WO2023135252A1 - Elektrisches antriebssystem für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2023135252A1
WO2023135252A1 PCT/EP2023/050737 EP2023050737W WO2023135252A1 WO 2023135252 A1 WO2023135252 A1 WO 2023135252A1 EP 2023050737 W EP2023050737 W EP 2023050737W WO 2023135252 A1 WO2023135252 A1 WO 2023135252A1
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housing
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planetary
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Tobias Schilder
Tobias Haerter
Jonathan Zeibig
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Mercedes-Benz Group AG
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    • F16H3/52—Gearings having only two central gears, connected by orbital gears with single orbital gears or pairs of rigidly-connected orbital gears comprising orbital spur gears
    • F16H3/54—Gearings having only two central gears, connected by orbital gears with single orbital gears or pairs of rigidly-connected orbital gears comprising orbital spur gears one of the central gears being internally toothed and the other externally toothed
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    • F16H63/30—Constructional features of the final output mechanisms
    • F16H63/34—Locking or disabling mechanisms
    • F16H63/3416—Parking lock mechanisms or brakes in the transmission

Definitions

  • the invention relates to an electric drive system for a motor vehicle with a housing, an electric machine, a planetary gear and an axle gear of the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • An electric drive system with an electric machine, a planetary gear and an axle gear is known from DE 102020 109 112 A1.
  • Another electric drive system for a vehicle is essentially known from DE 10 2013225 519 A1.
  • a structure with an electric machine, a planetary gear and an axle gear is described therein, the planetary gear having a planet carrier with two non-rotatably coupled planet gears for each of the planets. These mesh with two different ring gears, which can be braked using braking elements in relation to a housing of the electric drive system.
  • a similar electric drive system is known from the generic DE 10 2016223 110 B3, but in which only one ring gear is provided, which meshes with stepped planet gears, with a freewheel being provided between the ring gear and the housing.
  • the disadvantage of the two-speed system described consists in particular in these switching and braking elements for the two planet gears. These must be designed as multi-plate switching elements, which leads to increased losses in open operation, i.e. when the vehicle coasts. Ultimately, this causes a higher power requirement of the vehicle itself and thus reduces the range of the vehicle.
  • the object of the present invention consists in specifying an electric drive system that is improved in terms of production costs and energy consumption.
  • the electric drive system comprises an electric machine with a rotor and with a rotor shaft. Furthermore, the electric drive system includes a planetary gear with exactly one sun wheel and with exactly one planetary carrier.
  • the rotor shaft is on the one hand non-rotatably connected to the rotor of the electrical machine, and on the other hand non-rotatably connected to exactly one sun gear of the planetary gear.
  • Torsionally connected in the sense of the present invention means that the elements or components connected to one another in a rotationally fixed manner are arranged coaxially to one another and are connected to one another in such a way that they rotate at the same angular velocity.
  • the planet carrier carries a set of first planet gears and a set of second planet gears.
  • the first planet gears and the second planet gears are each rotatably mounted on the planet carrier in a manner known per se.
  • the first planetary gears and the second planetary gears have different diameters, the first planetary gears meshing with the sun gear and the second planetary gears meshing with a ring gear of the planetary gear.
  • the planetary gear includes the ring gear as the only ring gear of the planetary gear.
  • a first freewheel is also provided between the ring gear and the housing, by means of which the ring gear can be coupled to the housing in such a way that rotation of the ring gear is blocked during forward traction operation of the electric drive system.
  • the first freewheel is designed to connect the ring gear to the housing in a rotationally fixed manner during forward traction operation of the electric drive system.
  • About the first freewheel between the ring gear and the housing so can only tensile torques of the electric machine in their transmitted motor operation with positive direction of rotation to the input shaft of the transaxle, so that the motor vehicle can be driven in a forward direction.
  • the ring gear In a forward overrun mode, the ring gear is automatically uncoupled from the housing during the first freewheel, and when there is a renewed change from the forward overrun mode to the forward traction mode, it is then automatically coupled again.
  • the structure is extremely simple and efficient and can ensure that the electric machine can transmit torque to the axle drive in the forward direction of rotation without the need for an actuator.
  • a forward overrun mode i.e. when a power flow runs from the axle drive in the direction of the electric machine, this does not have to be dragged along, but is automatically decoupled via the first freewheel, so that coasting is possible without additional power losses in the area of the electric drive system. which increases the overall performance and efficiency of the electric drive system. This leads to a greater range of a vehicle equipped with such an electric drive system as the main drive or additional drive.
  • a second freewheel is arranged between the ring gear and the housing, by means of which the ring gear can be coupled to the housing in such a way that rotation of the ring gear is blocked during forward overrun operation of the electric drive system.
  • This freewheel is now effective in the forward push mode and not in the forward pull mode.
  • the electric machine acts via the first freewheel, which opens in the forward coasting mode.
  • the second freewheel which opens automatically in forward traction mode, a connection is established in forward coasting mode, so that reverse driving and recuperation are possible.
  • the second freewheel can be switched is executed.
  • switchable in the case of the second freewheel means that the blocking function of the second freewheel can be switched on and off.
  • the second freewheel has a blocking effect on the ring gear when the electric drive system is in forward overrun mode.
  • the second one-way clutch is non-locking on the ring gear when the electric drive system is in the forward traction mode.
