WO2023143655A1 - Elektrische antriebseinheit mit effizienter lagerung zweier sonnenräder - Google Patents

Elektrische antriebseinheit mit effizienter lagerung zweier sonnenräder Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an electric drive unit for a motor vehicle, in particular a purely electrically or hybrid motor vehicle.
  • the drive unit is also referred to as an electric axle system or electric axle drive unit.
  • Claim 1 claims an electric drive unit for a motor vehicle, with an electric machine, a differential gear, which differential gear is in turn connected non-rotatably with its drive wheel to a rotor of the electric machine, and with two planetary gears each connected to its own output of the differential gear on the side of their sun gear . Furthermore, two connecting shafts, each receiving or directly forming one of the sun gears, are arranged coaxially to one another and are supported (at least) axially on one another by means of a bearing.
  • the bearing is arranged inside the differential gear.
  • the bearing is accommodated both axially inside and radially inside the differential gear.
  • the rotor is arranged coaxially to the sun gears and axially between planetary gear sets of the planetary gears. This allows a radially compact design to be achieved.
  • differential gear is designed as a spur gear differential, alternatively also as a bevel gear differential.
  • a first connecting shaft that receives or forms a first sun gear (of a first planetary gear) has a stub shaft-shaped end area, which end area in the shape of a stub shaft fits into a cup-shaped end area of a second sun gear (of a second planetary gear) receiving or forming, second connecting shaft protrudes axially, the bearing being arranged radially between the two end regions.
  • the bearing is implemented as a ball bearing, the axial forces introduced during operation to a large extent by the preferably helically toothed sun gears are supported in a robust and low-wear manner.
  • a bearing inner ring of the bearing is secured axially on the first connecting shaft by means of at least one first support ring. This results in a robust and easily manufacturable mount for the bearing on the first connecting shaft. Accordingly, it is also expedient if an outer bearing ring of the bearing is secured axially on the second connecting shaft by means of at least one second support ring.
  • Fig. 1 is a longitudinal sectional view of an electric drive unit according to the invention according to a preferred embodiment
  • FIG. 2 shows a detailed illustration of the drive unit according to FIG. 1 in the region of a bearing supporting two connecting shafts, which connecting shafts are each further connected to a sun gear of a planetary gear.
  • the drive unit 1 shows an electric drive unit 1 according to the invention according to a preferred exemplary embodiment in its overall structure.
  • the drive unit 1 is preferably used in a purely electrically or alternatively in a hybrid motor vehicle/motor vehicle drive train.
  • the drive unit 1 has an electric machine 2, which is here as
  • Axial flow machine is realized.
  • a rotor 5 of the electric machine 2 is relative to a housing 23 of the drive unit 1 rotatably mounted.
  • a stator 24 of the electrical machine 2 that is fixed to the housing can also be seen in FIG. 1 .
  • the rotor 5 / a rotor shaft of the rotor 5 is non-rotatably connected to an input of a differential gear 3 arranged axially offset to the stator 24 .
  • the input is designed as a drive wheel 4.
  • the differential gear 3 is preferably designed as a spur gear differential, but in other versions it can also be implemented in another way, for example as a bevel gear differential.
  • the differential gear 3 also has two outputs 8, 9, each with a sun gear 6, 7 of another planetary gear 10, 11 are permanently rotatably connected.
  • a first output 8 is thus non-rotatably connected to a (first) sun gear 6 of a first planetary gear 10;
  • a second output 9 is non-rotatably connected to a (second) sun gear 7 of a second planetary gear 11 .
  • the first output 8 is connected in a rotationally fixed manner, in particular to a first connecting shaft 12 directly forming the first sun gear 6 .
  • the second output 9 is non-rotatably connected to a second connecting shaft 13 forming the second sun gear 7 .
  • the planetary gears 10, 11 are arranged on sides of the electric machine 2 and of the differential gear 3 that face away from one another axially.
  • the first planetary gear 10 is arranged on a first axial side of the electric machine 2 and the differential gear 3
  • the second planetary gear 11 is arranged on a second axial side of the electric machine 2 and the differential gear 3 facing away from the first axial side.
  • axial/axial direction and radial/radial direction is to be understood in relation to a central axis of rotation 25 of the sun gears 6, 7.
  • axial is consequently a direction along/parallel to the axis of rotation 25 and radial is to be understood as a direction perpendicular to the axis of rotation 25 .
