DE102022211900A1

DE102022211900A1 - Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022211900A1
Application number: DE102022211900.2A
Authority: DE
Inventors: Hagen Doepfert; Christoph Gradl; Matthias Reisch
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2024-05-16
Also published as: CN118003872A; US20240159302A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug (100), umfassend eine elektrische Maschine (2) sowie ein Getriebe (3) mit zumindest einem ersten Planetenradsatz (P1), der mehrere Radsatzelemente in Form eines Sonnenrades (P1.1), eines Planetenträgers (P1.2) und eines Hohlrades (P1.3) aufweist, wobei die elektrische Maschine (2) einen Rotor (4) umfasst, der eine Antriebsleistung über eine Rotorwelle (5) zumindest mittelbar auf eines der Radsatzelemente des ersten Planetenradsatzes (P1) überträgt, wobei die Rotorwelle (5) über eine Steckverzahnung (6) mit einem ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes (P1) drehfest verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug (100) mit wenigstens einem solchen Antriebsstrang (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine sowie ein Getriebe mit zumindest einem ersten Planetenradsatz, der mehrere Radsatzelemente in Form eines Sonnenrades, eines Planetenträgers und eines Hohlrades aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem solchen Antriebsstrang.
Aus dem Stand der Technik sind Antriebe für Kraftfahrzeugs bekannt, die elektrische Maschinen umfassen, deren Rotorwelle einteilig mit einer Sonnenwelle eines mit der elektrischen Maschine antriebswirksam verbundenen Getriebes verbunden ist. Es ist bekannt, dass die Rotorwelle über mindestens zwei Lagerelemente gegenüber einem Getriebe- oder Antriebsgehäuse drehbar gelagert ist. Wenn die Sonnenwelle mit einer Schrägverzahnung versehen ist, wird bei Zug-Schub-Wechseln des Antriebs die gesamte Rotorwelle innerhalb des Axialspiels der Lagerelemente hin- und hergeschoben. Daraus resultiert eine mechanische Beanspruchung des gesamten Rotors der elektrischen Maschine, was sich negativ auf die Funktion eines eventuellen Rotorlagesensors auswirken könnte. Bei der Konstruktion und Auslegung des Antriebs mit einer einteiligen Rotorwellen-Sonnenwelle-Kombination ist zudem darauf zu achten, dass der Außendurchmesser der Sonnenwellenverzahnung kleiner ist als der Innendurchmesser des getriebeseitigen Rotorwellenlagers, also des Lagerelements zwischen der elektrischen Maschine und dem Getriebe.
Es ist außerdem bekannt, die Rotorwelle, die einteilig mit der Sonnenwelle verbunden ist, schwimmend zu lagern. Wird die schwimmende Lagerung der Rotorwelle mit einer Feder axial vorgespannt, kann es dazu führen, dass es zu Betriebszuständen kommt, in denen aufgrund der Axialkraft aus einer Schrägverzahnung des Sonnenrades die axiale Vorspannkraft aufgehoben wird und die Lagerelemente kinematisch unsauber laufen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kompaktbauenden Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine und einem Getriebe bereitzustellen, das unempfindlich gegenüber Koaxialitätsfehlern zwischen der elektrischen Maschine und dem Getriebe ist und das eine Auslegung und Montage des Antriebsstrangs vereinfacht. Diese Aufgabe wird mit einem Antriebsstrang nach Anspruch 1 und einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 14 gelöst. Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug umfasst eine elektrische Maschine sowie ein Getriebe mit zumindest einem ersten Planetenradsatz, der mehrere Radsatzelemente in Form eines Sonnenrades, eines Planetenträgers und eines Hohlrades aufweist, wobei die elektrische Maschine einen Rotor umfasst, der eine Antriebsleistung über eine Rotorwelle zumindest mittelbar auf eines der Radsatzelemente des ersten Planetenradsatzes überträgt, wobei die Rotorwelle über eine Steckverzahnung mit einem ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist. Das erste Radsatzelement kann über die Steckverzahnung direkt mit der Rotorwelle gekoppelt sein. Das erste Radsatzelement kann alternativ mit einer Welle einteilig verbunden sein, an der eine Innen- oder Außenverzahnung für die Steckverzahnung angeformt ist. In diesem Sinn ist entweder die Rotorwelle abschnittsweise räumlich innerhalb des ersten Radsatzelements bzw. der damit einteilig verbundenen Welle angeordnet oder das erste Radsatzelement bzw. die damit einteilig verbundene Welle ist abschnittsweise räumlich innerhalb der Rotorwelle angeordnet.