  • Forward traction mode means that the electric drive system is operated in such a way that drive torques of the electric machine for forward travel of the motor vehicle are transmitted from the rotor to the input shaft of the axle drive.
  • Forward overrun mode means that the electric drive system is operated in such a way that torques which are exerted on the input shaft of the axle drive by the wheels of the motor vehicle when the motor vehicle is in forward operation are greater than torques which are exerted by the rotor the input shaft of the final drive can be exercised.
  • the second planet gears are arranged so that they overlap axially with respect to the axle drive.
  • Such an arrangement axially overlapping with the axle drive, so that the second planet gears are at least partially within the same area as seen in the axial direction of the electric drive system, enables a very compact structure in the axial direction.
  • the axial direction should always be an axial direction along or parallel to the main axis of rotation of the electric drive system be understood, here parallel to the axis of rotation of the rotor shaft.
  • the radial direction within the meaning of the present description is perpendicular to this axial direction.
  • axle drive can have a bevel gear differential with a differential cage.
  • This differential cage which can also be referred to as a differential housing, forms the differential input shaft.
  • a particular space advantage can be achieved through the axial overlapping with the second planet gears, ie the planet gears on the planet carrier, which have a smaller diameter.
  • a particularly favorable embodiment of the electric drive system provides a first axial bearing, by means of which the ring gear is supported axially with respect to the planet carrier. This also serves to make the structure as compact as possible both in the axial and in the radial direction.
  • a first radial bearing can also be provided, by means of which the planetary carrier is supported radially with respect to the housing, with a bearing half of the first radial bearing on the planetary carrier side being arranged radially outside of a second bearing half on the housing side.
  • the planetary carrier is supported via the first radial bearing from radially outside on a part of the housing that is arranged radially further inwards, e.g. an axially protruding collar of a housing partition.
  • a further embodiment of the electric drive system can also provide that a second axial bearing is provided, by means of which the ring gear is supported axially with respect to either a parking lock gear or the housing.
  • a second axial bearing is provided, by means of which the ring gear is supported axially with respect to either a parking lock gear or the housing.
  • the parking lock wheel which is typically rotationally connected to the input shaft of the axle drive, can then be braked to the housing via a switching element or rotationally connected to it. In this way, the axle drive can be blocked and rotation of the output shaft and the wheels of the motor vehicle can be prevented.
  • the rotor shaft can be supported by combination bearings, for which purpose a first combination bearing and a second combination bearing are provided, which are each set up to support the rotor shaft axially and radially relative to the housing.
  • a first combination bearing and a second combination bearing are provided, which are each set up to support the rotor shaft axially and radially relative to the housing.
  • the respectively associated bearing half on the rotor shaft side is arranged radially inside the respective bearing half on the housing side.
  • the rotor shaft is thus supported on parts of the housing, e.g.
  • both freewheels can be combined in one assembly.
  • Such an assembly can be arranged in particular between the axle drive and the housing and would accordingly be easily accessible from the outside of the housing, in particular to introduce the actuators in the case of the switchable freewheel.
  • a switching function would also be possible during the first freewheel. In practice, however, this is no longer relevant, so that it is typically dispensed with for reasons of cost.
  • the electrical machine is particularly preferably implemented as an axial flow machine.
  • the only attached figure 1 shows the schematic sectional view of an electric drive system according to the invention.
  • an electric drive system 1 for a motor vehicle is shown schematically.
  • the electric drive system 1 comprises a housing 2 and an electric machine 3 with a stator 4 which is held in a rotationally fixed manner relative to the housing 2 and a rotor 5 which is rotatable in relation to the stator 4 and which in turn is connected in a rotationally fixed manner to a rotor shaft 6 .
  • the electric drive system 1 also includes a planetary gear 7 with a sun gear 8, which is non-rotatably connected to the rotor shaft 6 and a planetary carrier 9, which carries a set of first planetary gears 10 and a set of second planetary gears 11.
  • the first planetary gears 10 have a larger diameter than the second planetary gears 11.
  • the first and second planetary gears 10, 11 adjacent to one another are each coupled to one another in a torque-proof manner.
  • the second planetary gears 11 with the smaller diameter than the first planetary gears 10 are in engagement with a ring gear 12 of the planetary gear 7 .
  • the electric drive system 1 has an axle drive 13, which is designed here as a bevel gear differential.
  • An output shaft 14 of the axle drive 13 forms the output indicated by the arrows, in particular to the wheels of the motor vehicle.
  • the differential cage 15 forms the input shaft 15 of the axle drive 13 and is coupled to the planet carrier 9 in a torque-proof manner.
  • the differential cage 15 can also be fixed in a rotationally fixed manner with respect to the housing 2 via a parking lock wheel 16 and a corresponding switching element 17 in order to implement a parking lock for the motor vehicle.
  • the structure shown here with the one ring gear 12 of the planetary gear 7 ultimately represents a one-speed system for driving or at least partially driving the motor vehicle via the electric drive system 1.
  • the ring gear 12 of the planetary gear 7 is now coupled to the housing 2 of the electric drive system 1 via a first freewheel 18 in such a way that the ring gear 12 is prevented from rotating in a forward direction of rotation of the rotor 5 .
  • Only traction torques of the electric machine 3 are thus transmitted to the output shaft 14 via the first freewheel 18, while the first freewheel 18 automatically rotates freely in overrun mode and thus decouples the electric machine 3 by releasing the ring gear 12 of the planetary gear 7.
