Antriebsvorrichtung für eine insbesondere elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für eine insbesondere elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist allgemein bekannt, bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen oder bei Hybridantrieben eine oder beide Achsen des Kraftfahrzeugs über eine Elektromaschine anzutreiben, die dann über ein Übersetzungsgetriebe auf ein nachgeschaltetes Differenzial abtreibt. Zur Abdeckung des Geschwindigkeitsbereichs des Kraftfahrzeugs bei beherrschbaren Drehzahlen an der Elektromaschine kann es dazu vorteilhaft sein, wenn das Übersetzungsgetriebe in zwei Übersetzungsstufen umschaltbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die auf Elektromaschinen besonders abgestimmt günstige Drehmomentverteilungen und Zahneingriffsverhältnisse bei einer baulich besonders gedrängten Konstruktion ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe ist den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 entnehmbar. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Übersetzungsgetriebe durch zwei miteinander gekoppelte Umlaufgetriebe gebildet ist, die über Schaltelemente in zwei Übersetzungsstufen umschaltbar sind. Das als 4- Welien Koppelgetriebe ausgebildete Übersetzungsgetriebe kann getriebetechnisch vorteilhaft ineinander verschachtelt ausgeführt werden und ermöglicht zudem aufgrund der vielen, möglichen Zahneingriffe hohe Leistungsübertragungen bei einer baulich gedrängten Konstruktion.

Dabei können besonders bevorzugt die Schaltelemente durch zwei Bremsen dargestellt sein, die jeweils zumindest ein Getriebeelement der Umlaufgetriebe festsetzen. Die im Getriebegehäuse positionierten Bremsen sind konstruktiv einfacher bedienbar (elektrisch oder hydraulisch) als Kupplungen und bewirken ferner eine teilweise Abstützung der Antriebsmomente direkt in das Getriebegehäuse bei gleichzeitiger Entlastung der betreffenden Getriebeelemente und/oder Schaltelemente.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können die Umlaufgetriebe in ihrer Stand Übersetzung als Minusgetriebe ausgeführt sein. Minusgetriebe haben u.a. den Vorteil, dass sie konstruktiv einfacher ausgeführt sein können und in radialer Erstreckung weniger Bauraum benötigen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das angetriebene Element der Umlaufgetriebe das Sonnenrad des ersten Umlaufgetriebes und das abtreibende Element der Steg des ersten Umlaufgetriebes sein, wobei ferner der Steg des ersten Umlaufgetriebes mit dem Hohlrad des zweiten Umlaufgetriebes gekoppelt ist und das Hohlrad des ersten Umlaufgetriebes mit dem Steg des zweiten Umlaufgetriebes verbunden ist und wobei das eine Schaltelement mit dem Steg und das andere Schaltelement mit dem Sonnenrad des zweiten Umlaufgetriebes trieblich verbunden ist. Bei dieser Koppelung der beiden Umlaufgetriebe verläuft das Antriebsmoment von der Elektromaschine in der ersten Übersetzungsstufe nur über das erste Umlaufgetriebe, während das zweite Umlaufgetriebe lastlos ist. In der zweiten Übersetzungsstufe hingegen führen alle Getriebeelemente bzw. Wellen der Umlaufgetriebe Leistung und sind dementsprechend belastet. Durch eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses des zweiten Umlaufgetriebes können der Stufensprung zwischen den Übersetzungsstufen und die Übersetzung in der zweiten Übersetzungsstufe ohne größere Veränderung der Getriebekonstruktion an z.B. unterschiedliche Antriebsleistungen der Elektromaschine bzw. an unterschiedliche Fahrzeugtypen angepasst werden.

Baulich und konstruktiv besonders vorteilhaft kann dabei eine Stegwange des Stegs des ersten Umlaufgetriebes mit dem Hohlrad des zweiten Umlaufgetriebes eine Baueinheit bilden. Diese Baueinheit kann relativ massiv ausgeführt sein, wodurch die bei der Fertigung von Hohlrädern oftmals auftretenden Verzüge vermieden werden können und hohe Rundlaufund Verzahnungsqualitäten herstellbar sind, die bei den auftretenden hohen Drehzahlen bei E-Antrieben und daraus resultierenden hohen Zahneingriffsfrequenzen eine verbesserte Laufruhe sicherstellen.