  • the respective sun gear 6, 7 also serves as a drive for the planetary gear 10, 11, to which it is assigned.
  • the respective planetary gear 10, 11 is designed in a typical manner, with a planetary carrier 26, 27 forming an output of the planetary gear 10, 11.
  • the (first) planetary carrier 26 of the first planetary gear 10 supports a first planetary gear set 15.
  • the (second) planetary carrier 27 of the second planetary gear 11 supports a second planetary gear set 16.
  • the two sun gears 6 , 7 are supported axially relative to one another by means of a bearing 14 .
  • the bearing 14 is implemented as a ball bearing.
  • the bearing 14 has an inner bearing ring 19 which is fastened axially to an end region 17 of the first connecting shaft 12 in the form of a stub shaft.
  • the bearing inner ring 19 is supported on one axial side directly by a radial (first) shoulder 28 of the first connecting shaft 12 .
  • the bearing inner ring 19 On a side facing away axially from the first shoulder 28, the bearing inner ring 19 is (axially) supported on a first support ring 20, the first support ring 20 in turn being engaged in the first connecting shaft 12 (/in a groove of the first connecting shaft 12).
  • a bearing outer ring 21 of the bearing 14 is fastened in an axially fixed manner to a cup-shaped end region 18 of the second connecting shaft 13 .
  • the bearing outer ring 21 is axially fixed between a (second) shoulder 29 of the second connecting shaft 13 and a second support ring 22 .
  • the second support ring 22 is engaged in the second connecting shaft 13 (/in a groove of the second connecting shaft 13).
  • the bearing 14 is thus arranged radially and axially within the pot-shaped end region 18 and is thus pushed into an axial receiving hole 30 of the second connecting shaft 13 .
  • the end region 17 in the form of a stub shaft is thus also pushed axially into this receiving hole 30 . It can also be seen that the bearing 14 is arranged radially and axially within the differential gear 3 .
  • the two outputs 8, 9 from the differential transfer the torque to the two drive suns (sun gears 6, 7).
  • a bearing element (bearing 14) is placed between the two drive suns as a fixed bearing.
  • the fixed bearing is axially secured by two securing elements (support rings 20, 22).
  • the difference between the two axial forces from the tolerance positions takes place via axial contact surfaces (31) in the differential. This storage enables a complete force balance from the two gears (the sun gears 6, 7).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit (1 ) für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine (2), einem Differenzialgetriebe (3), das mit seinem Antriebsrad (4) mit einem Rotor (5) der elektrischen Maschine (2) drehfest verbunden ist, und zwei, jeweils seitens ihres Sonnenrades (6, 7) mit einem eigenen Abtrieb (8, 9) des Differenzialgetriebes (3) verbundenen Planetengetrieben (10, 11 ), wobei zwei, jeweils eines der Sonnenräder (6, 7) aufnehmende oder unmittelbar ausformende Verbindungswellen (12, 13) koaxial zueinander angeordnet und mittels eines Lagers (14) axial aneinander abgestützt sind.

Description

Elektrische Antriebseinheit mit effizienter Lagerung zweier Sonnenräder
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein rein elektrisch oder hybridisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Die Antriebseinheit ist alternativ auch als elektrisches Achssystem oder elektrische Achsantriebseinheit bezeichnet.
Prinzipiell besteht der Bedarf elektrische Antriebseinheiten für Kraftfahrzeuge hinsichtlich ihres Wirkungsgrades weiter zu optimieren. Hierbei hat es sich herausgestellt, dass ein gewisser Anteil an den im Betrieb entstehenden Wirkungsgradverlusten durch vorhandene Bauteillagerungen entfällt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinheit zur Verfügung zu stellen, die möglichst geringe Reibverluste aufweist, zugleich jedoch kompakt und einfach im Aufbau ist.
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 1 beansprucht eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine, einem Differenzialgetriebe, welches Differenzialgetriebe wiederum mit seinem Antriebsrad mit einem Rotor der elektrischen Maschine drehfest verbunden ist, und mit zwei, jeweils seitens ihres Sonnenrades mit einem eigenen Abtrieb des Differenzialgetriebes verbundenen Planetengetrieben. Ferner sind zwei, jeweils eines der Sonnenräder aufnehmende oder unmittelbar ausformende Verbindungswellen koaxial zueinander angeordnet und mittels eines Lagers (zumindest) axial aneinander abgestützt.
