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Die Erfindung betrifft einen Elektroantrieb für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Elektroantrieb. Der Elektroantrieb kann als alleiniger Antrieb für das Kraftfahrzeug dienen oder es kann zusätzlich ein Verbrennungsmotor vorgesehen sein. In diesem Fall können der Elektroantrieb und der Verbrennungsmotor jeweils für sich oder gemeinsam überlagert das Kraftfahrzeug antreiben. Derartige Antriebskonzepte werden auch als „Hybridantrieb“ bezeichnet.
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Üblicherweise umfasst ein Elektroantrieb einen Elektromotor und ein nachgeschaltetes Untersetzungsgetriebe, welches die vom Elektromotor erzeugte Drehbewegung vom Schnellen ins Langsame übersetzt. Vom Untersetzungsgetriebe wird das Drehmoment auf den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs übertragen. Hierfür teilt ein dem Untersetzungsgetriebe im Drehmomentfluss nachgelagertes Differentialgetriebe das eingeleitete Drehmoment auf zwei Ausgangswellen zum Antreiben der Räder auf. Die beiden Ausgangswellen des Differentialgetriebes haben untereinander eine ausgleichende Wirkung, d. h. dreht eine der beiden Ausgangswellen schneller, so dreht die andere der beiden Ausgangswellen entsprechend langsamer, und umgekehrt.
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Aus der
US 7 497 286 B2 ist ein Elektroantrieb für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs bekannt. Der Elektroantrieb umfasst einen Elektromotor, ein Planetengetriebe als Untersetzungsgetriebe und ein Differentialgetriebe, das dem Untersetzungsgetriebe im Drehmomentfluss nachgeschaltet ist. Das Planetengetriebe und das Differentialgetriebe sind koaxial und innerhalb des Elektromotors angeordnet. Das Sonnenrad des Planetengetriebes wird vom Elektromotor angetrieben. Der Planetenträger ist abgestützt und das Hohlrad treibt den Differentialkorb des Differentialgetriebes an.
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Aus der
DE 20 2005 019 438 U1 ist eine Antriebseinheit bekannt, bei der ein Elektromotor koaxial zum Differentialgetriebe angeordnet ist. Eine Übersetzung ins Langsame erfolgt über eine Getriebestufe auf einer Vorgelegewelle. Auf der Vorgelegewelle ist ein Wechselgetriebe vorgesehen, das zwei Gangstufen aufweist und über zwei Schaltkupplungen schaltbar ist.
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Aus der
DE 100 02 133 B4 ist ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein Elektromotor und ein Planetengetriebe koaxial zueinander angeordnet sind. Die Kraftübertragung auf das achsversetzte Differentialgetriebe erfolgt mittels eines Riementriebs über ein stufenlos verstellbares Getriebe sowie eine Kupplung.
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Aus der
DE 10 2005 019 265 A1 ist ein Antriebsstrang mit einem stufenlosen Riemengetriebe, einer nachgelagerten Untersetzungsgetriebeeinheit mit einem Planetenrädersatz sowie ein nachgelagertes Differentialgetriebe bekannt. Die Drehzahl der auf das Differentialgetriebe übertragbaren Drehbewegung kann stufenlos über das Riemengetriebe eingestellt werden.
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Aus der
DE 34 15 774 A1 ist ein Antriebsstrang mit einem stufenlosen Riemengetriebe und einem Planetengetriebe mit zwei Planetenradsätzen bekannt. Zwischen dem Riemengetriebe und dem Planetengetriebe ist ein Vorwärtsgang/Rückwärtsgang-Umschaltmechanismus vorgesehen. Der Umschaltmechanismus umfasst unter anderem einen Schalthebel, der eine Hülse in verschiedene Richtungen bewegen kann. Unabhängig davon, in welcher Position die Hülse ist wird ein Drehmoment immer über beide Planetenradsätze übertragen.
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Die Integration eines Elektroantriebs bzw. Hybridantriebs mit einem nachgeschalteten Untersetzungsgetriebe gestaltet sich häufig aufgrund eines knapp bemessenen verfügbaren Bauraums als schwierig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektroantrieb für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, der kompakt baut und eine einfache Integration in bestehende Bauraumverhältnisse ermöglicht. Weiter besteht die Aufgabe darin, ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Elektroantrieb bzw. Hybridantrieb vorzuschlagen.
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Die Lösung besteht in einem Elektroantrieb für ein Kraftfahrzeug umfassend einen Elektromotor und eine Getriebeeinheit, wobei die Getriebeeinheit eine von dem Elektromotor antreibbare erste Getriebestufe, eine von der ersten Getriebestufe antreibbare zweite Getriebestufe und ein von der zweiten Getriebestufe antreibbares Differentialgetriebe aufweist, wobei die erste Getriebestufe ein Antriebsrad und ein Abtriebsrad aufweist, wobei das Antriebsrad koaxial zu einer Ausgangswelle des Elektromotors angeordnet ist und von dem Elektromotor um eine erste Drehachse drehend antreibbar ist, und wobei das Abtriebsrad mit dem Antriebsrad antriebsverbunden und um eine zweite Drehachse drehend antreibbar ist, wobei die zweite Drehachse parallel versetzt zur ersten Drehachse angeordnet ist, und wobei die zweite Getriebestufe und das Differentialgetriebe koaxial zur zweiten Drehachse angeordnet sind; wobei die zweite Getriebestufe ein Planetengetriebe mit einer ersten Planetenradstufe und einer zweite Planetenradstufe aufweist, wobei die erste Planetenradstufe ein erstes Hohlrad, ein erstes Sonnenrad, mehrere erste Planetenräder sowie einen ersten Planetenträger aufweist, wobei die zweite Planetenradstufe ein zweites Hohlrad, ein zweites Sonnenrad, mehrere zweite Planetenräder sowie einen zweiten Planetenträger aufweist; wobei die erste Planetenradstufe ein erstes Übersetzungsverhältnis zwischen einem Eingangsteil und einem Ausgangsteil des Planetengetriebes aufweist, und wobei die zweite Planetenradstufe ein zweites Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil aufweist; wobei eine extern ansteuerbare Kupplungsanordnung zum Schalten der ersten Planetenradstufe und der zweiten Planetenradstufe vorgesehen ist, so dass Drehmoment entweder über die erste Planetenradstufe oder die zweite Planetenradstufe vom Eingangsteil auf das Ausgangsteil übertragen wird.