  • This enables overrun operation without the electric machine 3 being dragged along, which enables efficient and low-loss operation of the electric drive device 1 when coasting, ie allowing the motor vehicle to coast without a drive. Will be back from the push into the train changed, then the first freewheel 18 closes automatically and the power of the electric machine 3 can be transferred to the output 14 again.
  • an additional second freewheel 19 is now provided between the ring gear 12 and the housing 2 .
  • This freewheel 19 is designed in such a way that it can transmit torque in overrun mode, but not in traction mode. It therefore supplements the first freewheel 18 accordingly, so that recuperation and reversing are now possible.
  • the second freewheel 19 is designed to be switchable.
  • this second freewheel 19 By switching this second freewheel 19, which is indicated by the arrow in FIG
  • the freewheel 19 can be switched over both on the overrun and on the train, so that depending on the switching position of this second freewheel 19, either recuperation or reversing is possible, while coasting without the electric machine 3 being dragged along is made possible when the blocking function is switched off.
  • the two freewheels 18, 19 can preferably be brought together to form an integrated unit 28, which is arranged in particular in the radial direction R outside of the differential cage 15 but axially overlapping with it.
  • the structural unit is preferably easily accessible from the outside of the housing 2, in particular in order to be able to actuate the shift actuator system of the second freewheel 19 simply and efficiently, for example by means of a hydraulic line, an electrical signal line and/or the like.
  • the structure can be implemented in an extremely compact manner.
  • the integrated structural unit 28 with the two freewheels 18, 19 can be designed to overlap the axle drive 13 or its differential cage 15 in the axial direction A of the output shaft 14 or the rotor shaft 6, but also in particular the set of the second planet gears 11 and preferably the Ring gear 12. All this leads to a very compact structure, especially in the axial direction A.
  • the electrical machine 3 which can be designed in particular as an axial flow machine, can be supported on the housing 2 with regard to its rotor shaft 6 via a first combination bearing 20 and a second combination bearing 21, with the rotor shaft 6 radially on the inside and radially outside of the two combination bearings 20, 21 the housing is arranged.
  • the combination bearings can transmit both axial forces and radial forces, i.e. they are a combination of axial bearings and radial bearings. In particular, this can involve angular contact ball bearings, four-point ball bearings or the like.
  • the planet carrier 9 of the planetary gear 7 can then also be supported on the housing 2 via a first radial bearing 22 , with the housing 2 being arranged radially on the inside and the planet carrier 9 being arranged radially outside of this first radial bearing 22 .
  • a second radial bearing 23 can then be used in the region of the planetary carrier 9 to support the two first and second planetary gears 10, 11 of the respective set of planetary gears that are connected to one another in a torque-proof manner.
  • the ring gear 12 can preferably be supported in the axial direction A via a first axial bearing 24 in relation to the planetary carrier 9 .
  • a second axial bearing 25 can be used to support the ring gear 12 and the freewheels 18, 19 connected to it in the other axial direction A.
  • This axial bearing 25, which is shown in the representation of Figure 1 without actual counterpart, can now be supported depending on the design either on the parking lock wheel 16, which leads to a very compact structure, or alternatively on the housing 2, resulting in a slightly leads to a larger structure, but is advantageous in terms of losses.
  • the axial bearings 24, 25 can be designed in particular as axial needle bearings, the radial bearings 22, 23 in particular as cylindrical roller bearings or grooved ball bearings, as is generally known and customary.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse (2), mit einer elektrischen Maschine (3), welche einen drehfest mit einer Rotorwelle (6) verbundenen Rotor (5) umfasst, mit einem Planetengetriebe (7) und mit einem Achsgetriebe (13), wobei das Planetengetriebe (7) genau ein Sonnenrad (8) und genau einen Planetenträger (9) umfasst, wobei der Planetenträger (9) einen Satz von ersten Planetenrädern (10) und einen Satz von zweiten Planetenrädern (11) trägt, wobei die ersten Planetenräder (10) einen größeren Durchmesser als die zweiten Planetenräder (11) aufweisen, wobei jeweils eines der ersten Planetenräder (10) und eines der zweiten Planetenräder (11) drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Sonnenrad (8) mit den ersten Planetenrädern (10) in Eingriff ist, wobei die Rotorwelle (6) drehfest mit dem Sonnenrad (8) verbunden ist, und wobei der Planetenträger (9) drehfest mit einer Eingangswelle (15) des Achsgetriebes (13) verbunden ist.Dabei ist genau ein Hohlrad (12) vorgesehen, welches mit den zweiten Planetenrädern (11) in Eingriff steht, wobei ein erster Freilauf (18) zwischen dem Hohlrad (12) und dem Gehäuse (2) vorgesehen ist, mittels welchem das Hohlrad (12) derart mit dem Gehäuse (2) gekoppelt ist, dass eine Drehung des Hohlrads (12) in einer Vorwärtsdrehrichtung des Rotors (5) blockiert ist.

Description

Elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse, einer elektrischen Maschine, einem Planetengetriebe und einem Achsgetriebe nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus DE 102020 109 112 A1 ist ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem Planetengetriebe und einem Achsgetriebe bekannt.