Damit werden die Sonnenräder direkt und robust und folglich möglichst präzise zueinander abgestützt / gelagert. Dadurch werden Verluste während der Drehmomentübertragung, insbesondere Reibverluste, deutlich reduziert. Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Demnach ist es auch von Vorteil, wenn das Lager innerhalb des Differenzialgetriebes angeordnet ist. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn das Lager sowohl axial innerhalb, als auch radial innerhalb des Differenzialgetriebes untergebracht ist.
Dadurch erfolgt eine möglichst bauraumsparende Anordnung des Lagers.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Rotor koaxial zu den Sonnenrädern sowie axial zwischen Planetenradsätzen der Planetengetriebe angeordnet ist. Dadurch lässt sich eine radial kompakte Bauweise erzielen.
Als zweckmäßig hat sich zudem herausgestellt, wenn das Differenzialgetriebe als ein Stirnraddifferenzial, alternativ auch als Kegelraddifferenzial, ausgebildet ist.
Für eine robuste Lagerung der Sonnenräder zueinander ist es ferner vorteilhaft, wenn eine, ein erstes Sonnenrad (eines ersten Planetengetriebes) aufnehmende oder ausformende, erste Verbindungswelle einen wellenstumpfförmigen Endbereich aufweist, welcher wellenstumpfförmige Endbereich in einen topfförmigen Endbereich einer ein zweites Sonnenrad (eines zweiten Planetengetriebes) aufnehmenden oder ausformenden, zweiten Verbindungswelle axial hineinragt, wobei radial zwischen den beiden Endbereichen das Lager angeordnet ist. Somit ergibt sich eine möglichst robuste Abstützung der Sonnenräder zueinander.
Ist das Lager als ein Kugellager realisiert, werden die zu einem großen Anteil durch die vorzugsweise schrägverzahnten Sonnenräder im Betrieb eingebrachten Axialkräfte robust und verschleißarm abgestützt.
Ferner ist es von Vorteil, wenn ein Lagerinnenring des Lagers mittels zumindest eines ersten Stützrings axial an der ersten Verbindungswelle gesichert ist. Dadurch ergibt sich eine robuste und einfach herstellbare Aufnahme des Lagers auf der ersten Verbindungswelle. Demnach ist es auch zweckmäßig, wenn ein Lageraußenring des Lagers mittels zumindest eines zweiten Stützrings axial an der zweiten Verbindungswelle gesichert ist.
Mit anderen Worten ausgedrückt ist somit erfindungsgemäß eine effiziente Lagerung der Antriebssonnen (Sonnenräder) in einem elektrischen Achssystem (elektrische Antriebseinheit) umgesetzt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist insbesondere eine Reibungsreduzierung und ein Entfall einer DCU möglich.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, sowie
Fig. 2 eine Detaildarstellung der Antriebseinheit nach Fig. 1 im Bereich eines zwei Verbindungswellen abstützenden Lagers, welche Verbindungswellen jeweils mit einem Sonnenrad eines Planetengetriebes weiter verbunden sind.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Mit Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit 1 nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in ihrem Gesamtaufbau gut zu erkennen. Die Antriebseinheit 1 ist bevorzugt in einem rein elektrisch oder alternativ in einem hybridisch angetriebenen Kraftfahrzeug / Kraftfahrzeugantriebsstrang eingesetzt.
Die Antriebseinheit 1 weist eine elektrische Maschine 2 auf, die hier als
Axialflussmaschine realisiert ist. Ein Rotor 5 der elektrischen Maschine 2 ist relativ zu einem Gehäuse 23 der Antriebseinheit 1 drehbar gelagert. Ein gehäusefest aufgenommener Stator 24 der elektrischen Maschine 2 ist ebenfalls in Fig. 1 zu erkennen.
Der Rotor 5 / eine Rotorwelle des Rotors 5 ist drehfest mit einem Eingang eines axial versetzt zu dem Stator 24 angeordneten Differenzialgetriebes 3 verbunden. Der Eingang ist als Antriebsrad 4 ausgeführt. Das Differenzialgetriebe 3 ist bevorzugt als ein Stirnraddifferenzial ausgebildet, kann jedoch in weiteren Ausführungen auch auf andere Weise, beispielsweise als Kegelraddifferenzial, umgesetzt sein.