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Der erfindungsgemäße Elektroantrieb hat den Vorteil, dass dieser einen kompakten Aufbau hat. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der zwischen der ersten Drehachse des Elektromotors und der zweiten Drehachse der zweiten Getriebestufe vorhandene Achsversatz durch die erste Getriebestufe genutzt wird, um eine erste Übersetzung ins Langsame zu erzeugen. Des Weiteren ist es in Hinblick auf den Bauraum günstig, dass die zweite Getriebestufe und das Differentialgetriebe koaxial zueinander angeordnet sind. Dadurch, dass das Planetengetriebe und das Differentialgetriebe koaxial zueinander bzw. zur zweiten Drehachse angeordnet sind, hat die Getriebeeinheit eine geringe radiale Baugröße.
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Der Elektroantrieb eignet sich als alleiniger Antrieb für ein Kraftfahrzeug oder als zusätzliche Antriebsquelle in einem Kraftfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor als Hauptantriebsquelle aufweist, die auch als Hybridantriebe bezeichnet werden. Der Elektroantrieb kann zum Antreiben einer beliebigen Antriebsachse eingesetzt werden, das heißt Vorderachse und/oder Hinterachse.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erste Getriebestufe ein Untersetzungsgetriebe, das eine Übersetzung ins Langsame erzeugt. Insofern dreht das Eingangsteil der zweiten Getriebestufe langsamer als das Abtriebsrad der ersten Getriebestufe. Die Getriebestufe kann einen Kettentrieb oder einen Riementrieb oder ein Stirnradgetriebe aufweisen. Dabei bietet die Verwendung eines Riementriebs den Vorteil, dass die erste Getriebestufe trocken laufen kann, das heißt eine Schmierung ist nur in der zweiten Getriebestufe bzw. im Differentialgetriebe erforderlich. Bei der Ausführungsform mit Riementrieb ist das Antriebsrad eine erste Riemenscheibe mit kleinerem Durchmesser und das Abtriebsrad eine zweite Riemenscheibe mit größerem Durchmesser. Dabei sind die erste und zweite Riemenscheibe über einen unendlichen Riemen miteinander zur Übertragung eines Drehmoments antriebsverbunden. Bei Verwendung eines Kettentriebs ist der Aufbau ähnlich. Das Antriebsrad ist ein kleines Zahnrad, das Abtriebsrad ein Zahnrad mit größerem Durchmesser. Die beiden Zahnräder sind über eine unendliche Kette miteinander zur Übertragung eines Drehmoments antriebsverbunden. Bei Verwendung eines Stirnradgetriebes als erste Getriebestufe sind das erste Antriebsrad und das zweite Antriebsrad direkt miteinander in Verzahnungseingriff oder über weitere zwischengeschaltete Zahnräder miteinander zur Übertragung eines Drehmoments antriebsverbunden.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die zweite Getriebestufe zumindest ein Planetengetriebe, mit einem Hohlrad, einem Sönhenräd, mehreren Planetenräder sowie einem Planetenträger. Das Hohlrad, das Sonnenrad und der Planetenträger sind koaxial zur zweiten Drehachse angeordnet. Die Planetenräder sind an dem Planetenträger drehbar gelagert und laufen mit diesem gemeinsam um die zweite Drehachse um. Dabei sind die Planetenräder jeweils mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad in Verzahnungseingriff. Vorzugsweise ist eines der Räder, Sonnenrad oder Hohlrad, mit dem Abtriebsrad der ersten Getriebestufe antriebsverbunden, während das andere der beiden Räder, Hohlrad oder Sonnenrad, an einem ortsfesten Bauteil im Drehsinn abgestützt oder abstützbar ist. Als Ausgangsteil des Planetengetriebes dient der Planetenträger, der mit dem Differentialkorb zur Übertragung eines Drehmoments verbunden ist.
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Das ortsfeste Bauteil kann beispielsweise ein Getriebegehäuse oder ein hiermit verbundenes Bauteil sein. Zur Drehmomentübertragung zwischen dem Abtriebsrad der ersten Getriebestufe und dem Eingangsrad der zweiten Getriebestufe kann beispielsweise eine Hohlwelle zwischengeschaltet sein, die koaxial zur zweiten Drehachse angeordnet ist und durch welche eine von dem Differentialgetriebe angetriebene Seitenwelle des Kraftfahrzeugs hindurchgeführt ist. Ein besonders kompakter Aufbau mit einem direkten Drehmomentfluss ergibt sich, wenn das Drehmoment über das Sonnenrad in das Planetengetriebe eingeleitet wird, und wenn das Hohlrad gegenüber dem ortsfesten Bauteil abgestützt oder abstützbar ist.
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Das Hohlrad kann mit dem ortsfesten Bauteil permanent drehfest verbunden sein, was auch als abgestützt bezeichnet wird, oder das Hohlrad kann wahlweise drehfest mit dem ortsfesten Bauteil verbunden und gegenüber diesem freigegeben werden, was auch als abstützbar bezeichnet wird. Diese lösbare drehfeste Verbindung kann beispielsweise mittels einer Kupplung bewerkstelligt werden, die im Leistungspfad zwischen dem Hohlrad und dem ortsfesten Bauteil angeordnet ist.