Des Weiteren können die einander zugewandten Stegwangen des ersten und des zweiten Umlaufgetriebes radial übereinander (verschachtelt) und im Wesentlichen in der gleichen Rotationsebene angeordnet sein. Daraus resultiert eine wesentliche, axiale Verkürzung der Antriebsvorrichtung, die zudem eine biegesteife Lagerung der Getriebeelemente im Getriebegehäuse begünstigt.

Dazu ist es ferner besonders vorteilhaft, wenn die beiden Schaltelemente bzw. Bremsen radial übereinander liegend angeordnet sind und deshalb Standardbauteile sein können, wie sie z.B. aus Doppelkupplungsgetrieben (hier als Kupplungen) bekannt sind.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Hohlrad des zweiten Umlaufgetriebes eine Außenverzahnung aufweisen, die in Verbindung mit einer im Gehäuse schwenkbar gelagerten Sperrklinke als Parksperre wirkt. Durch die angeführte Koppelung der beiden Umlaufgetriebe bildet das besagte Hohlrad eine getriebetechnisch feste Verbindung zur Ausgangswelle zum Differenzial, so dass wie bei Parksperren üblich bei gesperrtem Hohlrad über die Getriebeelemente die Antriebsräder des Kraftfahrzeugs unabhängig vom Zustand der Schaltelemente blockiert sind.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann im Kraftfluss zwischen den Umlaufgetrieben und dem Differenzial ein Übersetzungstrieb ins Langsame eingeschaltet sein, der das Drehzahlniveau in den Umlaufgetrieben anhebt, wodurch deren Getriebeelemente und Schaltelemente trotz hoher Abtriebsmomente an den Rädern des Kraftfahrzeuges konstruktiv leichter ausgeführt sein können.

Der Übersetzungstrieb kann besonders bevorzugt durch ein mit dem abtreibenden Steg des ersten Umlaufgetriebes verbundenes Sonnenrad, durch einen Planetenräder tragenden, auf das Differenzial abtreibenden Steg und durch ein gehäusefestes Hohlrad gebildet sein. Durch die Abstützung des Hohlrads im Gehäuse reduzieren sich die Belastungen an den Schaltelementen bzw. Bremsen in noch vermehrterem Maße.

In einer konstruktiv besonders günstigen Lagerung der Umlaufgetriebe im Gehäuse der Antriebsvorrichtung können der Steg des ersten Umlaufgetriebes und das Hohlrad des zweiten Umlaufgetriebes über einen gemeinsamen Ringflansch und ein Wälzlager auf einer mit der Elektromaschine verbundenen, das Sonnenrad tragenden Antriebswelle mit einem radial nach außen geführten Lagerring oder direkt im Getriebegehäuse gelagert sein. Des Weiteren kann der Steg des zweiten Umlaufgetriebes mit dem Hohlrad des ersten Umlaufgetriebes über ein weiteres Wälzlager in dem Ringflansch abgestützt sein. Schließlich kann der Steg des zweiten Umlaufgetriebes zusätzlich über ein drittes Wälzlager auf einer das Sonnenrad des zweiten Umlaufgetriebes mit dem einen Schaltelement bzw. der einen Bremse verbindenden Hohlwelle drehbar gelagert sein. Durch diese Merkmale wird eine in sich biegesteife und drehzahlfeste Lagerung der Getriebeelemente bei geringem Lagerungsaufwand erzielt. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden mit weiteren, vorteilhaften Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine Wolfsymbolik einer elektrisch angetriebenen Antriebsvorrichtung für eine Achse eines Kraftfahrzeugs, mit zwei Umlaufgetrieben, einem Übersetzungstrieb und einem Differenzial, dessen Abtriebswellen auf die angetriebenen Räder des Kraftfahrzeugs abtreiben;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Antriebsvorrichtung nach Fig. 1 mit koaxialer Anordnung der Umlaufgetriebe, des Übersetzungstriebs, der als Bremsen ausgeführten Schaltelemente und eines Kegelraddifferenzials;

Fig. 3 eine zur Fig. 2 alternative Ausführung der Antriebsvorrichtung mit einer axial kürzer bauenden Anordnung der Getriebeelemente der beiden Umlaufgetriebe und einer Parksperre; und

Fig. 4 die Antriebsvorrichtung nach Fig. 3 mit skizzenhafter Darstellung deren Lagerung im Getriebegehäuse der Antriebsvorrichtung.