Ein weiteres elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug ist im Wesentlichen aus der DE 10 2013225 519 A1 bekannt. Darin wird ein Aufbau mit einer elektrischen Maschine einem Planetengetriebe und einem Achsgetriebe beschrieben, wobei das Planetengetriebe über einen Planetenträger mit jeweils zwei drehfest gekoppelten Planetenrädern für jeden der Planeten verfügt. Diese kämmen mit zwei unterschiedlichen Hohlrädern, welche über Bremselemente gegenüber einem Gehäuse des elektrischen Antriebssystems festgebremst werden können. Hierdurch werden zwei unterschiedliche Übersetzungen zwischen der elektrischen Maschine einerseits und dem Achsgetriebe andererseits realisiert. Ein ähnliches elektrisches Antriebssystem ist aus der gattungsgemäßen DE 10 2016223 110 B3 bekannt, bei der aber nur ein Hohlrad vorgesehen ist, das mit Stufenplanetenrädern kämmt, wobei ein Freilauf zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse vorgesehen ist.
Der Nachteil bei dem beschriebenen Zweigangsystem besteht nun insbesondere in diesen Schalt- bzw. Bremselementen für die beiden Planetenräder. Diese müssen als Lamellenschaltelemente ausgeführt sein, was zu erhöhten Verlusten im offenen Betrieb, also bei einem Segeln des Fahrzeugs führt. Letztlich verursacht dies einen höheren Leistungsbedarf des Fahrzeugs an sich und verringert so die Reichweite des Fahrzeugs. Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein hinsichtlich Herstellkosten und Energieverbrauch verbessertes elektrisches Antriebssystem anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen im Anspruch 1 , und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das elektrische Antriebssystem umfasst, ähnlich wie das Antriebssystem im oben genannten Stand der Technik, eine elektrische Maschine mit einem Rotor und mit einer Rotorwelle. Ferner umfasst das elektrische Antriebssystem ein Planetengetriebe mit genau einem Sonnenrad und mit genau einem Planetenträger.
Die Rotorwelle ist einerseits drehfest mit dem Rotor der elektrischen Maschine, und andererseits drehfest mit dem genau einen Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden.
„Drehfest verbunden“ im Sinne der hier vorliegenden Erfindung bedeutet dabei, dass die drehfest miteinander verbundenen Elemente bzw. Bauteile koaxial zueinander angeordnet sind und derart miteinander verbunden sind, dass sie mit derselben Winkelgeschwindigkeit umlaufen.
Der Planetenträger trägt auch hier einen Satz von ersten Planetenrädern und einen Satz von zweiten Planetenrädern. Die ersten Planetenräder und die zweiten Planetenräder sind jeweils auf an sich bekannte Weise drehbar auf dem Planetenträger gelagert. Die ersten Planetenräder und die zweiten Planetenräder haben unterschiedliche Durchmesser, wobei die ersten Planetenräder mit dem Sonnenrad in Eingriff stehen und die zweiten Planetenräder mit einem Hohlrad des Planetengetriebes im Eingriff stehen. Das Planetengetriebe umfasst das Hohlrad als einziges Hohlrad des Planetengetriebes.
Es ist außerdem ein erster Freilauf zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse vorgesehen, mittels welchem das Hohlrad derart mit dem Gehäuse koppelbar ist, dass eine Drehung des Hohlrads bei einem Vorwärts-Zugbetrieb des elektrischen Antriebssystems blockiert ist. Mit anderen Worten ist der erste Freilauf dazu ausgebildet, bei einem Vorwärts-Zugbetrieb des elektrischen Antriebssystems das Hohlrad drehfest mit dem Gehäuse zu verbinden. Über den ersten Freilauf zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse lassen sich also nur Zugmomente der elektrischen Maschine in deren motorischem Betrieb mit positiver Drehrichtung an die Eingangswelle des Achsgetriebes übertragen, so dass das Kraftfahrzeug in einer Vorwärtsrichtung angetrieben werden kann. In einem Vorwärts-Schubbetrieb kommt es bei dem ersten Freilauf zu einem automatischen Abkoppeln des Hohlrades von dem Gehäuse, bei einem erneuten Wechsel vom Vorwärts-Schubbetrieb zu dem Vorwärts-Zugbetrieb wird dann automatisch wieder angekoppelt.
Der Aufbau ist außerordentlich einfach und effizient und kann, ohne dass hierfür eine Aktuatorik notwendig ist, dafür sorgen, dass die elektrische Maschine in der Vorwärtsdrehrichtung Drehmoment auf das Achsgetriebe übertragen kann. In einem Vorwärts-Schubbetrieb, also wenn ein Leistungsfluss vom Achsgetriebe in Richtung der elektrischen Maschine läuft, muss diese dann jedoch nicht mitgeschleppt werden, sondern wird über den ersten Freilauf selbstständig abgekoppelt, sodass ein Segeln ohne zusätzliche Leistungsverluste im Bereich des elektrischen Antriebssystems möglich wird, was insgesamt die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad des elektrischen Antriebssystems steigert. Dies führt zu einer größeren Reichweite eines mit einem solchen elektrischen Antriebssystem als Hauptantrieb oder zusätzlicher Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs.
