WO2018019324A1 - Schaltbare ein-wellen-e-achse mit integriertem stirnraddifferenzial - Google Patents

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    • F16H48/11—Differential gearings with gears having orbital motion with orbital spur gears having intermeshing planet gears

Definitions

  • the invention relates to a drive train, such as a hybrid powertrain, a motor vehicle, such as a car, a truck or other commercial vehicle, for passing elektromaschinenoriginippo torque and optionally Verbrennungsennungskraftoriginippo torque to drive wheels, with a rotor connection part, preferably directly coupled to the electric machine / coupled and, for example, a crankshaft connecting part that is (directly) coupled / coupled to the internal combustion engine with a planetary gear that is torque-connected to the rotor connecting part and so is in torque-transmitting communication with a differential gear that can be connected to the drive wheels / connected output shafts / axes are driven / driven.
  • a drive train such as a hybrid powertrain
  • a motor vehicle such as a car, a truck or other commercial vehicle
  • a rotor connection part preferably directly coupled to the electric machine / coupled and, for example, a crankshaft connecting part that is (directly) coupled / coupled to the internal
  • Such a rigid axle arrangement in particular for a drivable rear axle of a motor vehicle, with an electric motor, a transmission unit, two in the vehicle transverse direction between a designated first and second wheel extending drive shafts, which are interconnected via a differential and in Region of their respective free end rotatably connected to the designated wheel are connected, and extending in the vehicle transverse direction between the two wheels axle body which is articulated via several links with a dedicated structure or subframe and rotatably receives in its interior, the two drive shafts.
  • the axle body extends in the vehicle transverse direction from the region of the free end of the one drive shaft in one piece to the region of the free end of the other drive shaft. Furthermore, it absorbs in its interior the electric motor, the drift and the differential.
  • Such drive trains as disclosed, for example, in DE 10 2014 205 135 A1, are used in electric vehicles and / or hybrid vehicles, with or without a dual-clutch transmission.
  • electric vehicles and / or hybrid vehicles with or without a dual-clutch transmission.
  • usually a lot of space is needed.
  • the previous solutions are relatively expensive.
  • the planetary gear is designed as a single-stage or multi-stage, for example. Two-stage planetary gear. Switchability for operation in a particularly efficient area is improved. It is also advantageous if the ring gear or the planet carrier is held firmly on the planetary gear, about a brake band.
  • a separating clutch is arranged between the rotor connection part and the planetary gear, for example in the manner of a dry or wet friction clutch, for example.
  • An advantageous embodiment is also characterized in that the planetary gear is switchable. If the planetary gear between the planet carrier and the sun with a stationary ring gear has a ratio of 4.0 to 4.3, preferably 4, 15, so a particularly optimal gear ratio is achieved.
  • a planetary gear of the planetary gear has a section which provides a planetary gear / differential gear of Stirnraddifferenzials, so for example.
  • the two components are integrally / integrally / einmaterialig interconnected.
  • the planetary housing is housed / encapsulated by a one-piece and / or sheet metal formed housing.
  • the housing should einhausen as an overall housing the electric machine, the planetary gear and the spur gear, to dispense with further housing here. This considerably reduces the production costs.
  • An advantageous embodiment is also characterized in that to enable the use of a one-piece shaft, the pitch circle diameter of the tarpaulin tenzier of the planetary gear preferably located exactly on the pitch circle of a shorter planetary gear of the two planetary gear sets of Stirnraddifferenzials.
  • the electric shaft includes a planetary gear having such a gear ratio that enables high-speed use of the electric machine integrated with the electric shaft.
  • the planetary gear may have a variety of planetary stages.
  • the electrical axis includes an integrated spur gear differential. Via a brake band and / or a friction clutch, the switchability of the planetary gear can be achieved to connect the electric machine with an output side. Especially in the field of hybrid applications and in the field of electromobility, this invention offers.
  • the core idea is the construction of a single-shaft gearbox and the connection of a single-stage planetary gear set.
  • an extension by further stages is possible.
  • the decoupling of the electric machine depending on the driving condition is possible.
  • By translations of the planetary gear set high speeds of the electric machine are possible.
  • further stages as a planetary gear set or planetary gear sets are possible.
  • the design of a "built-in" spur gear differential is also demonstrated, allowing for easy pre-assembly into sub-assembly units, ultimately offering a cost-effective unit with a downstream integrated differential that is also ideal for powering the smallest passenger cars
  • the differential in an asymmetrical design is typical of rotor rotors, typically two sun gears / sunblinds with different profile displacements 4, 15.
