung, einen radial in einer Ebene verschachtelten Sitz für das Kugellager und den Radialwellendichtring, eine oder mehrere Verzahnungen für einen oder mehrere Quertriebe und den Lagersitz für das Rollenlager.
  • Anstatt einer Fest- Loslagerung durch das Kugel- und das Rollenlager sind natürlich an den benannten Lagerstellen weitere Lagerformen, wie beispielsweise eine vorgespannte Kegelrollenlagerung denkbar.
  • An der Innenseite beinhaltet die Welle in der Ebene des Rollenlagers sowie der Ebene der Verzahnung für den Quertrieb eine Innenverzahnung. Diese Innenverzahnung bildet mit der Außenverzahnung an der Rotorwelle, dem Ritzel, die Vorübersetzung für die elektrische Maschine.
  • Diese sehr kompakte Bauweise ermöglicht gegenüber einer konventionellen Stirnradstufe einen besseren Wirkungsgrad sowie einen deutlich geringeren Achsabstand und dementsprechend deutlich geringeren Bauraumbedarf bei vergleichbarer Vor-Übersetzung. Zudem ist der axiale Bauraumbedarf durch die radiale Verschachtelung geringer als bei einer konventionellen Stirnradstufe oder einem Planetengetriebe.
  • Das Getriebegehäuse ist derartig aufgebaut, dass sich die Teilungsebene im Bereich zwischen den Lagerstellen der Welle befindet und ist so ausgeführt, dass der Lagersitz für das Kugellager in dem verbrennungsmotorseitigen Gehäuseteil beinhaltet ist. Das der elektrischen Maschine zugewandte Gehäuseteil beinhaltet vorzugsweise einen Zentriersitz und entsprechende Anschraubpunkte für die elektrische Maschine. Diese weist vorzugsweise ein eigenes Gehäuse auf, dass gleichzeitig den korrespondierenden Zentriersitz für die Anbindung an das Getriebegehäuse sowie den Lagersitz für das Rollenlager der Welle beinhaltet.
  • Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt ein Schema eines Ausschnitts aus dem erfindungsgemäßen Antrieb.
  • Die einzige Figur zeigt einen Ausschnitt aus einem Antrieb 1, wie er für ein HybridFahrzeug eingesetzt werden kann. Auf der linken Seite ist eine elektrische Maschine 3 dargestellt, auf der rechten Seite ist ein Zweimassenschwungrad 2 zu erkennen, das zu einem nicht weiter ausgeführten Verbrennungsmotor gehört. Das Zweimassenschwungrad 2 und somit der Verbrennungsmotor erstreckt sich entlang einer Achse A2. Das Zweimassenschwungrad 2 treibt eine Welle 10 an, wobei das Zweimassenschwungrad 2 in eine Außenverzahnung 10e der Welle 10 eingreift. Die Welle 10 ist im Bereich des Zweimassenschwungrad 2 überwiegend kompakt ausgeführt, während sie in Richtung auf die elektrische Maschine 3 von eine Vollwelle in eine Hohlwelle übergeht.
  • Die elektrische Maschine besteht aus einem Stator 4 sowie einem Rotor 5, und einer Rotorwelle 6. Die Rotorwelle 6 ist an einem Gehäuseteil 8a sowie an einem Gehäuseteil 8b über Lager 7a und 7b gelagert. Die beiden Gehäuseteile 8a, 8b sind ineinandergesteckt und über nicht näher dargestellte Verschraubungen miteinander verschraubt. Das Gehäuseteil 8b bildet auf der Seite, die sich zum Zweimassenschwungrad 2 hin erstreckt, ein Lagerschild 8c aus. In diesem Lagerschild 8c ist die Welle 10 über ein Lager 9a gelagert. Die andere Seite der Welle 10 ist mit einem Lager 9b in der nicht näher dargestellten dem Verbrennungsmotor zugewandten Seite des Getriebegehäuses gelagert.
  • Die Rotorwelle 6 weist ein Ritzel 11 auf, dass sich in den Hohlraum 10a der Welle 10 hinein erstreckt. Die Welle 10 besitzt auf der Seite, die zum Lagerschild 8c weist, eine Innenverzahnung 10b. Die Innenverzahnung 10b wird gefolgt von einer Nut 10c. Die Innenverzahnung 10 b wird vorzugsweise mit einem Wälzschälverfahren hergestellt, für das die Nut 10c notwendig ist.
  • In der Innenverzahnung 10b wälzt sich das Ritzel 11 mit dem Radius r wie in einem Hohlrad ab. Damit erreicht man eine vorläufige Übersetzung der elektrischen Maschine 3.
  • Damit das Ritzel 11 wie in einem Hohlrad laufen kann ist die Achse A1 der Rotorwelle gegenüber der Achse der Welle 10 um einen Achsabstand 12 versetzt angeordnet. Dieser Achsversatz 12 entspricht im Ausführungsbeispiel dem halbierten Teilkreisdurchmesser der Innenverzahnung 10b in der Welle 10 abzüglich dem halben Teilkreisdurchmesser des Ritzels 11.
  • Die Welle 10 kann somit über ihre Außenverzahnung 10e und ihre Innenverzahnung 10b angetrieben werden.
  • Als weitere Verzahnung weist die Welle 10 eine Außenverzahnung 10d auf, die einen Quertrieb, wie eine Kette oder einen Zahnriemen für den Krafteintrag in ein Getriebe, das nicht dargestellt ist, treibt.
  • Der Antrieb 1 ist so ausgelegt, dass eine erste Übersetzungsstufe von Ritzel 11 zur Welle 10 und eine zweite Übersetzungsstufe von der Welle 10 in das Getriebe ausgehend von einer elektrischen Maschine 3 durch zwei unabhängige Zahneingriffe axial betrachtet innerhalb einer Ebene erfolgt, wobei die Drehmomentübertragung in der Welle 10 auf unterschiedlichen Durchmessern erfolgt.
  • Axial bedeutet dabei in Richtung der Achsen A1 und A2, während radial eine Richtung senkrecht zu den Achsen A1 und A2 beschreibt.
  • Die Lagerstelle 9a der Welle 10 liegt axial betrachtet in einer Ebene mit dem Ritzel 10 und ist radial betrachtet außerhalb des Ritzels positioniert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antrieb
    2
    Zweimassenschwungrad
    3
    elektrische Maschine
    4
    Stator
    5
    Rotor
    6
    Rotorwelle
    7a, 7b
    Lager der Rotorwelle
    8a, 8b
    Gehäuseteile
    8c
    Lagerschild
    9a 9b
    Lagerstellen Welle
    10
    Welle
    10a
    Hohlraum
    10b
    Innenverzahnung
    10c
    Nut
    10d
    Außenverzahnung
    10e
    Außenverzahnung
    11
    Ritzel
    12
    Achsabstand
    A1
    Achse Rotorwelle
    A2
    Achse Welle
    r
    Radius Ritzel