Unter einer Steckverzahnung, auch Passverzahnung genannt, wird eine formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung verstanden, bei der die Rotorwelle eine Außenverzahnung und das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes eine Innenverzahnung aufweisen, oder umgekehrt, wobei die Verzahnungen im Wesentlichen formschlüssig ineinandergreifen und dadurch eine Vielfach-Mitnehmerverbindung bilden. Bei der Steckverzahnung kann es sich bevorzugt um eine Spitz- bzw. Kerbverzahnung, also eine Passverzahnung mit Kerbflanken, oder um eine Evolventenverzahnung, also eine Passverzahnung mit Evolventenflanken, handeln. Grundsätzlich denkbar ist auch eine Steckverzahnung mit geraden und parallelen Zahnflanken. Die Zähne bzw. Mitnehmer und Zahnlücken der Steckverzahnung sind sowohl an der Rotorwelle als auch an dem ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes bzw. der damit einteilig verbundenen Welle bevorzugt axial gerade ausgebildet, also nicht wendelartig oder dergleichen. Die Steckverzahnung realisiert einerseits eine Drehmomentübertragung zwischen dem ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes und der Rotorwelle. Mithin liegt eine drehfeste Verbindung zwischen dem ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes und der Rotorwelle vor, wobei die Steckverzahnung eine axiale Bewegung des ersten Radsatzelements des ersten Planetenradsatzes relativ zur im Wesentlichen axialfesten Rotorwelle ermöglicht. Andererseits realisiert die Steckverzahnung, insbesondere unter Last, eine Zentrierung des ersten Radsatzelements zur Rotorwelle.
Die zweiteilige Ausführung der Rotorwelle und des ersten Radsatzelements des ersten Planetenradsatzes stellt sicher, dass insbesondere bei Zug-Schub-Wechseln des Antriebs nur das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes innerhalb seines Axialspiels axial beweglich ist, während die Rotorwelle seine axiale Position im Wesentlichen beibehält.
Durch die Steckverzahnung fungiert das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes als Ausgleichselement, das eventuelle Koaxialitätsfehler zwischen der Rotorwelle und dem Getriebe, insbesondere dem zumindest ersten Planetenradsatz, kompensieren kann. Mithin können Fertigungsungenauigkeiten kompensiert werden. Zudem wird die Handhabbarkeit der Rotorwelle und des ersten Radsatzelements des ersten Planetenradsatzes verbessert, da die vor der Montage separaten Teile axial kurzbauender sind, also eine einteilige Anordnung der Rotorwelle und des ersten Radsatzelements des ersten Planetenradsatzes. Dies ist insbesondere für die Verzahnungsherstellung vorteilhaft.
Die elektrische Maschine umfasst neben dem drehbar angeordneten Rotor, der mit der Rotorwelle antriebswirksam verbunden ist, einen ortsfesten Stator. 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.
Unter einem Planetenradsatz ist eine Einheit mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad und mit einem oder mehreren von einem Planetenträger auf einer Kreisbahn um das Sonnenrad geführten Planetenrädern zu verstehen, wobei die Planetenräder mit dem Hohlrad und/oder dem Sonnenrad in Zahneingriff stehen. Wenigstens ein Teil der Radsatzelemente, vorzugsweise alle Radsatzelemente, des Planetenradsatzes können gerad- oder schrägverzahnt ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist die Rotorwelle über ein erstes Lagerelement und zumindest ein zweites Lagerelement drehbar in einem ortsfesten Bauelement gelagert, wobei das erste Lagerelement axial zwischen der elektrischen Maschine und dem Getriebe und das zweite Lagerelement auf einer bezogen auf das erste Lagerelement gegenüberliegenden Seite der elektrischen Maschine angeordnet ist. Anders gesagt ist der Rotor der elektrischen Maschine axial zwischen den beiden Lagerelementen angeordnet. Das jeweilige Lagerelement ist bevorzugt als Rillenkugellager ausgebildet. Mittels eines Rillenkugellagers sind Axial- und Radialkräfte übertragbar. Für den vorliegend beschriebenen Antriebsstrang sind jedoch auch andere Lagerarten denkbar, die zumindest Radialkräfte, vorzugsweise sowohl Radial- als auch Axialkräfte übertragen. Die beiden Lagerelemente sind als Rotorwellenlager zu verstehen.