  • the pitch circle diameter of the planets lies exactly on the pitch circle of the short planet of the asymmetric differential, so here a one-piece shaft can be used
  • the housing of the entire planetary gear can theoretically in one piece or in sheet metal as Subcomponent module are executed.
  • a brake band To operate the shiftable planetary gear set here is a brake band.
  • a friction clutch can be used wet or dry. This results in a compact, small, lightweight, one-shaft gearbox for space-saving applications.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a drive train according to the invention.
  • FIG. 2 shows a partially designed embodiment based on the schematic of FIG. 1.
  • an inventive drive train 1 is shown.
  • An electric machine 2 is connected to it.
  • the electric machine 2 can be operated as an electric motor or as a generator.
  • As a result of its torque, it is connected / connectable to a rotor connection part 3.
  • the rotor connection part 3 transmits torque in the engaged state to a planetary gear 4 on.
  • This planetary gear 4 includes a planetary gear, which is switched on forward.
  • torque can be transmitted to a spur gear differential 5 as required or permanently coupled by the planetary gear 4.
  • the spur gear differential 5 has two halves 6 and 7. In this case, a first sun gear 8 torque to a first output shaft 9 on to drive a first drive wheel 10.
  • a second sun gear 1 1 gives torque to a second output shaft 12 to drive a second drive wheel 13.
  • FIG. 2 shows a comparable drive train 1 with the electric machine 2, the electric machine 2 having a stator 14 and a rotor 15.
  • One Rotor carrier 16 connected to the rotor 15 transmits torque to the rotor connection part 3.
  • the rotor arm 16 transmits torque to the planetary gear 4.
  • a brake band 17 holds the ring gear 18 of the planetary gear 4 fixed.
  • the spur gear differential 5 is arranged, wherein the planetary gear 4 and the spur gear differential 5 have a common planet / a common planetary gear.
  • the planetary gear 4 and the Stirnraddifferenzial 5 a common shaft 19.
  • the planet carrier of the planetary gear 4 in FIG. 2 is provided with the reference numeral 20.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang (1) eines Kraftfahrzeugs zur Weitergabe zumindest elektromaschinenoriginären Drehmoments an Antriebsräder (10, 13), mit einem Rotorverbindungsteil (3), das mit der Elektromaschine (2) koppelbar ist, mit einem Planetengetriebe (4), das mit dem Rotorverbindungsteil (3) drehmomentweitergebend verbunden ist und so mit einem Differenzialgetriebe in drehmomentweitergebender Verbindung steht, dass zwei mit den Antriebsrädern (10, 13) verbindbare Abtriebswellen (9, 12) antreibbar sind, wobei das Differenzialgetriebe als Stirnraddifferenzialgetriebe (5) ausgebildet ist.

Description

Schaltbare Ein-Wellen-E-Achse mit integriertem Stirnraddifferenzial
Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, etwa einen Hybridantriebsstrang, eines Kraftfahrzeugs, wie eines Pkws, eines Lkws oder eines anderen Nutzfahrzeugs, zur Weitergabe elektromaschinenoriginären Drehmoments und optional verbrennungs- kraftmaschinenoriginären Drehmoments an Antriebsräder, mit einem Rotorverbindungsteil, das mit der Elektromaschine vorzugsweise direkt koppelbar / gekoppelt ist und bspw. einem Kurbelwellenverbindungsteil, das mit der Verbrennungskraftmaschi- ne (direkt) koppelbar / gekoppelt ist, mit einem Planetengetriebe, das mit dem Rotorverbindungsteil drehmomentweitergebend verbunden ist und so mit einem Differenzi- algetriebe in drehmomentweitergebender Verbindung steht, dass zwei mit den Antriebsrädern verbindbare / verbundene Abtriebswellen / -achsen antreibbar / angetrieben sind.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Starrachsenanordnungen mit in Fahrzeugquerrichtung sich erstreckendem Achskörper bekannt. So offenbart bspw. die
DE 10 2014 205 135 A1 eine solche Starrachsenanordnung, insbesondere für eine antreibbare Hinterachse eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektromotor, einer Getrie- beeinheit, zwei sich in Fahrzeugquerrichtung zwischen einem dafür vorgesehenen ersten und zweiten Rad erstreckenden Antriebswellen, die über ein Differenzial miteinander verbunden und im Bereich ihres jeweils freien Endes drehfest mit dem dafür vorgesehenen Rad verbindbar sind, und einen sich in Fahrzeugquerrichtung zwischen den beiden Rädern erstreckenden Achskörper, der über mehrere Lenker mit einem dafür vorgesehenen Aufbau oder Hilfsrahmen gelenkig verbindbar ist und in seinem Inneren die beiden Antriebswellen drehbar aufnimmt. Als besonders ist herausgestellt worden, dass sich der Achskörper in Fahrzeugquerrichtung vom Bereich des freien Endes der einen Antriebswelle bis in den Bereich des freien Endes der anderen Antriebswelle einteilig erstreckt. Desweiteren nimmt er in seinem Inneren den Elektromo- tor, die Getriebenheit und das Differenzial auf.