Das Differenzialgetriebe 3 weist ferner zwei Abtriebe 8, 9 auf, die jeweils mit einem Sonnenrad 6, 7 eines anderen Planetengetriebes 10, 11 permanent drehfest verbunden sind. Ein erster Abtrieb 8 ist somit drehfest mit einem (ersten) Sonnenrad 6 eines ersten Planetengetriebes 10 verbunden; ein zweiter Abtrieb 9 ist drehfest mit einem (zweiten) Sonnenrad 7 eines zweiten Planetengetriebes 11 drehfest verbunden.
Diesbezüglich ist zu erkennen, dass der erste Abtrieb 8 insbesondere mit einer das erste Sonnenrad 6 unmittelbar ausbildenden ersten Verbindungswelle 12 drehfest verbunden ist. Der zweite Abtrieb 9 ist mit einer das zweite Sonnenrad 7 ausbildenden zweiten Verbindungswelle 13 drehfest verbunden.
Die Planetengetriebe 10, 11 sind zu einander axial abgewandten Seiten der elektrischen Maschine 2 sowie des Differenzialgetriebes 3 angeordnet. Das erste Planetengetriebe 10 ist zu einer ersten axialen Seite der elektrischen Maschine 2 und des Differenzialgetriebes 3 angeordnet, wohingegen das zweite Planetengetriebe 11 zu einer, der ersten axialen Seite abgewandten, zweiten axialen Seite der elektrischen Maschine 2 und des Differenzialgetriebes 3 angeordnet ist.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die gegenständlich verwendeten Richtungsangaben axial / axiale Richtung und radial / radiale Richtung in Bezug auf eine zentrale Drehachse 25 der Sonnenräder 6, 7 zu verstehen sind. Unter axial ist folglich eine Richtung entlang / parallel zur Drehachse 25 und unter radial eine Richtung senkrecht zu der Drehachse 25 zu verstehen.
Das jeweilige Sonnenrad 6, 7 dient ferner als Antrieb des Planetengetriebes 10, 11 , zu dem es zugeordnet ist. Das jeweilige Planetengetriebe 10, 11 ist auf typische Weise ausgebildet, wobei ein Planetenträger 26, 27 einen Ausgang / Abtrieb des Planetengetriebes 10, 11 bildet. Der (erste) Planetenträger 26 des ersten Planetengetriebes 10 lagert einen ersten Planetenradsatz 15. Der (zweite) Planetenträger 27 des zweiten Planetengetriebes 11 lagert einen zweiten Planetenradsatz 16.
Erfindungsgemäß sind die beiden Sonnenräder 6, 7 mittels eines Lagers 14 axial zueinander abgestützt. Das Lager 14 ist als ein Kugellager realisiert. Das Lager 14 weist einen Lagerinnenring 19 auf, der axial auf einen wellenstumpfförmigen Endbereich 17 der ersten Verbindungswelle 12 befestigt ist. Der Lagerinnenring 19 ist zu einer axialen Seite hin unmittelbar durch eine radiale (erste) Schulter 28 der ersten Verbindungswelle 12 abgestützt. Zu einer der ersten Schulter 28 axial abgewandten Seite ist der Lagerinnenring 19 an einem ersten Stützring 20 (axial) abgestützt, wobei der erste Stützring 20 wiederum in der ersten Verbindungswelle 12 (/ in einer Nut der ersten Verbindungswelle 12) eingerastet ist.
Ein Lageraußenring 21 des Lagers 14 ist axialfest an einem topfförmigen Endbereich 18 der zweiten Verbindungswelle 13 befestigt. Der Lageraußenring 21 ist zwischen einer (zweiten) Schulter 29 der zweiten Verbindungswelle 13 und einem zweiten Stützring 22 axial fixiert. Der zweite Stützring 22 ist in der zweiten Verbindungswelle 13 (/ in einer Nut der zweiten Verbindungswelle 13) eingerastet.