Bevorzugt ist das erste Lagerelement mittels eines Federelements axial vorgespannt. Die axiale Vorspannkraft spannt die Rotorwelle in Richtung des zweiten Lagerelements vor, so dass die Rotorwelle in ihrer axialen Position gehalten wird. Das Federelement ist ferner bevorzugt als Wellfeder ausgebildet. Durch das Federelement wird die Lagerkinematik und die Lagersteifigkeit positiv beeinflusst. Die Vorspannung erfolgt vorzugsweise am ersten Lagerelement, da sich das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes bzw. die damit drehfest verbundene Welle in eine erste Richtung axial an der Rotorwelle abstützt. Bei axialer Vorspannung am ersten Lagerelement ändert sich die axiale Position der Rotorwelle bei Zug-Schub-Wechseln nicht. Dadurch kann eine sichere und fehlerfreie Funktion eines Rotorlagesensors der elektrischen Maschine sichergestellt werden.
Nach einem Ausführungsbeispiel ist das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes über ein Axiallager gegenüber einem zweiten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes gelagert. Bevorzugt ist das Axiallager ein Axialnadellager. Mittels des Axiallagers erfolgt eine axiale Abstützung der beiden Radsatzelemente des ersten Planetenradsatzes gegeneinander.
Vorzugsweise ist das Getriebe ein integrales Differential. Dabei handelt es sich um ein kombiniertes Übersetzungs- und Differentialgetriebe, das einerseits eine Drehmomentwandlung und andererseits die Drehmomentverteilung auf die Ausgangswellen realisiert, wobei zudem eine Leistungsverzweigung realisiert wird. Mithin ist das Getriebe ein Differentialgetriebe. Es wird also ein Getriebe bereitgestellt, dass die Funktionen Drehmomentwandlung und Drehmomentverteilung durch eine einzige integrale Baugruppe darstellen kann. Bei einem derartigen Getriebe werden die Summen beider Radmomente nicht zu einem gemeinsamen Achsmoment in einem rotierenden Bauteil vereint bzw. zusammengefasst. Stattdessen wird die in das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes 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.
Unter einem integralen Differential ist im Rahmen dieser Erfindung ein Differential mit einem ersten Planetenradsatz und einem zweiten Planetenradsatz zu verstehen, wobei der erste Planetenradsatz mit der Rotorwelle, mit dem zweiten Planetenradsatz sowie mit einer ersten Ausgangswelle antriebswirksam verbunden ist. Der zweite Planetenradsatz ist mit einer zweiten Ausgangswelle antriebswirksam verbunden. Mittels eines solchen integralen Differentials ist das Eingangsmoment an der Rotorwelle wandelbar und in einem definierten Verhältnis auf die beiden Ausgangswellen aufteilbar bzw. übertragbar. Vorzugsweise wird das Eingangsmoment zu je 50%, das heißt hälftig auf die Ausgangswellen übertragen. Somit weist das Differential kein Bauteil auf, an dem die Summe der beiden Abtriebsmoment anliegt. Anders gesagt wird die Entstehung eines Summendrehmoments verhindert. Darüber hinaus weist das integrale 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 integralen Differentials. Die Ausgangswellen des integralen Differentials sind insbesondere dazu eingerichtet, zumindest mittelbar mit einem Rad des Kraftfahrzeugs verbunden zu sein.
In diesem Sinn umfasst das als integrales Differential ausgebildete Getriebe ferner einen zweiten Planetenradsatz, der mehrere Radsatzelemente in Form eines Sonnenrades, eines Planetenträgers und eines Hohlrades aufweist, wobei ein zweites Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar drehfest mit der ersten Ausgangswelle und ein drittes Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes drehfest mit einem ersten Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes verbunden sind, wobei ein zweites Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes drehfest mit einem ortsfesten Bauelement und ein drittes Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes zumindest mittelbar drehfest mit der zweiten Ausgangswelle verbunden sind, 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.