Auch sind bereits Stirnraddifferenziale bekannt. So offenbart bspw. die
DE 10 2012 222 227 A1 ein Stirnraddifferenzialgetriebe, mit einem zum Umlauf um eine Umlaufachse vorgesehenen Umlaufträger, der sich aus einem Zahnkranzträger und einem ersten und einem zweiten Nabendeckelelement zusammensetzt. Innerhalb des Zahnkranzträgers ist eine von Fenstersegmenten durchbrochene Flanschstruktur ausgebildet, an welcher die beiden Nabenenddeckelelemente angesetzt sind. In dem jeweiligen Fenstersegment ist ein Umlaufplanetenpaar aufgenommen, welches die Abtriebsräder des Differenzialgetriebes gegensinnig drehbar koppelt. Ähnliche Gegenstände sind bspw. aus der DE 10 2012 213 398 A1 oder der
DE 10 2007 040 475 A1 bekannt. Gerade in jener letztgenannten Druckschrift ist auch das grundsätzliche Prinzip von Stirnraddifferenzialen besonders eingängig beschrie- ben und soll als hier mit offenbart gelten.
Solche Antriebsstränge, wie sie bspw. aus der DE 10 2014 205 135 A1 offenbart sind, werden in Elektrofahrzeugen und/oder Hybridfahrzeugen eingesetzt, und zwar mit oder ohne Doppelkupplungsgetriebe. Allerdings wird üblicherweise viel Bauraum be- nötigt. Auch sind die bisherigen Lösungen relativ kostenintensiv.
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen innovativen Ein-Wellen- Achsantrieb bzw. ein innovatives Ein-Wellen-Achsgetriebe für Hybridanwendungen bei bauraumkritischen Bedingungen zur Ermöglichung eines variablen Aufbaus zur Verfügung zu stellen. Es soll ein gattungsgemäßer Antriebsstrang auch in kleinsten Fahrzeugen, im Sinne eines Downsizing, verwendbar werden. Gleichzeitig sollen die Kosten niedrig gehalten werden.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Antriebsstrang erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Differenzialgetriebe als Stirnraddifferenzialgetriebe ausgebildet ist. Dadurch kann besonders kompakt gebaut werden, eine lange Lebensdauer erreicht werden und der Kostenanteil am Gesamtfahrzeug reduziert werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und wer- den nachfolgend näher erläutert. So ist es von Vorteil, wenn das Planetengetriebe als einstufiges oder mehrstufiges, bspw. zweistufiges Planetengetriebe ausgebildet ist. Die Schaltbarkeit zum Betrieb in einem besonders effizienten Bereich wird verbessert. Auch ist es von Vorteil, wenn an dem Planetengetriebe das Hohlrad oder der Planetenträger fest gehalten ist, etwa über ein Bremsband.
Es hat sich bewährt, wenn zwischen dem Rotorverbindungsteil und dem Planetengetriebe eine Trennkupplung angeordnet ist, etwa nach Art einer bspw. trockenen oder nassen Reibkupplung.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe schaltbar ist. Wenn das Planetengetriebe zwischen dem Planetenträger und der Sonne bei stehendem Hohlrad eine Übersetzung von 4,0 bis 4,3 aufweist, vorzugsweise 4, 15, so wird ein besonders optimales Übersetzungsverhältnis erreicht.
Für den kompakten Aufbau hat es sich als zuträglich herausgestellt, wenn ein Plane- tenrad des Planetengetriebes einen Abschnitt besitzt, der ein Planetenrad / Ausgleichsrad des Stirnraddifferenzials stellt, also bspw. die beiden Bauteile integral / einstückig / einmaterialig miteinander verbunden sind.
Um den Bauraum dabei besonders effizient zu nutzen, ist es von Vorteil, wenn das Planetengehäuse von einem einteilig ausgebildeten und/oder aus Blechmaterial ausgebildeten Gehäuse eingehaust / eingekapselt ist.