Durch die Abkopplung im Schub über den ersten Freilauf ist dabei prinzipbedingt keine Rückwärtsfahrt mit motorischem Betrieb der elektrischen Maschine in negativer Drehrichtung und keine Rekuperation mit generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine möglich.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein zweiter Freilauf zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse angeordnet ist, mittels welchem das Hohlrad derart mit dem Gehäuse koppelbar ist, dass eine Drehung des Hohlrads bei dem Vorwärts-Schubbetrieb des elektrischen Antriebssystems blockiert ist. Dieser Freilauf wirkt nun also im Vorwärts- Schubbetrieb und eben nicht im Vorwärts-Zugbetrieb. Im Vorwärts-Zugbetrieb des elektrischen Antriebssystems wirkt die elektrische Maschine also über den ersten Freilauf, welcher im Vorwärts-Schubbetrieb öffnet. Gleichzeitig wird über den zweiten Freilauf, welcher im Vorwärts-Zugbetrieb automatisch öffnet, im Vorwärts-Schubbetrieb eine Verbindung hergestellt, sodass einerseits ein Rückwärtsfahren und andererseits eine Rekuperation möglich ist.
Um nun den oben genannten Vorteil des verlustfreien bzw. verlustarmen Segelns nicht zu verlieren ist es dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Freilauf schaltbar ausgeführt ist. Schaltbar bei dem zweiten Freilauf bedeutet dabei im Sinne der Erfindung, dass die Blockierfunktion des zweiten Freilaufs ein- und ausgeschaltet werden kann. Im eingeschalteten Zustand wirkt der zweite Freilauf blockierend auf das Hohlrad, wenn sich das elektrische Antriebssystem in dem Vorwärts-Schubbetrieb befindet. In dem eingeschalteten Zustand wirkt der zweite Freilauf nicht blockierend auf das Hohlrad, wenn sich das elektrische Antriebssystem in dem Vorwärts-Zugbetrieb befindet.
Im ausgeschalteten Zustand, wird dann die Blockierfunktion des zweiten Freilaufes aufgehoben, der zweite Freilauf wird somit deaktiviert und das Hohlrad kann sich auch im Vorwärts-Schubbetrieb frei drehen. Durch das Ausschalten des zweiten Freilaufs kann also die von ihm ausgehende Blockade im Vorwärts-Schubbetrieb gelöst werden. Damit ist im Vorwärts-Schubbetrieb dann weiterhin ein verlustfreies Segeln mit einem mit dem elektrischen Antriebssystem ausgestatteten Fahrzeug möglich. Soll nun rekuperiert werden oder ist eine Rückwärtsfahrt notwendig, kann durch ein Einschalten des zweiten Freilaufs, sodass dessen Blockierfunktion wieder eingeschaltet ist, ein solcher Betrieb einfach und effizient ermöglicht werden.
Unter dem Vorwärts-Zugbetrieb ist zu verstehen, dass das elektrische Antriebssystem derart betrieben wird, dass Antriebsmomente der elektrischen Maschine für eine Vorwärtsfahrt des Kraftfahrzeuges von dem Rotor auf die Eingangswelle des Achsgetriebes übertragen werden.
Unter dem Vorwärts-Schubbetrieb ist zu verstehen, dass das elektrische Antriebssystem derart betrieben wird, dass Drehmomente die ausgehend von Rädern des Kraftfahrzeuges bei einem Vorwärtsbetrieb des Kraftfahrzeuges auf die Eingangswelle des Achsgetriebes ausgeübt werden, größer sind, als Drehmomente, die ausgehend von dem Rotor auf die Eingangswelle des Achsgetriebes ausgeübt werden.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung kann es dabei vorgesehen sein, dass die zweiten Planetenräder axial überlappend zu dem Achsgetriebe angeordnet sind. Eine solche Anordnung axial überlappend zu dem Achsgetriebe, sodass die zweiten Planetenräder also zumindest teilweise in axialer Richtung des elektrischen Antriebssystems gesehen innerhalb desselben Bereichs liegen, ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau in axialer Richtung.
Die axiale Richtung soll dabei für die hier vorliegende Erfindung immer als axiale Richtung entlang oder parallel zu der Hauptdrehachse des elektrischen Antriebssystems verstanden werden, hier parallel zu Drehachse der Rotorwelle. Die radiale Richtung im Sinne der hier vorliegenden Beschreibung steht auf dieser axialen Richtung senkrecht.
Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems kann es dabei vorsehen, dass das Achsgetriebe ein Kegelraddifferential mit einem Differentialkäfig aufweist. Dieser Differentialkäfig, welcher auch als Differentialgehäuse bezeichnet werden kann, bildet dabei die Differentialeingangswelle aus. Insbesondere bei diesem Aufbau des Achsgetriebes kann durch das axiale Überlappen mit den zweiten Planetenrädern, also den im Durchmesser kleineren Planetenrädern auf dem Planetenträger ein besonderer Bauraumvorteil erreicht werden.
Eine besonders günstige Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems sieht ein erstes Axiallager vor, mittels welchem das Hohlrad axial gegenüber dem Planetenträger abgestützt ist. Auch dies dient dem möglichst kompakten Aufbau sowohl in axialer als auch in radialer Richtung.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann ferner ein erstes Radiallager vorgesehen sein, mittels welchem der Planetenträger radial gegenüber dem Gehäuse abgestützt ist, wobei eine planetenträgerseitige Lagerhälfte des ersten Radiallager radial außerhalb einer gehäuseseitigen zweiten Lagerhälfte angeordnet ist. Der Planetenträger stützt sich über das erste Radiallager also von radial außen auf einem radial weiter innen angeordneten Teil des Gehäuses, z.B. einen axial vorstehenden Bund einer Gehäusezwischenwand, ab.