Prinzipiell können die Planetenradsätze des Getriebes, insbesondere des integralen Differentials, 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 Rotorwelle ist somit über die Steckverzahnung drehfest mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes verbunden, wobei der Planetenträger des ersten Planetenradsatzes zumindest mittelbar drehfest mit der ersten Ausgangswelle 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. Zudem ist der Planetenträger des zweiten Planetenradsatzes drehfest angeordnet, insbesondere an einem Gehäuse des Getriebes. Außerdem ist das Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes zumindest mittelbar drehfest mit der zweiten Ausgangswelle verbunden. Zwischen den Radsatzelementen der Planetenradsätze, außerdem weitere Bauteile, wie beispielsweise Zwischen- bzw. Koppelwellen, angeordnet sein. Damit gilt alles, was in den vorherigen sowie nachfolgenden Beschreibungsteilen zum ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes gesagt wird, insbesondere für das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes bzw. für die Sonnenwelle, die drehfest mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes verbunden ist.
Vorzugsweise ist das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes über wenigstens eine erste Zentrierung an der Rotorwelle radial gesichert, oder umgekehrt. Mit anderen Worten wird durch die zumindest erste Zentrierung die Zentrierwirkung der Steckverzahnung unterstützt. Zudem übernimmt die zumindest erste Zentrierung auch in solchen Betriebssituationen die Zentrierwirkung, bei der eine Zentrierung mittels der Steckverzahnung nicht erfolgt. Eine solche Betriebssituation liegt beispielsweise vor, wenn keine Lastübertragung zwischen der Rotorwelle und dem ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes erfolgt. Entweder ist das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes gegenüber der Rotorwelle zentriert oder die Rotorwelle ist gegenüber dem ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes zentriert.
Die zumindest erste Zentrierung wird ausgeführt, indem entweder die Rotorwelle in das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes bzw. die damit einteilig verbundene Welle oder alternativ das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes bzw. die damit einteilig verbundene Welle in der Rotorwelle spielarm geführt wird. Mithin liegt eine Art Passsitz vor, der ein geringeres Radialspiel der Rotorwelle relativ zum ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes bzw. der damit einteilig verbundenen Welle aufweist, jedoch eine axiale Beweglichkeit des ersten Radsatzelements bzw. der damit einteilig verbundenen Welle ermöglicht. Dadurch kann ein ruhigerer Lauf des ersten Radsatzelements des ersten Planetenradsatzes, insbesondere bei hohen Drehzahlen und/oder geringer Last, gewährleistet werden. Nicht zuletzt durch die jeweilige Zentrierung wird das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes koaxial zur Rotorwelle ausgerichtet.
Vorzugsweise ist das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes über wenigstens eine zweite Zentrierung an der Rotorwelle radial gesichert, oder umgekehrt. Die zweite Zentrierung ist bevorzugt identisch zur ersten Zentrierung ausgeführt, sodass auf das zur ersten Zentrierung Gesagte verwiesen wird.
Nach einem Ausführungsbeispiel ist die Steckverzahnung axial zwischen den beiden Zentrierungen angeordnet. Durch die spezifische Anordnung der beiden Zentrierungen axial benachbart zur Steckverzahnung kann einem Verkippen der Rotorwelle relativ zum ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes, oder umgekehrt, wirksam entgegengewirkt werden. Zudem wird die radiale Spielfreiheit zwischen dem ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes und der Rotorwelle durch eine weitere Zentrierung verbessert. Alternativ kann die Zentrierung auch direkt in der Verzahnung erfolgen. Beispielsweise indem der Kopfkreis der Wellenverzahnung sich im Fußkreis der Nabenverzahnung zentriert, oder umgekehrt.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zumindest das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes schrägverzahnt ist. Entsprechend sind auch zumindest das zweite und dritte Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes schrägverzahnt ausgeführt. Nach einem Ausführungsbeispiel sind auch die Radsatzelemente des zweiten Planetenradsatzes schrägverzahnt ausgeführt. Es ist vorteilhaft, die Schrägungsrichtung der Verzahnung so zu wählen, dass das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes, das über die Steckverzahnung mit der Rotorwelle gekoppelt ist, insbesondere das Sonnenrad bzw. die mit dem Sonnenrad einteilig verbundene Sonnenwelle, im Zugbetrieb des Antriebs axial gegen das tragfähigere Axialnadellager drückt. Im Schubbetrieb, der in der Regel geringere Lasten aufweist als der Zugbetrieb, drückt das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes dann über die Rotorwelle gegen das zweite Lagerelement.