Dabei sollte das Gehäuse als Gesamtgehäuse die Elektromaschine, das Planetengetriebe und das Stirnraddifferenzial einhausen, um hier auf weitere Gehäuse verzichten zu können. Dies senkt die Herstellkosten erheblich.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermöglichung des Einsatzes einer einteiligen Welle der Teilkreisdurchmesser der Plane- tenräder des Planetengetriebes vorzugweise exakt auf dem Teilkreis eines kürzeren Planetenrades der beiden Planetenradsätze des Stirnraddifferenzials liegt.
Mit anderen Worten soll also eine kompakte elektrische Achse zur Verfügung gestellt werden. Die elektrische Achse umfasst ein Planetengetriebe mit einem solchen Übersetzungsverhältnis, das eine Hochgeschwindigkeitsverwendung der Elektromaschine, die in die elektrische Achse integriert ist, möglich macht. Das Planetengetriebe kann eine Vielzahl von Planetenstufen besitzen. Die elektrische Achse umfasst ein integriertes Stirnraddifferenzial. Über ein Bremsband und/oder eine Reibkupplung kann die Schaltbarkeit des Planetengetriebes erreicht werden, um die elektrische Maschine mit einer Ausgangsseite zu verbinden. Gerade im Bereich von Hybridanwendungen und im Bereich der Elektromobilität bietet sich diese Erfindung an.
Man könnte auch sagen, dass sich der Kerngedanke auf den Aufbau eines Ein- Wellen-Getriebes und die Anbindung eines einstufigen Planetensatzes richtet. Hier ist eine Erweiterung durch weitere Stufen möglich. Ferner ist die Abkoppelung der Elektromaschine je nach Fahrzustand möglich. Durch Übersetzungen des Planetensatzes sind hohe Drehzahlen der Elektromaschine möglich. Ferner sind weitere Stufen, als Planetensatz oder als Planetensätze möglich. Die Konstruktion eines„integrierten" Stirnraddifferenzials wird vorgestellt. Eine einfache Vormontage in Einheiten als Unterzusammenbau ist ebenfalls gewährleistet. Letztlich wird also eine kostengünstige Einheit mit nachgeschaltetem integriertem Differenzial vorgestellt, das auch ideal für den Antrieb kleinster Personenkraftwägen geeignet ist. Das Getriebe besteht dabei aus zwei Planetenradsätzen. Rotorfern befindet sich das Differenzial in einer asymmetrischen Bauform. Typisch sind dabei zwei Sonnenräder / Sonnen mit unterschiedlichen Profilverschiebungen. Die Teilkreisdurchmesser der Ausgleichsplaneten / Planetenräder des Stirnraddifferenzials sind dabei unterschiedlich. Die Verzahnung der ersten Stufe hat hier eine Übersetzung zwischen dem Plane- tenträger und der Sonne bei stehendem Hohlrad von ca. 4, 15. Der Teilkreisdurchmesser der Planeten liegt exakt auf dem Teilkreis des kurzen Planeten des asymmetrischen Differenzials. Hier kann also eine einteilige Welle Verwendung finden. Das Gehäuse des gesamten Planetengetriebes kann theoretisch einteilig oder in Blech als Unterzusammenbaumodul ausgeführt werden. Zur Betätigung des zuschaltbaren Planetenradsatzes dient hier ein Bremsband. Analog dazu kann auch eine Reibkupplung nass oder trocken eingesetzt werden. Dadurch entsteht ein kompaktes, kleines, leichtes reines Ein-Wellen-Getriebe für eine platzsparende Anwendung.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, und
Fig. 2 eine ansatzweise auskonstruierte Ausführungsform basierend auf dem Schema der Fig. 1 .
Die Figuren dienen nur dem Verständnis der Erfindung und sind nicht zur Vermaßung gedacht. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang 1 dargestellt. An ihm ist eine Elekt- romaschine 2 angeschlossen. Die Elektromaschine 2 kann als Elektromotor oder als Generator betrieben werden. Sie ist drehmomentweitergebend mit einem Rotorver- bindungsteil 3 verbunden / verbindbar. Das Rotorverbindungsteil 3 gibt Drehmoment im eingekuppelten Zustand an ein Planetengetriebe 4 weiter. Dieses Planetengetriebe 4 enthält einen Planetenradsatz, der vorwärts zuschaltbar ist. Über eine Drehmomentweitergabevorrichtung, kann von dem Planetengetriebe 4 bedarfsgerecht oder dauerhaft gekoppelt Drehmoment an ein Stirnraddifferenzial 5 weitergegeben werden. Das Stirnraddifferenzial 5 weist zwei Hälften 6 und 7 auf. Dabei gibt ein erstes Sonnenrad 8 Drehmoment an eine erste Abtriebswelle 9 weiter, um ein erstes Antriebsrad 10 anzutreiben.