Claims (6)

  1. Antrieb (1) für ein Hybridfahrzeug mit kompakter axialer Anbindung einer elektrischen Maschine (3) an einen Radsatz eines Getriebes mit Quertrieben, wobei die elektrische Maschine (3) eine Rotorwelle (6) mit einer ersten Achse (A1) aufweist und ein Verbrennungsmotor eine zweite Achse (A2) besitzt, wobei der Verbrennungsmotor eine Welle (10) über eine externe Verzahnung (10 e) und die elektrische Maschine (3) die Welle (10) über ein umlaufendes Ritzel (11) und einer Innenverzahnung (10 b) in der Welle (10) antreibt, wobei die Achsen (A1, A2) zueinander um einen Abstand (12) beabstandet sind dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) am Gehäuse (8b) der elektrischen Maschine (3) und innerhalb des dem Verbrennungsmotors zugewandten Getriebegehäuses gelagert ist.
  2. Antrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (12) mindestens dem Ritzelradius (r) entspricht.
  3. Antrieb (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) eine Hohlwelle mit einer Innenverzahnung (10 b) und zwei Außenverzahnungen (10d, 10e) ist.
  4. Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) eine Außenverzahnung (10d) aufweist die als Quertrieb zum Getriebe dient.
  5. Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Übersetzungsstufe von Ritzel (11) zur Welle (10) und eine zweite Übersetzungsstufe von Welle (10) in ein Getriebe ausgehend von einer elektrischen Maschine (3) durch zwei unabhängige Zahneingriffe axial betrachtet innerhalb einer Ebene erfolgt, wobei die Drehmomentübertragung in der Welle (10) auf unterschiedlichen Durchmessern erfolgt.
  6. Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Lagerstelle (9a) der Welle (10) axial betrachtet in einer Ebene mit dem Ritzel (10) und radial betrachtet außerhalb positioniert ist.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102018114782A1 (de) 2018-06-20 2019-12-24 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Antriebseinheit und Antriebsanordnung
EP3730330A1 (de) 2017-04-18 2020-10-28 Volkswagen Ag Getriebestruktur für ein seriell/paralleles hybridfahrzeug
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DE102021200255A1 (de) 2021-01-13 2022-07-14 Magna Pt B.V. & Co. Kg Hybridgetriebe-Antriebssystem

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