Vorzugsweise ist der jeweilige Planetenradsatz als Minus-Planetenradsatz oder als Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist. 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.
Bei der Ausbildung eines oder beider 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. Dabei wären dann im Vergleich zu dem Plus-Planetensatz ebenfalls die Hohlrad- und die Planetenträgeranbindung miteinander zu tauschen, sowie eine Getriebestandübersetzung um eins zu reduzieren und das Vorzeichen zu wechseln. Im Rahmen der Erfindung sind die zwei Planetenradsätze jedoch bevorzugt jeweils als Minus-Planetensatz ausgeführt. Minus-Planetensätze haben einen guten Wirkungsgrad und lassen sich axial nebeneinander anordnen oder radial schachteln.
Denkbar ist ferner, einen oder beide 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.
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 direkt oder über eine Festübersetzung erfolgen. Die Verbindung kann beispielsweise über eine feste Welle, eine Verzahnung, insbesondere eine Stirnradverzahnung, und/oder ein Umschlingungsmittel erfolgen.
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.
Unter einer „Welle“ ist ein rotierbares Bauteil des Getriebes zu verstehen, über welches je zugehörige Komponenten des Getriebes drehfest miteinander verbunden sind oder über das eine derartige Verbindung bei Betätigung eines entsprechenden Schaltelements hergestellt wird. 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.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug sieht mindestens einen Antriebsstrang gemäß den vorherigen Ausführungen vor. Der Antriebsstrang kann somit in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, insbesondere in einem Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), einem Bus oder einem Lastkraftwagen (Bus und Lastkraftwagen z. B. mit einem Gewicht von über 3,5 t). Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Das Kraftfahrzeug 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 auf wenigstens eines der Räder, vorzugsweise auf beide Räder, dieser Achse überträgt. Es ist auch denkbar, für jede Achse des Kraftfahrzeugs einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang vorzusehen, sodass jede Achse eine angetriebene Achse ist.
Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs gelten sinngemäß ebenfalls für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, und umgekehrt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt

1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang, und
2 eine vereinfachte schematische Teillängsschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Antriebsstranges gemäß 1.

Gemäß 1 ist ein Kraftfahrzeug 100 mit zwei Achsen 11a, 11b dargestellt, wobei an der ersten Achse 11a ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang 2 antriebswirksam angeordnet ist. Die erste Achse 11a kann sowohl Frontachse als auch Heckachse des Kraftfahrzeugs 100 sein und bildet eine angetriebene Achse des Kraftfahrzeugs 100. Hier ist die erste Achse 11a die Heckachse des Kraftfahrzeugs 100.
Der Antriebsstrang 1 umfasst eine elektrische Maschine 2 sowie ein damit wirkverbundenes Getriebe 3, wobei der Aufbau und die Anordnung des Antriebsstranges 1 in 2 näher erläutert wird. Die elektrische Maschine 2 umfasst einen ortsfesten, insbesondere fahrwerkfesten, Stator 8 sowie einen gemäß 2 über zwei Lagerelemente L1, L2 drehbar dazu gelagerten Rotor 4 mit einer Rotorwelle 5. Die Lagerelemente L1, L2 stützten die Rotorwelle teilweise radial, teilweise axial am ortsfesten Bauelement G ab. Das ortsfeste Bauelement G ist als Gehäuse des Antriebsstranges 1 zu verstehen.