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Das Differentialgetriebe umfasst mehrere in dem Differentialkorb drehbar gelagerte Differentialräder, die gemeinsam mit dem Differentialkorb um die Drehachse umlaufen, sowie zwei Seitenwellenräder, die koaxial zur Drehachse drehbar gelagert und mit den Differentialrädern in Verzahnungseingriff sind. Für einen kompakten Aufbau ist es günstig, wenn das Planetengetriebe axial benachbart zum Differentialkorb angeordnet ist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform kann eine extern ansteuerbare Kupplungsanordnung vorgesehen sein, die vorzugsweise zwischen dem Hohlrad des Planetengetriebes und dem ortsfesten Bauteil wirkend angeordnet ist. Die Kupplungsanordnung ist so gestaltet, dass wahlweise ein Drehmoment zwischen dem Hohlrad und dem ortsfesten Bauteil übertragen oder die Drehmomentübertragung unterbrochen werden kann. Die Kupplungsanordnung kann prinzipiell an beliebiger Stelle im Leistungspfad zwischen dem Hohlrad und dem ortsfesten Bauteil angeordnet sein. Zur Betätigung der Kupplungsanordnung ist vorzugsweise zumindest eine extern ansteuerbare Betätigungsvorrichtung vorgesehen. Die Betätigungsvorrichtung wird nach einer bevorzugten Ausgestaltung von einer elektronischen Steuereinheit des Kraftfahrzeugs nach Bedarf angesteuert. Durch die Verwendung einer Kupplungsanordnung wird in vorteilhafter Weise eine flexible Drehmomenteinleitung bzw. eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses erreicht.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Ausführungsform mit Kupplung umfasst das Planetengetriebe zwei Planetenradstufen, die funktional parallel zueinander angeordnet sind und die ein unterschiedliches Übersetzungsverhältnis aufweisen. Das heißt, die erste Planetenradstufe hat ein erstes Übersetzungsverhältnis und die zweite Planetenradstufe hat ein zweites Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangsteil und Ausgangsteil. Hiermit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass das in das Planetengetriebe eingeleitete Drehmoment auf das Differentialgetriebe wahlweise über die erste Planetenradstufe übertragen wird, so dass der Differentialkorb mit einer ersten Drehzahl angetrieben wird, oder über die zweite Planetenradstufe, so dass der Differentialkorb mit einer unterschiedlichen zweiten Drehzahl angetrieben wird. Die beiden Planetenradstufen umfassen jeweils ein Sonnenrad, ein Hohlrad, mehrere Planetenräder und einen Planetenträger, an dem die Planetenräder drehbar gelagert sind. Die Räder der ersten Planetenstufe werden im Folgenden auch als erste Räder und die Räder der zweiten Planetenstufe werden auch als zweite Räder bezeichnet.
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Das erste und das zweite Sonnenrad sind drehfest miteinander verbunden, so dass sie mit derselben Drehzahl um die zweite Drehachse rotieren. Die ersten und zweiten Planetenräder sind entsprechend mit dem Planetenträger bzw. mit dem Differentialkorb verbunden, so dass sie mit diesem gemeinsam umlaufen. Das erste und zweite Hohlrad können über die Kupplungsanordnung wahlweise gegenüber dem ortsfesten Bauteil im Drehsinn abgestützt oder gegenüber diesem freigegeben werden.
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Die Kupplungsanordnung kann verschiedene Ausgestaltungen haben. Beispielsweise kann die Kupplungsanordnung eine oder mehrere Schaltkupplungen umfassen, die insbesondere über Formschlussmittel eine Drehmomentübertragung zwischen einem ersten Kupplungsteil und einem zweiten Kupplungsteil bewerkstelligt. Als Beispiele seien hier eine Zahnkupplung oder eine Klauenkupplung genannt. Die Kupplungsanordnung kann auch eine oder mehrere Reibungskupplungen umfassen, die eine Drehmomentübertragung über Kraftschluss herstellen. Reibungskupplungen haben den Vorteil, dass die Drehmomentübertragung zwischen einer Offenstellung, in der kein Drehmoment übertragen wird, und einer Schließstellung, in der das vollständige Drehmoment zwischen Kupplungseingangsteil und Kupplungsausgangsteil übertragen wird, auch in jeder Zwischenstellung variabel einstellbar ist.
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In der Ausgestaltung, in der die Kupplungsanordnung zumindest eine Schaltkupplung umfasst, ist diese zumindest in eine erste Schaltstellung und in eine zweite Schaltstellung überführbar. In der ersten Schaltstellung ist das erste Hohlrad mit dem ortsfesten Bauteil drehfest verbunden und das zweite Hohlrad gegenüber dem ortsfesten Bauteil frei drehbar. Umgekehrt, ist in der zweiten Schaltstellung der Schaltkupplung das erste Hohlrad gegenüber dem ortsfesten Bauteil frei drehbar, während das zweite Hohlrad mit dem ortsfesten Bauteil zur Übertragung eines Drehmoments drehfest verbunden ist. Durch Schalten der Schaltkupplung in die erste bzw. zweite Schaltstellung lassen sich unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse des Planetengetriebes realisieren, beispielsweise ein erstes Übersetzungsverhältnis, das kleiner als 20 ist, das heißt i1 < 20, und ein kleineres zweites Übersetzungsverhältnis, das je nach Zähnezahl der Räder beispielsweise zwischen 8 und 15 liegen kann, das heißt i2 = 8 bis 15. Bei Verwendung einer Reibungskupplung anstelle einer Schaltkupplung wäre das Übersetzungsverhältnis auch in Zwischenbereichen zwischen dem ersten und zweiten Übersetzungsverhältnis frei einstellbar. Die Schaltkupplung kann auch in eine dritte Schaltstellung überführbar sein, in der das erste Hohlrad und das zweite Hohlrad relativ zum ortsfesten Bauteil frei drehbar sind.