Das Lager 14 ist somit radial sowie axial innerhalb des topfförmigen Endbereichs 18 angeordnet ist und somit in ein axiales Aufnahmeloch 30 der zweiten Verbindungswelle 13 eingeschoben ist. Somit ist auch der wellenstumpfförmige Endbereich 17 axial in dieses Aufnahmeloch 30 eingeschoben. Ferner ist zu erkennen, dass das Lager 14 radial und axial innerhalb des Differenzialgetriebes 3 angeordnet ist.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird in dem Antriebssystem (Antriebseinheit 1 ) mit der Leistungsverzweigung auf zwei Planetengetriebe 10, 11 die Sonne (erstes Sonnenrad 6) des ersten Planetenradsatzes 15 / des ersten Planetengetriebes 10 direkt zu der Sonne (zweites Sonnenrad 7) des zweiten Planetenradsatzes 16 / des zweiten Planetengetriebes 11 über das Differential (Differenzialgetriebe 3) gelagert. Dadurch heben sich die Axialkräfte aus der Verzahnung (der Sonnenräder 6, 7) auf. Das Lager 14 sieht nur noch die Differenzdrehzahl aus dem Differential und verursacht somit nur noch minimale Reibungsverluste.
Die beiden Abtriebe 8, 9 aus dem Differential übertragen das Moment auf die beiden Antriebssonnen (Sonnenräder 6, 7). Zur Lagerung der beiden Antriebssonnen wird ein Lagerungselement (Lager 14) zwischen den beiden Antriebssonnen als Festlager platziert. Die axiale Sicherung vom Festlager erfolgt über zwei Sicherungselemente (Stützringe 20, 22). Die Differenz der beiden Axialkräfte aus den Toleranzlagen erfolgt über axiale Anlaufflächen (31) im Differential. Diese Lagerung ermöglicht einen kompletten Kraftausgleich aus den beiden Verzahnungen (der Sonnenräder 6, 7).
Bezuqszeichenliste elektrische Antriebseinheit elektrische Maschine
Differenzialgetriebe
Antriebsrad
Rotor erstes Sonnenrad zweites Sonnenrad erster Abtrieb zweiter Abtrieb erstes Planetengetriebe zweites Planetengetriebe erste Verbindungswelle zweite Verbindungswelle Lager erster Planetenradsatz zweites Planetenradsatz wellenstumpfförmiger Endbereich topfförmiger Endbereich
Lagerinnenring erster Stützring
Lageraußenring zweiter Stützring Gehäuse
Stator
Drehachse
Planetenträger des ersten Planetengetriebes Planetenträger des zweiten Planetengetriebes Schulter der ersten Verbindungswelle Schulter der zweiten Verbindungswelle
Aufnahmeloch
Anlauffläche

Claims

Patentansprüche Elektrische Antriebseinheit (1 ) für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine (2), einem Differenzialgetriebe (3), das mit seinem Antriebsrad (4) mit einem Rotor (5) der elektrischen Maschine (2) drehfest verbunden ist, und zwei, jeweils seitens ihres Sonnenrades (6, 7) mit einem eigenen Abtrieb (8, 9) des Differenzialgetriebes (3) verbundenen Planetengetrieben (10, 11), wobei zwei, jeweils eines der Sonnenräder (6, 7) aufnehmende oder unmittelbar ausformende Verbindungswellen (12, 13) koaxial zueinander angeordnet und mittels eines Lagers (14) axial aneinander abgestützt sind. Antriebseinheit (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (14) innerhalb des Differenzialgetriebes (3) angeordnet ist. Antriebseinheit (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) koaxial zu den Sonnenrädern (6, 7) sowie axial zwischen Planetenradsätzen (15, 16) der Planetengetriebe (10, 11 ) angeordnet ist. Antriebseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzialgetriebe (3) als ein Stirnraddifferenzial oder ein Kegelraddifferenzial ausgebildet ist. Antriebseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine, ein erstes Sonnenrad (6) aufnehmende oder ausformende, erste Verbindungswelle (12) einen wellenstumpfförmigen Endbereich (17) aufweist, der in einen topfförmigen Endbereich (18) einer ein zweites Sonnenrad (7) aufnehmenden oder ausformenden, zweiten Verbindungswelle (13) axial hineinragt, wobei radial zwischen den beiden Endbereichen (17, 18) das Lager (14) angeordnet ist. Antriebseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (14) ein Kugellager ist. Antriebseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lagerinnenring (19) des Lagers (14) mittels zumindest eines ersten Stützrings (20) axial an der ersten Verbindungswelle (12) gesichert ist. Antriebseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lageraußenring (21) des Lagers (14) mittels zumindest eines zweiten Stützrings (22) axial an der zweiten Verbindungswelle (13) gesichert ist.
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