Die elektrische Maschine wird durch einen - hier nicht gezeigten - Akkumulator mit elektrischer Energie versorgt, welcher entsprechend wirksam mit dem in 2 gezeigten Stator 8 verbunden ist. Ferner ist die elektrische Maschine 2 mit einer - hier nicht gezeigten - Leistungselektronik zur Steuerung und Regelung verbunden. Durch Bestromung des Stators 8 wird der Rotor 4 zusammen mit der Rotorwelle 5 in eine Drehbewegung relativ zum Stator 8 versetzt. Die Antriebsleistung der elektrischen Maschine 2 wird über die Rotorwelle 5 in das als integrales Differential ausgebildete Getriebe 3 geleitet und dort auf eine erste Ausgangswelle A1 und eine zweite Ausgangswelle A2 aufgeteilt. Die elektrische Maschine 2 ist koaxial zum Getriebe 3 angeordnet. Die koaxial zueinander angeordneten Ausgangswellen A1, A2 sind jeweils mittelbar an einem in 1 gezeigten Rad 101 der ersten Achse 11a angeschlossen, um das Fahrzeug 1 anzutreiben. Zwischen dem jeweiligen Rad 101 und den Ausgangswellen A1, A2 können - hier nicht gezeigte Gelenke und Radnaben angeordnet sein, um eventuelle Schiefstellungen der Ausgangswellen A1, A2 auszugleichen. Demnach kann die erste Achse 11 a koaxial oder achsparallel zu einer Rotationsachse R der koaxialen Ausgangswellen A1, A2 angeordnet sein. Das Kraftfahrzeug 100 ist vorliegend ein Elektrofahrzeug, wobei der Antrieb rein elektrisch erfolgt.
Gemäß 2 umfasst das als integrale Differential ausgebildete Getriebe 3 einen ersten Planetenradsatz P1, der mehrere Radsatzelemente in Form eines Sonnenrades P1.1, eines Planetenträgers P1.2 und eines Hohlrades P1.3 aufweist, sowie einen zweiten Planetenradsatz P2, der ebenfalls mehrere Radsatzelemente in Form eines Sonnenrades P2.1, eines Planetenträgers P2.2 und eines Hohlrades P2.3 aufweist. Die beiden Planetenradsätze P1, P2 sind vorliegend als Minus-Planetenradsatz ausgeführt. Demnach weist der erste Planetenradsatz P1 einen Satz Planetenräder P1.4 auf, die mit dem Sonnenrad P1.1 und dem Hohlrad P1.3 des ersten Planetenradsatzes P1 kämmen und drehbar am Planetenträger P1.2 gelagert sind. Außerdem weist der zweite Planetenradsatz P2 einen Satz Planetenräder P2.4 auf, die mit dem Sonnenrad P2.1 und dem Hohlrad P2.3 des zweiten Planetenradsatzes P2 kämmen und drehbar am Planetenträger P2 .2 gelagert sind. Die Planetenräder P1.4, P2.4 sind über jeweilige Planetenbolzen 14 am dazugehörigen Planetenträger P1.2, P2.2 gelagert.
Vorliegend ist das jeweilige erste Radsatzelement des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2 das Sonnenrad P1.1, P2.1, das jeweilige zweite Radsatzelement des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2 der Planetenträger P1.2, P2.2 und das jeweilige dritte Radsatzelement des jeweiligen Planetenradsatzes P1, P2 das Hohlrad P1.3, P2.3 ist. Vorliegend sind alle Radsatzelemente der Planetenradsätze P1, P2 schrägverzahnt ausgeführt.
Das Sonnenrad P1.1 des ersten Planetenradsatzes P1 ist drehfest mit einer Sonnenwelle 10 verbunden, die über eine Steckverzahnung 6 mit der Rotorwelle 5 gekoppelt ist. Die Steckverzahnung ist axial zwischen einer ersten Zentrierung Z1 und einer zweiten Zentrierung Z2 angeordnet, wobei die Zentrierungen Z1, Z2 ein radiales Spiel zwischen der Rotorwelle 5 und der Sonnenwelle 10 minimieren. Die Zentrierungen Z1, Z2 gewährleisten einen ruhigeren Lauf der Sonnenwelle 10 bei hohen Drehzahlen und geringer Last. Die Drehmomentübertragung zwischen der Rotorwelle 5 und der Sonnenwelle 10 erfolgt mittels der Steckverzahnung 6. Unter Last fungiert auch die Steckverzahnung 6 als Zentrierung der Rotorwelle 5 relativ zur Sonnenwelle 10. Im vorliegenden Fall ist die Sonnenwelle 10 in die Rotorwelle 5 eingepresst.