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Für ein höchstes Maß an Flexibilität, was die Einstellung des zu übertragenden Drehmoments angeht, ist es günstig, wenn die Kupplungsanordnung eine erste Reibungskupplung umfasst, die zwischen dem ersten Hohlrad und dem ortsfesten Bauteil angeordnet ist, und eine zweite Reibungskupplung, die zwischen dem zweiten Hohlrad und dem ortsfesten Bauteil angeordnet ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die erste und die zweite Reibungskupplung jeweils zwischen einer Offenstellung, in der eine Drehmomentübertragung unterbrochen ist, und einer Schließstellung, in der Drehmoment übertragen wird, variabel ansteuerbar sind. Vorzugsweise sind die Reibungskupplungen in Form von Reiblamellenkupplungen gestaltet. Die Reiblamellenkupplungen umfassen jeweils ein erstes Kupplungsteil, mit dem erste Lamellen drehfest verbunden sind, und ein zweites Kupplungsteil, mit dem zweite Lamellen drehfest verbunden sind. Dabei sind die ersten und zweiten Lamellen axial abwechselnd angeordnet und bilden gemeinsam ein Lamellenpaket.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist für die erste und die zweite Reibungskupplung jeweils eine separate Betätigungseinheit vorgesehen, welche die zugehörige Reibungskupplung individuell betätigen kann. Die beiden Betätigungseinheiten werden vorzugsweise von einer elektronischen Steuereinheit nach Bedarf angesteuert.
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Die Lösung der obengenannten Aufgabe besteht weiter in einem Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Elektroantrieb. Dabei kann der Elektroantrieb eine oder mehrere der obengenannten Ausgestaltungen aufweisen. Der Vorteil besteht darin, dass im Kraftfahrzeug nur ein geringer Bauraum zur Verfügung gestellt werden muss. Durch Verwendung einer Kupplungsanordnung bzw. mehrerer Planetenradstufen lassen sich verschiedene Übersetzungsverhältnisse erzeugen, die auf die Anforderungen des Fahrzeugantriebs angepasst werden können.
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Bevorzugte Ausführungsformen werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt
- 1 schematisch einen Elektroantrieb mit Riemenantrieb in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform;
- 2 schematisch einen Elektroantrieb mit Kettentrieb in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform;
- 3 schematisch einen Elektroantrieb mit einem Stirnradgetriebe in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform;
- 4 schematisch einen erfindungsgemäßen Elektroantrieb in einer ersten Ausführungsform mit Riementrieb und schaltbarem Planetengetriebe;
- 5 schematisch einen erfindungsgemäßen Elektroantrieb in einer zweiten Ausführungsform mit Kettentrieb und schaltbarem Planetengetriebe;
- 6 schematisch einen erfindungsgemäßen Elektroantrieb in einer dritten Ausführungsform mit Stirnradgetriebe und schaltbarem Planetengetriebe;
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1 zeigt einen Elektroantrieb 2 in einer ersten Ausführungsform. Der Elektroantrieb 2 umfasst einen Elektromotor 3 und eine Getriebeeinheit 4, die ein vom Elektromotor 3 eingeleitetes Drehmoment auf zwei Seitenwellen 5, 6 überträgt. Die Getriebeeinheit 4 umfasst eine erste Getriebestufe 7, eine zweite Getriebestufe 8 und eine dritte Getriebestufe 9, die in Form eines Differentialgetriebes gestaltet ist. Es ist erkennbar, dass der Elektromotor 3 einerseits und das Differentialgetriebe 9 andererseits mit Abstand versetzt zueinander angeordnet sind.
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Die erste Getriebestufe 7 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform gemäß 1 eine Riementriebanordnung mit einem Antriebsrad 10 und einem Abtriebsrad 12, das über einen unendlichen Riemen 13 von dem Antriebsrad 10 angetrieben wird. Es ist erkennbar, dass das Abtriebsrad 12 einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist, als das Antriebsrad 10, so dass hier eine Übersetzung ins Langsame erfolgt. Mit der ersten Getriebestufe 7 wird der Achsversatz zwischen dem Elektromotor 3 und dem Planetengetriebe 8 bzw. Differentialgetriebe 9 überbrückt.
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Das Antriebsrad 10 wird von die Ausgangswelle des Elektromotors 3 um die erste Drehachse A drehend angetrieben. Das über den Riemen 13 drehend angetriebene Abtriebsrad 12 ist fest mit einer Hohlwelle 24 verbunden, die mittels erster und zweiter Lagermittel 15, 16 in einem ortsfesten Gehäuse 17 der Getriebeeinheit 4 drehbar gelagert ist. Der Ringraum zwischen dem ortsfesten Gehäuse 17 und der drehend antreibbaren Hohlwelle 24 ist über geeignete Dichtmittel 18, 18', beispielsweise Radialwellendichtringe, abgedichtet. So wird verhindert, dass Schmiermittel, das zum Schmieren und Kühlen des Planetengetriebes 8 und des Differentialgetriebes 9 dient, in den Innenraum der ersten Getriebestufe 7 gelangt. Der Gehäuseabschnitt 11 des ortsfesten Gehäuses 17, in dem der Riementrieb angeordnet ist, ist trocken, da für den Riementrieb keinerlei Schmierung erforderlich ist. Demgegenüber ist der zweite Gehäuseabschnitt 14, in dem das Planetengetriebe 8 und das Differentialgetriebe 9 aufgenommen sind, mit Schmiermittel befüllt. Der Ringraum zwischen den Seitenwellen 5, 6 und dem ortsfesten Gehäuse 17 bzw. Hülsenansätzen des Gehäuses 17 ist über geeignete Dichtmittel 21, 21' abgedichtet, die beispielsweise in Form von Radialwellendichtringen gestaltet sein können.