Eine weitere Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems kann es ferner vorsehen, dass ein zweites Axiallager vorgesehen ist, mittels welchem das Hohlrad axial gegenüber entweder einem Parksperrenrad oder dem Gehäuse abgestützt ist. Eine solche Abstützung beispielsweise am Parksperrenrad, welches typischerweise drehfest mit der Eingangswelle des Achsgetriebes verbunden ist, oder alternativ dazu auch direkt an dieser Eingangswelle oder einem Flansch dieser Eingangswelle erlaubt einen sehr kompakten Aufbau. Weil allerdings die auftretenden Relativbewegungen zwischen der Eingangswelle und dem Hohlrad vergleichsweise groß sind, kann es aus Verlustsicht auch vorteilhaft sein, das Hohlrad, alternativ dazu, mit dem zweiten Axiallager an dem Gehäuse abzustützen, sodass beide Ausführungsvarianten, je nach Optimierungszweck, ihre Vorteile haben. Das Parksperrenrad, welches typischerweise drehtest mit der Eingangswelle des Achsgetriebes verbunden ist, kann dann über ein Schaltelement an dem Gehäuse festgebremst bzw. drehtest mit diesem verbunden werden. Hierdurch lässt sich das Achsgetriebe blockieren und eine Drehung der Abtriebswelle und der Räder des Kraftfahrzeugs unterbinden.
Die Abstützung der Rotorwelle kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung über Kombinationslager erfolgen, wozu ein erstes Kombinationslager und ein zweites Kombinationslager vorgesehen sind, welche jeweils zu einer axialen und radialen Abstützung der Rotorwelle gegenüber dem Gehäuse eingerichtet sind. Dabei ist sowohl bei dem ersten Kombinationslager als auch bei dem zweiten Kombinationslager die jeweils zugehörige rotorwellenseitige Lagerhälfte radial innerhalb der jeweiligen gehäuseseitigen Lagerhälfte angeordnet. Die Rotorwelle wird also an Teilen des Gehäuses, z.B. radial verlaufenden Zwischenwänden des Gehäuses abgestützt, welche radial außerhalb der Rotorwelle liegen.
Beide Freiläufe können dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des elektrischen Antriebssystems in einer Baugruppe vereint ausgeführt sein. Eine solche Baugruppe kann insbesondere zwischen dem Achsgetriebe und dem Gehäuse angeordnet sein und wäre dementsprechend vom Äußeren des Gehäuses her leicht zugänglich, insbesondere um die Aktuatorik im Fall des schaltbaren Freilaufs einzubringen. Grundsätzlich wäre dabei natürlich auch eine Schaltfunktion beim ersten Freilauf möglich. Für die Praxis ist diese aber nicht weitere relevant, so dass aus Kostengründen typischerweise auf eine Solche verzichtet wird.
Die elektrische Maschine ist besonders vorzugsweise als Axialflussmaschine realisiert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Antriebssystems ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
Die einzige beigefügte Figur 1 zeigt dabei die schematische Schnittansicht eines elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein elektrisches Antriebssystem 1 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug schematisch dargestellt. Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst ein Gehäuse 2 sowie eine elektrische Maschine 3 mit einem gegenüber dem Gehäuse 2 drehtest gehaltenen Stator 4 sowie einem gegenüber dem Stator 4 drehbaren Rotor 5, welcher seinerseits drehtest mit einer Rotorwelle 6 verbunden ist.
Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst außerdem ein Planetengetriebe 7 mit einem Sonnenrad 8, welches drehfest mit der Rotorwelle 6 verbunden ist und einem Planetenträger 9, welcher einen Satz erster Planetenräder 10 und einen Satz zweiter Planetenräder 11 trägt. Die ersten Planetenräder 10 haben dabei einen größeren Durchmesser als die zweiten Planetenräder 11. Die einander benachbarten ersten und zweiten Planetenräder 10, 11 sind jeweils drehfest miteinander gekoppelt. Die zweiten Planetenräder 11 mit dem kleineren Durchmesser als die ersten Planetenräder 10, stehen mit einem Hohlrad 12 des Planetengetriebes 7 im Eingriff.
Ergänzend dazu weist das elektrische Antriebssystem 1 ein Achsgetriebe 13 auf, welches hier als Kegelraddifferential ausgebildet ist. Eine Ausgangswelle 14 des Achsgetriebes 13 bildet dabei den durch die Pfeile angedeuteten Abtrieb, insbesondere zu den Rädern des Kraftfahrzeugs aus. Der Differentialkäfig 15 bildet die Eingangswelle 15 des Achsgetriebes 13 und ist drehfest mit dem Planetenträger 9 gekoppelt. Der Differentialkäfig 15 lässt sich außerdem über ein Parksperrenrad 16 und ein entsprechendes Schaltelement 17 gegenüber dem Gehäuse 2 drehfest fixieren, um eine Parksperre für das Kraftfahrzeug zu realisieren.
Der hier dargestellte Aufbau mit dem einen Hohlrad 12 des Planetengetriebes 7 stellt also letztlich ein Ein-Gang-System zum Antreiben oder zumindest teilweise Antreiben des Kraftfahrzeugs über das elektrische Antriebssystem 1 dar.