Die Sonnenwelle 10 und das Sonnenrad P1.1 des ersten Planetenradsatzes P1 sind über ein als Axialnadellager ausgeführtes Axiallager 9 axial am Planetenträger P1.2 des ersten Planetenradsatzes P1 abgestützt. Der Planetenträger P1.2 des ersten Planetenradsatzes P1 ist über eine zweite Steckverzahnung 12 drehfest mit der ersten Ausgangswelle A1 verbunden. Die erste Ausgangswelle A1 ist axial durch die elektrische Maschine 2 hindurchgeführt, wodurch weiterer Bauraum eingespart wird. Das Hohlrad P1.3 des ersten Planetenradsatzes P1 ist einteilig mit dem Sonnenrad P2.1 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden. Der Planetenträger P2.2 des zweiten Planetenradsatzes P2 ist am ortsfesten Bauelement G festgesetzt, wobei das Hohlrad P2.3 des zweiten Planetenradsatzes P2 über ein Koppelelement 13 drehfest mit der zweiten Ausgangswelle A2 verbunden ist. Mittels des ersten Planetenradsatzes P1 ist ein erstes Abtriebsmoment auf die erste Ausgangswelle A1 übertragbar, wobei ein Abstützmoment des ersten Planetenradsatzes P1 in dem zweiten Planetenradsatz P2 derart wandelbar ist, dass ein dem ersten Abtriebsmoment entsprechendes zweites Abtriebsmoment auf die zweite Ausgangswelle A2 übertragbar ist.
Das erste Lagerelement L1 zur Lagerung der Rotorwelle 5 ist axial zwischen der elektrischen Maschine 2 und dem Getriebe 3 angeordnet, wobei das zweite Lagerelement L2 zur Lagerung der Rotorwelle 5 auf einer bezogen auf das erste Lagerelement L1 gegenüberliegenden Seite der elektrischen Maschine 2 angeordnet ist. Mithin ist in der Darstellung nach 2 das erste Lagerelement L1 rechts und das zweite Lagerelement L2 links der elektrischen Maschine 2 angeordnet. Das erste Lagerelement L1 ist mittels eines als Wellfeder ausgebildeten Federelements 7 axial in Richtung der elektrischen Maschine 2 vorgespannt, um die Rotorwelle 5 in seiner axialen Position zu halten. Das zweite Lagerelement L2 stützt sich gleichzeitig am ortsfesten Bauelement G axial ab. Die Vorspannung erfolgt also vorzugsweise am rechten Lagerelement L1, da sich die Sonnenwelle 10 in eine erste Richtung axial an der Rotorwelle 5 abstützt. Bei Vorspannung am ersten Lagerelement L1 ändert sich die axiale Position der Rotorwelle 5 bei Zug-Schub-Wechseln nicht.
Durch die Schrägverzahnungen an den Radsatzelementen drückt die Sonnenwelle 10 im Zugbetrieb axial gegen das tragfähigere Axiallager 9. Im Schubbetrieb drückt die Sonnenwelle 10 entgegengesetzt dazu über die Rotorwelle 5 gegen das zweite Lagerelement L2, das am ortsfesten Bauelement G axial abgestützt ist.
Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Beschreibung und der Patentansprüche. Insbesondere erkennt der Fachmann, dass die Rotorwelle 5 ebenso abschnittsweise, also im Bereich der Steckverzahnung 6, räumlich innerhalb der Sonnenwelle 10 angeordnet sein kann.
Denkbar ist ferner, dass die zweite Achse 11b des Kraftfahrzeugs 100 ebenfalls einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang 2 aufweist.