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Innerhalb des Gehäuseabschnitts 14 sind das Planetengetriebe 8 und das Differentialgetriebe 9 aufgenommen. Das Planetengetriebe umfasst ein Sonnenrad 20, das fest mit der Hohlwelle 24 verbunden ist und gemeinsam mit dieser um die zweite Drehachse B rotiert, ein Hohlrad 19, das koaxial zum Sonnenrad 20 angeordnet und drehfest mit dem Gehäuse 17 verbunden ist, mehrere Planetenräder 22, die mit dem Hohlrad 19 und dem Sonnenrad 20 in Verzahnungseingriff sind, sowie einen Planetenträger 23. Der Planetenträger 23 ist koaxial zur Drehachse B angeordnet und überträgt das in das Planetengetriebe 8 eingeleitete Drehmoment auf das Differentialgetriebe 9. Das Hohlrad 19 ist innen am Gehäuse 17 befestigt, beispielweise an dieses angeschweißt oder angeschraubt. Der Antrieb erfolgt vorliegend von der Hohlwelle 24 über das Sonnenrad 20 und die Planetenräder 22 auf den Planetenträger 23. Es ist jedoch prinzipiell auch eine Ausführungsform denkbar, bei der das Hohlrad von der Welle drehend antreibbar ist, während das Sonnenrad an einem ortsfesten Bauteil, beispielsweise an einem Gehäuse, im Drehsinn abgestützt ist.
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Das Differentialgetriebe 9 umfasst einen Differentialkorb 26, der mit dem Planetenträger 23 fest verbunden ist und von diesem um die Drehachse B drehend antreibbar ist, mehrere Differentialräder 27, die in dem Differentialkorb 26 auf Drehachsen drehbar gelagert sind und gemeinsam mit dem Differentialkorb 26 um die Drehachse B umlaufen, sowie zwei Seitenwellenräder 28, 29, die jeweils koaxial zur Drehachse B drehbar angeordnet und mit den Differentialrädern 27 in Verzahnungseingriff sind. Der Differentialkorb 26 ist über die Lagermittel 16, 30 in dem Gehäuse 17 um die Drehachse B drehbar gelagert. In den Differentialkorb 26 eingeleitetes Drehmoment wird über die Differentialräder 27 auf die beiden Seitenwellenräder 28, 29 übertragen, wobei eine ausgleichende Wirkung zwischen den beiden Seitenwellenrädern 28, 29 besteht. Die Seitenwellenräder 28, 29 sind wiederum zur Übertragung eines Drehmoments drehfest mit den zugehörigen Seitenwellen 5, 6 verbunden, die das eingeleitete Drehmoment auf die Räder des Kraftfahrzeugs übertragen.
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Es ist erkennbar, dass der Planetenträger 23 des Planetengetriebes 8 fest mit dem Differentialkorb 26 des Differentialgetriebes 9 verbunden ist, d. h. der Planetenträger 23 bildet das Ausgangsteil des Planetengetriebes 8, über das Drehmoment vom Planetengetriebe 8 in das Differentialgetriebe 9 eingeleitet wird. Durch die vorliegende Ausgestaltung der Getriebeeinheit 4 mit erster Getriebestufe 7 in Form eines Riementriebs, zweiter Getriebestufe 8 als Planetengetriebe mit Sonnenrad 20 als Eingangsteil, drehfest abgestütztem Hohlrad 19 und Planetenträger 23 als Ausgangsteil kann ein Übersetzungsverhältnis ins Langsame von kleiner als 20 erreicht werden, d. h. i < 20. Dabei hängt das erreichbare Übersetzungsverhältnis vom Durchmesserverhältnis zwischen Antriebsrad 10 und Abtriebsrad 12 sowie von den Zähnezahlen der Räder 19, 20, 23 des Planetengetriebes 8 ab. Je nach Durchmesser- bzw. Zähnezahlverhältnis kann die Getriebeeinheit 4 so ausgelegt werden, dass der Differentialkorb 26 bis zu zwanzigmal langsamer rotiert als die Antriebswelle des Elektromotors 3. Bei der vorliegenden Ausführungsform mit Riementrieb 7 ist der Innenraum des Getriebeabschnitts 11, in dem der Riemenantrieb 7 angeordnet ist, trocken, das heißt eine Schmierung ist hier nicht erforderlich. Lediglich der Getriebeabschnitt 14 ist mit Schmiermittel zur Kühlung bzw. Schmierung des Planetengetriebes 8 und des Differentialgetriebes 9 befüllt.
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2 zeigt einen Elektroantrieb 2 in einer abgewandelten Ausführungsform. Diese entspricht weitestgehend derjenigen gemäß 1, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern und abgewandelte Bauteile mit um die Ziffer 100 hoch gesetzten Bezugszeichen versehen.
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Der einzige Unterschied der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, dass die erste Getriebestufe 107 in Form eines Kettentriebs gestaltet ist, der ein Antriebsrad 110, ein Abtriebsrad 112 und eine unendliche Kette 113 zur Übertragung des Drehmoments vom Antriebsrad 110 auf das Abtriebsrad 112 aufweist. Dadurch, dass als erste Getriebestufe 107 ein Kettentrieb verwendet wird, kann die gesamte Getriebeeinheit 4 zur Kühlung bzw. Schmierung in einem gemeinsamen Ölbad innerhalb des ortsfesten Gehäuses 17 laufen. Gesonderte Dichtungen zwischen dem Gehäuseabschnitt 11 für den Kettentrieb 7 und den Gehäuseabschnitt 14 für das Planetengetriebe 8 bzw. Differentialgetriebe 9 sind nicht erforderlich.