Über einen ersten Freilauf 18 ist das Hohlrad 12 des Planetengetriebes 7 nun mit dem Gehäuse 2 des elektrischen Antriebssystems 1 in der Art gekoppelt, dass eine Drehung des Hohlrads 12 in einer Vorwärtsdrehrichtung des Rotors 5 verhindert wird. Über den ersten Freilauf 18 werden also nur Zugmomente der elektrischen Maschine 3 auf die Abtriebswelle 14 übertragen, während im Schubbetrieb der erste Freilauf 18 automatisch frei umläuft und damit die elektrische Maschine 3 über eine Freigabe des Hohlrads 12 des Planetengetriebes 7 abkoppelt. Hierdurch ist ein Schubbetrieb ohne ein Mitschleppen der elektrischen Maschine 3 möglich, was einen effizienten und verlustarmen Betrieb der elektrischen Antriebsvorrichtung 1 beim sogenannten Segeln, also einem antriebslosen Rollenlassen des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Wird wieder vom Schub in den Zug gewechselt, dann schließt der erste Freilauf 18 automatisch und die Kraft der elektrischen Maschine 3 kann wieder auf den Abtrieb 14 übertragen werden.
Mit dem ersten Freilauf 18 alleine ließe sich nun keine Rekuperation realisieren und auch ein Rückwärtsfahren des Kraftfahrzeugs über die elektrische Maschine 3 wäre so nicht möglich, da dies eine Kraftübertragung zwischen dem Abtrieb 14 und der elektrischen Maschine 3 in der entgegengesetzten Richtung, also der Schubrichtung, erforderlich macht. Um dies zu ermöglichen, ist nun ein zusätzlicher zweiter Freilauf 19 zwischen dem Hohlrad 12 und dem Gehäuse 2 vorgesehen. Dieser Freilauf 19 ist in der Art ausgebildet, dass er im Schubbetrieb Drehmomente übertragen kann, im Zugbetrieb nicht. Er ergänzt also den ersten Freilauf 18 entsprechend, sodass nun Rekuperation und Rückwärtsfahren möglich wird. Der zweite Freilauf 19 ist dabei schaltbar ausgebildet. Durch das Schalten dieses zweiten Freilaufs 19, was in der Darstellung der Figur 1 durch den Pfeil angedeutet ist, lässt sich die Blockierfunktion ein- oder ausschalten, sodass der zweite Freilauf 19 entweder in der beschriebenen Art als im Schub blockierender Freilauf 19 arbeitet oder zu einem sowohl im Schub als auch im Zug freien Freilauf 19 umgeschaltet werden kann, sodass je nach Schaltstellung dieses zweiten Freilaufs 19 entweder eine Rekuperation oder ein Rückwärtsfahren möglich ist, während bei ausgeschalteter Blockierfunktion ein Segeln ohne das Mitschleppen der elektrischen Maschine 3 ermöglicht wird.
Die Kombination der beiden Freiläufe 18, 19, von welchen der zweite Freilauf 19 schaltbar ist, ermöglicht also eine dauerhafte Anbindung in der einen Richtung und eine schaltbare Anbindung in der anderen Dreh- bzw. Kraftrichtung. Die beiden Freiläufe 18, 19 können dabei vorzugsweise zu einer integrierten Baueinheit 28 zusammengeführt sein, welche insbesondere in radialer Richtung R außerhalb des Differential käfigs 15 aber axial überlappend zu diesem angeordnet ist. Die Baueinheit ist vorzugsweise von der Außenseite des Gehäuses 2 her leicht zugänglich ist, insbesondere um die Schaltaktuatorik des zweiten Freilaufs 19 einfach und effizient, beispielsweise mittels einer Hydraulikleitung, einer elektrischen Signalleitung und/oder dergleichen betätigen zu können.
Insgesamt lässt sich der Aufbau dabei außerordentlich kompakt realisieren. Nicht nur die integrierte Baueinheit 28 mit den beiden Freiläufen 18, 19 kann in der axialen Richtung A der Abtriebswelle 14 beziehungsweise der Rotorwelle 6 überlappend zu dem Achsgetriebe 13 beziehungsweise seinem Differentialkäfig 15 ausgebildet sein, sondern insbesondere auch der Satz der zweiten Planetenräder 11 sowie vorzugsweise das Hohlrad 12. All dies führt zu einem sehr kompakten Aufbau, insbesondere in der axialen Richtung A.
Die elektrische Maschine 3, welche insbesondere als Axialflussmaschine ausgebildet sein kann, kann sich dabei hinsichtlich ihrer Rotorwelle 6 über ein erstes Kombinationslager 20 und ein zweites Kombinationslager 21 an dem Gehäuse 2 abstützen, wobei radial innen die Rotorwelle 6 und radial außerhalb der beiden Kombinationslager 20, 21 das Gehäuse angeordnet ist. Die Kombinationslager können dabei sowohl Axialkräfte als auch Radialkräfte übertragen, sind also eine Kombination aus Axiallagern und Radiallagern. Insbesondere kann es sich dabei über Schrägkugellager, Vierpunkt-Kugellager oder dergleichen handeln.
Der Planetenträger 9 des Planetengetriebes 7 kann sich dann über ein erstes Radiallager 22 ebenfalls an dem Gehäuse 2 abstützen, wobei hier das Gehäuse 2 radial Innen und der Planetenträger 9 radial außerhalb dieses ersten Radiallagers 22 angeordnet ist. Ein zweites Radiallager 23 kann dann jeweils im Bereich des Planetenträgers 9 zum Abstützen der jeweils zwei drehfest miteinander verbundenen ersten und zweiten Planetenräder 10, 11 des jeweiligen Satzes von Planetenrädern dienen.