Ein zweites Sonnenrad 1 1 gibt Drehmoment an eine zweite Abtriebswelle 12 weiter, um ein zweites Antriebsrad 13 anzutreiben.
In der Fig. 2 ist ein vergleichbarer Antriebsstrang 1 mit der Elektromaschine 2 dargestellt, wobei die Elektromaschine 2 einen Stator 14 und einen Rotor 15 aufweist. Ein mit dem Rotor 15 verbundener Rotorträger 16 gibt Drehmoment an das Rotorverbindungsteil 3 weiter. Der Rotorträger 16 gibt Drehmoment an das Planetengetriebe 4 weiter. Ein Bremsband 17 hält das Hohlrad 18 des Planetengetriebes 4 fest. Auf der elektromaschinenfernen Seite des Planetengetriebes 4 ist das Stirnraddifferenzial 5 angeordnet, wobei das Planetengetriebe 4 und das Stirnraddifferenzial 5 einen gemeinsamen Planeten / ein gemeinsames Planetenrad besitzen. Ferner weisen das Planetengetriebe 4 und das Stirnraddifferenzial 5 eine gemeinsame Welle 19 auf.
Der Planetenträger des Planetengetriebes 4 in der Fig. 2 ist mit dem Bezugszeichen 20 versehen.
Bezugszeichenliste Antriebsstrang
Elektromaschine
Rotorverbindungsteil
Planetengetriebe
Stirnraddifferenzial
erste Hälfte des Stirnraddifferenzials zweite Hälfte des Stirnraddifferenzials erstes Sonnenrad
erste Abtriebswelle
erstes Antriebsrad
zweites Sonnenrad
zweite Abtriebswelle
zweites Antriebsrad
Stator
Rotor
Rotorträger
Bremsband
Hohlrad
Welle
Planententräger

Claims

Patentansprüche
1 . Antriebsstrang (1 ) eines Kraftfahrzeugs zur Weitergabe zumindest elektroma- schinenoriginären Drehmoments an Antriebsräder (10, 13), mit einem Rotorverbindungsteil (3), das mit einer Elektromaschine (2) koppelbar ist, mit einem Planetengetriebe (4), das mit dem Rotorverbindungsteil (3) drehmomentweitergebend verbunden ist und so mit einem Differenzialgetriebe in drehmomentweitergebender Verbindung steht, dass zwei mit den Antriebsrädern (10, 13) verbindbare Abtriebswellen (9, 12) antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzialgetriebe als Stirnraddifferenzialgetriebe (5) ausgebildet ist.
2. Antriebsstrang (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (4) als einstufiges oder mehrstufiges Planetengetriebe ausgebildet ist.
3. Antriebsstrang (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Planetengetriebe (4) ein Hohlrad (18) oder ein Planetenträger (20) festgehalten ist.
4. Antriebsstrang (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotorverbindungsteil (3) und dem Planetengetriebe (4) eine Trennkupplung angeordnet ist.
5. Antriebsstrang (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (4) schaltbar ist.
6. Antriebsstrang (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (4) zwischen einem Planetenträger (20) und einer Sonne / einem Sonnenrad bei einem stehenden Hohlrad (18) eine Übersetzung von 4,0 bis 4,3 aufweist.
7. Antriebsstrang (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenrad des Planetengetriebes (4) einen Abschnitt besitzt, der ein Planetenrad des Stirnraddifferenzials (5) stellt.
8. Antriebsstrang (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (4) von einem einteilig ausgebildeten und/oder aus Blechmaterial ausgebildeten Gehäuse eingehaust ist.
9. Antriebsstrang (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse als Gesamtgehäuse die Elektromaschine (2), das Planetengetriebe (4) und das Stirnraddifferenzial (5) einhaust.
10. Antriebsstrang (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermöglichung des Einsatzes einer einteiligen Welle (19) ein Teilkreisdurchmesser von Planetenrädern des Planetengetriebes (4) auf einem Teilkreis eines kürzeren Planetenrades von zwei Planetenradsätzen des Stirn- raddifferenzials (5) liegt.
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