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Mit der vorliegenden Ausführungsform mit Kettenantrieb 107 lässt sich ebenfalls eine Übersetzung ins Langsame mit einem Übersetzungsverhältnis von bis zu zwanzig erreichen, das heißt i < 20.
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3 zeigt einen Elektroantrieb 2 in einer weiteren abgewandelten Ausführungsform. Diese entspricht weitestgehend derjenigen gemäß 2, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern und abgewandelte Bauteile mit um nochmals um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen.
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Der einzige Unterschied der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, dass die erste Getriebestufe 207 in Form eines einstufigen Stirnradgetriebes gestaltet ist, die das vom Elektromotor 3 eingeleitete Drehmoment auf die Hohlwelle 24 überträgt. Das Stirnradgetriebe 207 umfasst ein erstes Zahnrad 210, das auch als Antriebsrad bezeichnet werden kann, und ein zweites Zahnrad 212, das mit dem ersten Zahnrad 210 in Verzahnungseingriff ist und auch als Abtriebsrad bezeichnet werden kann. Es ist erkennbar, dass das zweite Zahnrad 212 zur Drehmomentübertragung fest mit der Hohlwelle 24verbunden ist. Die beiden Zahnräder 210, 212 sind insbesondere in Form von Stirnrädern gestaltet, vorzugsweise mit Schrägverzahnung.
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Die Zähnezahlen der beiden Zahnräder 210, 212 sind so gewählt, dass mit der Getriebeeinheit 4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zwischen dem Elektromotor 3 und dem Differentialkorb 26 eine Übersetzung ins Langsame mit einem Übersetzungsverhältnis von kleiner 20 erreicht wird (i < 20), das heißt der Differentialkorb 26 dreht langsamer als die Ausgangswelle des Elektromotors 3. Wie schon bei der Ausführungsform gemäß 2 sind auch bei der vorliegenden Ausführungsform gemäß 3 keine gesonderten Dichtmittel zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt 11 und dem zweiten Gehäuseabschnitt 14 erforderlich. Die Getriebeeinheit 4 läuft in einem gemeinsamen Ölbad. Die vorliegende Ausführungsform zeigt ein einstufiges Stirnradgetriebe 7 als erste Getriebestufe. Es versteht sich jedoch, dass die erste Getriebestufe, je nach gewünschtem Übersetzungsverhältnis, auch in Form eines mehrstufigen Stirnradgetriebes gestaltet sein kann, das zwei oder mehr Stirnradpaarungen aufweisen kann.
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4 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektroantrieb 2 in einer ersten Ausführungsform. Diese entspricht in weiten Teilen derjenigen gemäß 1, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern und abgewandelte Bauteile mit um 100 erhöhten Bezugsziffern versehen.
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Die Besonderheiten der vorliegenden Ausführungsform bestehen darin, dass das Planetengetriebe 108 zwei Planetenradstufen 25, 25' aufweist, die wahlweise Drehmoment auf den Differentialkorb 26 übertragen können, wobei eine Kupplungsanordnung 42 zum Schalten der Planetenradstufen 25, 25' vorgesehen ist. Die beiden Planetenradstufen 25, 25' sind funktional parallel angeordnet, das heißt in die Hohlwelle 24 eingeleitete Drehmoment wird entweder über die erste Planetenradstufe 25 oder über die zweite Planetenradstufe 25' auf den Differentialkorb 26 übertragen. Die erste Planetenstufe 25 umfasst ein erstes Sonnenrad 20, erste Planetenräder 22, ein erstes Hohlrad 19 und einen ersten Planetenträger 23. Die zweite Planetenradstufe 25' umfasst ein zweites Sonnenrad 20', zweite Planetenräder 22', ein zweites Hohlrad 19' und einen zweiten Planetenträger 23'. Es ist erkennbar, dass die ersten Räder 19, 20, 22 unterschiedliche Durchmesser, und damit unterschiedliche Zähnezahlen, aufweisen als die zweiten Räder 19', 20', 22'. Auf diese Weise können durch Drehmomentübertragung über den ersten Planetenradsatz 25 ein anderes Übersetzungsverhältnis erreicht werden als bei Drehmomentübertragung über den zweiten Planetenradsatz 25', so dass der Differentialkorb 26 mit unterschiedlichen Drehzahl angetrieben werden kann.
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Das erste und das zweite Sonnenrad 20, 20' sind drehfest miteinander bzw. mit der Hohlwelle 24 verbunden, so dass sie mit derselben Drehzahl um die zweite Drehachse B rotieren. Die ersten Planetenräder 22 sind über den ersten Planetenträger 23 mit dem Differentialkorb 26 verbunden. Entsprechend sind die zweiten Planetenräder 22' über den zweiten Planetenträger 23' mit Differentialkorb 26 verbunden. Somit rotieren sowohl die ersten Planetenräder 22 als auch die zweiten Planetenräder 22' gemeinsam mit dem Differentialkorb 26 um die Drehachse B. Das erste und zweite Hohlrad 20, 20' können über die Kupplungsanordnung 42 wahlweise gegenüber dem Gehäuse 17 im Drehsinn abgestützt oder gegenüber diesem freigegeben werden.
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Die Kupplungsanordnung 42 ist umfasst in der vorliegenden Ausführungsform eine Schaltkupplung. Die Schaltkupplung 42 kann drei Schaltstellungen realisieren, was mittels einer verschiebbaren Schaltmuffe 38 bewerkstelligt wird. Die Ansteuerung erfolgt über eine elektronische Steuereinheit (nicht dargestellt), welche eine Betätigungseinheit ansteuert, die wiederum die Schaltkupplung 42 nach Bedarf in die gewünschte Schaltstellung überführt.