Bezugszeichen

1: Antrieb
2: elektrische Maschine
3: Getriebe
4: Rotor
5: Rotorwelle
6: Steckverzahnung
7: Federelement
8: Stator
9: Axiallager
10: Sonnenwelle
11 a: Erste Achse
11 b: Zweite Achse
12: Zweite Steckverzahnung
13: Koppelelement
14: Planetenbolzen
100: Kraftfahrzeug
101: Rad
A1: Erste Ausgangswelle
A2: Zweite Ausgangswelle
G: ortsfestes Bauelement
L1: Erstes Lagerelement
L2: Zweites Lagerelement
P1: Erster Planetenradsatz
P1.1: Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes
P1.2: Planetenträger des ersten Planetenradsatzes
P1.3: Hohlrad des ersten Planetenradsatzes
P1.4: Planetenrad des ersten Planetenradsatzes
P2: Zweiter Planetenradsatz
P2.1: Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes
P2.2: Planetenträger des zweiten Planetenradsatzes
P2.3: Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes
P2.4: Planetenrad des zweiten Planetenradsatzes
R: Rotationsachse
Z1: Erste Zentrierung
Z2: Zweite Zentrierung

Claims

Antriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug (100), umfassend eine elektrische Maschine (2) sowie ein Getriebe (3) mit zumindest einem ersten Planetenradsatz (P1), der mehrere Radsatzelemente in Form eines Sonnenrades (P1.1), eines Planetenträgers (P1.2) und eines Hohlrades (P1.3) aufweist, wobei die elektrische Maschine (2) einen Rotor (4) umfasst, der eine Antriebsleistung über eine Rotorwelle (5) zumindest mittelbar auf eines der Radsatzelemente des ersten Planetenradsatzes (P1) überträgt, wobei die Rotorwelle (5) über eine Steckverzahnung (6) mit einem ersten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes (P1) drehfest verbunden ist.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 1, wobei die Rotorwelle (5) über ein erstes Lagerelement (L1) und zumindest ein zweites Lagerelement (L2) drehbar in einem ortsfesten Bauelement (G) gelagert ist, wobei das erste Lagerelement (L1) axial zwischen der elektrischen Maschine (2) und dem Getriebe (3) und das zweite Lagerelement (L2) auf einer bezogen auf das erste Lagerelement (L1) gegenüberliegenden Seite der elektrischen Maschine (2) angeordnet ist.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 2, wobei das erste Lagerelement (L1) mittels eines Federelements (7) axial vorgespannt ist.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 3, wobei das Federelement (7) als Wellfeder ausgebildet ist.
Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes (P1) über ein Axiallager (9) gegenüber einem zweiten Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes (P1) gelagert ist.
Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe (3) ein integrales Differential ist.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 6, wobei - das Getriebe (3) ferner einen zweiten Planetenradsatz (P2) umfasst, der mehrere Radsatzelemente in Form eines Sonnenrades (P2.1), eines Planetenträgers (P2.2) und eines Hohlrades (P2.3) aufweist, - ein zweites Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes (P1) zumindest mittelbar drehfest mit der ersten Ausgangswelle (A1) und ein drittes Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes (P1) drehfest mit einem ersten Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes (P2) verbunden sind, - ein zweites Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes (P2) drehfest mit einem ortsfesten Bauelement (G) und ein drittes Radsatzelement des zweiten Planetenradsatzes (P2) zumindest mittelbar drehfest mit der zweiten Ausgangswelle (A2) verbunden sind, - mittels des ersten Planetenradsatzes (P1) zumindest mittelbar ein erstes Abtriebsmoment auf die erste Ausgangswelle (A1) übertragbar ist, wobei ein Abstützmoment des ersten Planetenradsatzes (P1) in dem zweiten Planetenradsatz (P2) derart wandelbar ist, dass ein dem ersten Abtriebsmoment entsprechendes zweites Abtriebsmoment auf die zweite Ausgangswelle (A2) übertragbar ist.
Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige erste Radsatzelement des jeweiligen Planetenradsatzes (P1, P2) das Sonnenrad (P1.1, P2.1), das jeweilige zweite Radsatzelement des jeweiligen Planetenradsatzes (P1, P2) der Planetenträger (P1.2, P2.2) und das jeweilige dritte Radsatzelement des jeweiligen Planetenradsatzes (P1, P2) das Hohlrad (P1.3, P2.3) ist.
Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes (P1) über wenigstens eine erste Zentrierung (Z1) an der Rotorwelle (5) radial gesichert ist, oder umgekehrt.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 9, wobei das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes (P1) über wenigstens eine zweite Zentrierung (Z2) an der Rotorwelle (5) radial gesichert ist, oder umgekehrt.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 9 und Anspruch 10, wobei die Steckverzahnung (6) axial zwischen den beiden Zentrierungen (Z1, Z2) angeordnet ist.
Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest das erste Radsatzelement des ersten Planetenradsatzes (P1) schrägverzahnt ist.
Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Planetenradsatz (P1, P2) als Minus-Planetenradsatz oder als Plus-Planetenradsatz ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (100), umfassend wenigstens einen Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.