Das Hohlrad 12 kann sich vorzugsweise in Axialrichtung A über ein erstes Axiallager 24 gegenüber dem Planetenträger 9 abstützen. Ein zweites Axiallager 25 kann zur Abstützung des Hohlrads 12 und der mit ihm verbundenen Freiläufe 18, 19 in der anderen axialen Richtung A dienen. Dieses Axiallager 25, welches in der Darstellung der Figur 1 ohne tatsächlichen Gegenpart dargestellt ist, kann sich nun je nach Konstruktion wahlweise entweder an dem Parksperrenrad 16 abstützen, was zu einem sehr kompakten Aufbau führt oder alternativ dazu an dem Gehäuse 2, was zu einem etwas größeren Aufbau führt, dafür jedoch bezüglich der Verluste von Vorteil ist.
Die Axiallager 24, 25 können dabei insbesondere als Axialnadellager ausgebildet sein, die Radiallager 22 ,23 insbesondere als Zylinderrollenlager oder Rillenkugellager, wie dies allgemein bekannt und üblich ist.
Weitere relevante Lagerstellen in dem Aufbau des elektrischen Antriebssystems 1 liegen nun im Bereich der Abtriebswelle 14, wobei hier in der Darstellung der Figur 1 links ein Radiallager 26 und in der Darstellung der Figur 1 rechts ein Kombinationslager 27, welches also Axial- und Radialkräfte übertragen kann, angeordnet ist. In diesen stützt sich die radial innen liegende Abtriebswelle 14 auf dem radial außerhalb liegenden Gehäuse 2 ab.

Claims

Patentansprüche Elektrisches Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse (2), mit einer elektrischen Maschine (3), welche einen drehfest mit einer Rotorwelle (6) verbundenen Rotor (5) umfasst, mit einem Planetengetriebe (7) und mit einem Achsgetriebe (13), wobei das Planetengetriebe (7) genau ein Sonnenrad (8) und genau einen Planetenträger (9) umfasst, wobei der Planetenträger (9) einen Satz von ersten Planetenrädern (10) und einen Satz von zweiten Planetenrädern (11) trägt, wobei die ersten Planetenräder (10) einen größeren Durchmesser als die zweiten Planetenräder (11) aufweisen, wobei jeweils eines der ersten Planetenräder (10) und eines der zweiten Planetenräder (11) drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Sonnenrad (8) mit den ersten Planetenrädern (10) in Eingriff ist, wobei die Rotorwelle (6) drehfest mit dem Sonnenrad (8) verbunden ist, und wobei der Planetenträger (9) drehfest mit einer Eingangswelle (15) des Achsgetriebes (13) verbunden ist, wobei genau ein Hohlrad (12) vorgesehen ist, welches mit den zweiten Planetenrädern (11) in Eingriff steht, wobei ein erster Freilauf (18) zwischen dem Hohlrad (12) und dem Gehäuse (2) vorgesehen ist, wobei der erste Freilauf (18) dazu ausgebildet ist, das Hohlrad (12) dann drehfest mit dem Gehäuse (2) zu koppeln, wenn das elektrische Antriebssystem (1) in einem Vorwärts-Zugbetrieb betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Freilauf (19) zwischen dem Hohlrad (12) und dem Gehäuse (2) vorgesehen ist, welcher schaltbar ausgeführt ist und welcher dazu ausgebildet ist, das Hohlrad (12) dann drehfest mit dem Gehäuse (2) zu koppeln, wenn das elektrische Antriebssystem (1) in einem Vorwärts-Schubbetrieb betrieben wird und wenn sich der zweite Freilauf in einem eingeschalteten Zustand befindet. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Planetenräder (11) axial überlappend zu dem Achsgetriebe (13) angeordnet sind. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Achsgetriebe (13) ein Kegelraddifferential mit einem Differentialkäfig (15) als Eingangswelle aufweist. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Axiallager (24) vorgesehen ist, mittels welchem das Hohlrad (12) axial gegenüber dem Planetenträger (9) abgestützt ist. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Radiallager (22) vorgesehen ist, mittels welchem der Planetenträger (9) radial gegenüber dem Gehäuse (2) abgestützt ist, wobei eine planetenträgerseitige Lagerhälfte des ersten Radiallagers (22) radial außerhalb einer gehäuseseitigen zweiten Lagerhälfte angeordnet ist. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Axiallager (25) vorgesehen ist, mittels welchem das Hohlrad (12) axial gegenüber einem Parksperrenrad (16) oder dem Gehäuse (2) abgestützt ist. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kombinationslager (20) und ein zweites Kombinationslager (21) vorgesehen sind, welche jeweils zu einer axialen und radialen Abstützung der Rotorwelle (6) gegenüber dem Gehäuse (2) eingerichtet sind, wobei sowohl bei dem ersten Kombinationslager (20) als auch bei dem zweiten Kombinationslager (21) die jeweils zugehörige rotorwellenseitige Lagerhälfte radial innerhalb der jeweiligen gehäuseseitigen Lagerhälfte angeordnet ist. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Freiläufe (18,19) in einer Baugruppe (28) vereint ausgeführt sind. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) als Axialflussmaschine ausgeführt ist.
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