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In einer ersten Schaltstellung ist das erste Hohlrad 19 drehfest mit dem ortsfesten Gehäuse 17 verbunden, während das zweite Hohlrad 19' gegenüber dem ortsfesten Gehäuse frei drehen kann. In dieser Schaltstellung erfolgt die Drehmomentübertragung von der Hohlwelle 24 über die erste Planetenradstufe 25 auf den Differentialkorb 26. Dabei funktioniert der vorliegende Elektroantrieb 2 wie bei der Ausführungsform gemäß 1, wobei ein Untersetzungsverhältnis von bis zu zwanzig erreicht werden kann.
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In einer zweiten Schaltstellung ist das erste Hohlrad 19 gegenüber dem ortsfesten Gehäuse 17 frei drehbar, während das zweite Hohlrad 19' mit dem ortsfesten Gehäuse 17 drehfest verbunden ist. In dieser Schaltstellung erfolgt die Drehmomentübertragung von der Hohlwelle 24 über die zweite Planetenradstufe 25' auf den Differentialkorb 26. Je nach Durchmesserverhältnissen bzw. Zähnezahlverhältnissen der Räder 19', 20', 22' der zweiten Planetenradstufe 25' lassen sich in der zweiten Schaltstellung Übersetzungsverhältnisse von acht bis fünfzehn erreichen, das heißt i = 8 bis 15. Dabei bedeutet ein Übersetzungsverhältnis von acht beispielsweise, dass der Differentialkorb 26 langsamer rotiert als der Elektromotor 3.
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In einer dritten Schaltstellung sind sowohl das erste Hohlrad 19 als auch das zweite Hohlrad 19' gegenüber dem Gehäuse 17 frei drehbar. In dieser Schaltstellung findet keine Drehmomentübertragung zwischen der Hohlwelle 24 und dem Differentialkorb 26, bzw. zwischen dem Elektromotor 3 und den Seitenwellen 5, 6 statt. Dies ist beispielsweise erforderlich, wenn das Kraftfahrzeug bei einer Panne abgeschleppt werden muss.
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5 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektroantrieb 2 in einer weiteren Ausführungsform. Diese entspricht einer Kombination der Ausführungsformen gemäß den 2 und 4, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obigen Beschreibungen Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die vorliegende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Getriebestufe 107 in Form eines Kettenantriebs gestaltet ist, wie bei der Ausführungsform gemäß 2. Hierdurch kann die gesamte Getriebeeinheit 4 zur Kühlung bzw. Schmierung in einem gemeinsamen Ölbad innerhalb des ortsfesten Gehäuses 17 laufen. Des Weiteren ist eine Kupplungsanordnung 42 in Form einer Schaltkupplung vorgesehen, wie bei der Ausführungsform gemäß 4. Die Schaltkupplung 42 kann wahlweise das erste Hohlrad 19 (erste Schaltstellung) oder das zweite Hohlrad 19' (zweite Schaltstellung) mit dem ortsfesten Bauteil 17 zur Abstützung eines Drehmoments drehfest verbinden, oder gegenüber diesem freischalten (dritte Schaltstellung). In der ersten Schaltstellung lässt sich ein Übersetzungsverhältnis von bis zu 20 erreichen. In der zweiten Schaltstellung können, je nach Zähnezahlen der Räder des zweiten Planetenradsatzes 25', Übersetzungsverhältnisse von acht bis 15 erreicht werden, d. h. i2 = 8 bis 15.
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6 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektroantrieb 2 in einer weiteren Ausführungsform. Diese Ausführungsform entspricht weitestgehend einer Kombination der Ausführungsformen gemäß den 3 und 5, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obigen Beschreibungen Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Abgewandelte Bauteile sind mit nochmals um die Ziffer 100 erhöhten Bezugszeichen versehen.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Getriebestufe 207 in Form eines einstufigen Stirnradgetriebes gestaltet, wie es in 3 gezeigt ist. Es versteht sich jedoch, dass die erste Getriebestufe auch als Riementrieb gemäß 1 oder als Kettentrieb gemäß 2 gestaltet sein könnte. Es ist weiter erkennbar, dass an dem Planetengetriebe 108 eine Kupplungsanordnung 142 vorgesehen ist, ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß 5.
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Eine Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform gemäß 6 liegt darin, dass die Kupplungsanordnung 142 eine erste Reibungskupplung 43 und eine hiezu axial benachbart angeordnete zweite Reibungskupplung 44 umfasst.
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Die erste Reibungskupplung 43 ist im Leistungspfad zwischen dem ersten Hohlrad 19 und dem ortsfesten Gehäuse 17 angeordnet. Die zweite Reibungskupplung 44 ist im Leistungspfad zwischen dem zweiten Hohlrad 19' und dem Gehäuse 17 angeordnet ist. Die beiden Reibungskupplungen 43, 44 sind vorzugsweise in Form von Reiblamellenkupplungen gestaltet. Die erste Reibungskupplung 43 umfasst ein Kupplungseingangsteil 45, das drehfest mit ersten Hohlrad 19 verbunden ist, ein Kupplungsausgangsteil 46, das drehfest mit dem Gehäuse 17 verbunden ist, sowie ein Lamellenpaket, das zwischen dem Kupplungseingangsteil 45 und dem Kupplungsausgangsteil 46 wirksam angeordnet ist. Die zweite Reibungskupplung 44 umfasst ein Kupplungseingangsteil 47, das drehfest mit zweiten Hohlrad 19' verbunden ist, ein Kupplungsausgangsteil 48, das drehfest mit dem Gehäuse 17 verbunden ist, sowie ein Lamellenpaket, das zwischen dem Kupplungseingangsteil 47 und dem Kupplungsausgangsteil 48 wirksam angeordnet ist. Die beiden Reibungskupplungen 43, 44 sind gegenüber einer Druckplatte 35 axial abgestützt, die fest mit dem Gehäuse 17 verbunden ist.
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Zur Betätigung der ersten Reibungskupplung 43 ist eine erste Betätigungsvorrichtung 33 vorgesehen, die hier schematisch durch einen Kolben dargestellt ist. Zur Betätigung der zweiten Reibungskupplung 44 ist eine zweite Betätigungsvorrichtung 34 vorgesehen, die ebenfalls schematisch durch einen Kolben dargestellt. Die erste bzw. zweite Betätigungsvorrichtung 33, 34 sind nicht auf hydraulische Aktuatoren beschränkt, sondern können beliebig gestaltet sein, beispielsweise auch in Form eines pneumatischen, elektromechanischen oder elektromagnetischen Aktuators. Die beiden Betätigungsvorrichtungen 33, 34 werden über eine zentrale Steuereinheit (nicht dargestellt) nach Bedarf angesteuert. Durch die Verwendung zweier Reibungskupplungen 43, 44 und zweier separater Betätigungsvorrichtungen 33, 34 können die beiden Reibungskupplungen 43, 44 individuell, bzw. unabhängig voneinander, angesteuert werden. Das zu übertragende Drehmoment kann in Abhängigkeit von der Schließstellung der jeweiligen Reibungskupplung 43, 44 zwischen einer geschlossenen Position, in der das volle Drehmoment übertragen wird, und einer geöffneten Position, in der überhaupt kein Drehmoment übertragen wird, variabel eingestellt werden.
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Mit der vorliegenden Ausführungsform mit Stirnradgetriebe 207 und Kupplungsanordnung 142 mit zwei Reibungskupplungen 43, 44 kann eine Übersetzung wie bei den Ausführungsformen gemäß den 4 und 5 erreicht werden, welche jeweils eine Schaltkupplung aufweisen. Das heißt, wenn die erste Reibungskupplung 43 vollständig geschlossen ist und die zweite Reibungskupplung 44 vollständig geöffnet ist, so dass das erste Hohlrad 19 im Drehsinn am Gehäuse 17 abgestützt ist, wird ein erstes Übersetzungsverhältnis i1 erreicht, das kleiner als 20 ist (i1 < 20), das heißt, dass der Differentialkorb 26 langsamer rotiert als der Elektromotor 3.
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Wenn umgekehrt die erste Reibungskupplung 43 vollständig geöffnet ist und die zweite Reibungskupplung 44 vollständig geschlossen ist, so dass das zweite Hohlrad 19' gegenüber dem Gehäuse 17 abgebremst wird, wird ein zweites Übersetzungsverhältnis i2 erreicht, das kleiner ist als das erste Übersetzungsverhältnis i1 und insbesondere zwischen acht und fünfzehn liegen kann (i2 = 8-15), das heißt, dass der Differentialkorb 26 langsamer rotiert als der Elektromotor 3 (zwischen 1/8 und 1/15 der Drehzahl des Elektromotors 3). Durch entsprechendes Ansteuern zumindest einer der beiden Reibungskupplungen 43, 44 in Zwischenstellungen lassen sich auch beliebig andere Übersetzungsverhältnisse einstellen, die zwischen dem maximalen und minimalen Übersetzungsverhältnis liegen. Insbesondere wird mit der vorliegenden Ausführungsform ein lastunterbrechungsfreies Schalten ermöglicht. Das Schalten unter Last erfolgt schnell und komfortabel.
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Die erfindungsgemäßen Elektroantriebe 2 gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen haben den Vorteil eines kompakten Aufbaus, da die zweite und dritte Getriebestufe, das heißt das Planetengetriebe 8, 108 und das Differentialgetriebe 9 koaxial zueinander angeordnet sind. Der zwischen dem Elektromotor 3 und der zweiten bzw. dritten Getriebestufe 8, 108, 9 vorhandene Achsversatz wird von der ersten Getriebestufe 7, 107, 207 überbrückt, die eine Übersetzung ins Langsame erzeugt. Es lassen sich, je nach Ausgestaltung der ersten Getriebestufe 7, 107, 207 bzw. durch Vorsehen einer Kupplungsanordnung 42, 142 diverse unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse realisieren. Dies ermöglicht wiederum, eine optimale Abstimmung zwischen dem Elektromotor 3 und der Getriebeeinheit 4.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Elektroantrieb
- 3
- Elektromotor
- 4
- Getriebeeinheit
- 5
- Seitenwelle
- 6
- Seitenwelle
- 7, 107, 207
- erste Getriebestufe
- 8, 108
- zweite Getriebestufe
- 9
- dritte Getriebestufe
- 10
- Antriebsrad
- 11
- Gehäuseabschnitt
- 12
- Abtriebsrad
- 13
- Riemen
- 14
- Gehäuseabschnitt
- 15
- Lagermittel
- 16
- Lagermittel
- 17
- ortsfestes Gehäuse
- 18
- Dichtmittel
- 19
- Hohlrad
- 20
- Sonnenrad
- 22
- Planetenrad
- 23
- Planetenträger
- 24
- Hohlwelle
- 25
- Planetenradstufe
- 26
- Differentialkorb
- 27
- Differentialrad
- 28
- Seitenwellenrad
- 29
- Seitenwellenrad
- 30
- Lagermittel
- 33
- Betätigungsvorrichtung
- 34
- Betätigungsvorrichtung
- 35
- Stützplatte
- 38
- Schiebemuffe
- 39
- Kupplungsausgangsteil
- 40
- Kupplungsausgangsteil
- 42
- Kupplungsanordnung
- 43
- erste Reibungskupplung
- 44
- zweite Reibungskupplung
- 45
- Kupplungseingangsteil
- 46
- Kupplungsausgangsteil
- 47
- Kupplungseingangsteil
- 48
- Kupplungsausgangsteil
- A
- Achse
- B
- Achse
- C
- Achse