Die Fig. 1 zeigt in Wolfsymbolik die Antriebsvorrichtung 10 für den elektrischen Antrieb einer Achse (Vorderachse oder Hinterachse) eines Kraftfahrzeugs in ihrem grundsätzlichem Aufbau, die sich aus zwei Umlaufgetrieben (Planetengetrieben) U-i , U2, einem nachgeschalteten Übersetzungstrieb U _A und einem auf die Räder 12 des Kraftfahrzeugs abtreibenden Differenzial U _D zusammensetzt.

Die Umlaufgetriebe U1 und U2 sind wie nachstehend noch ausgeführt zu einem 4-Wellen-Koppelgetriebe zusammengeschaltet, indem zwei Wellen von U1 und U ₂ miteinander verbunden sind und zwei Schaltelemente bzw. Bremsen Bi und B ₂ jeweils eine Welle 30, 32 der vier Wellen zur Bildung zweier Übersetzungsstufen mit dem Gehäuse koppeln (festsetzen).

Der Antrieb der Elektromaschine 14 (nur angedeutet) erfolgt über eine Antriebswelle 16 auf das erste Umlaufgetriebe U-i , der Abtrieb auf den Übersetzungstrieb U _A mittels einer Ausgangswelle 18 und der Abtrieb auf das Differenzial U _D über eine weitere Ausgangswelle 20.

Die Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild ein erstes Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung 10 gemäß Fig. 1 mit dem ersten Umlaufgetriebe Ui bzw. 22, dem zweiten Umlaufgetriebe U ₂ bzw. 24, dem Übersetzungstrieb U _A bzw. 26 und dem Differenzial U _D bzw. 28, das hier als Kegelraddifferenzial ausgeführt ist; es kann ggf. aber auch ein Stimraddifferenzial U _D bekannter Bauart verwendet sein.

Die Koppelung der beiden Umlaufgetriebe 22, 24 ist wie folgt:

Die Antriebswelle 16 der Elektromaschine 14 trägt das Sonnenrad 22d des Umlaufgetriebes 22, dessen die Planetenräder 22b tragender Steg 22c mit dem Hohlrad 24a des Umlaufgetriebes 24 trieblich verbunden ist.

Das ebenfalls mit den Planetenrädern 22b in Eingriff befindliche Hohlrad 22a des ersten Umlaufgetriebes 22 ist mit dem Planetenräder 24b tragenden Steg 24c des zweiten Umlaufgetriebes 24 verbunden.

Koaxial benachbart zu den Umlaufgetrieben 22, 24 sind die zwei in der Bauart wie Lamellenkupplungen ausgeführte Bremsen Bi und B ₂ radial übereinander angeordnet, über die alternierend entweder der Steg 24c des zweiten Umlaufgetriebes 24 über die (Hohl-)Welle 30 oder das Sonnenrad 24d über die Hohlwelle 32 festbremsbar ist. Die Bremsen B-i , B ₂ können elektrisch über entsprechende Aktuatoren oder hydraulisch über Stellkolben betätigt sein, die entsprechend aktiviert die Wellen 30, 32 alternierend gehäusefest abbremsen und damit die zwei Übersetzungsstufen schalten.

Die Umlaufgetriebe 22, 24 bzw. der Steg 22c treiben über die Ausgangswelle 18 das Sonnenrad 26d des Übersetzungstriebs 26 an, dessen die Planetenräder 26b tragender Steg 26c über die Ausgangswelle 20 das Ausgleichsgehäuse 28a des Differenzials 28 antreibt. Das Hohlrad 26a ist gehäusefest abgestützt.

Das Ausgleichsgehäuse 28a des Differenzials treibt in bekannter Weise über die Ausgleichskegelräder und die Achskegelräder leistungsverteilt auf die die Räder 12 antreibenden Abtriebswellen 34, 36 ab, wobei sich die eine Abtriebswelle 36 durch die als Hohlwellen ausgeführte Antriebswelle 16, die Ausgangswelle 18 und durch die auf der Ausgangswelle 18 gelagerte, koaxiale Hohlwelle 32 erstreckt. Im Ausführungsbeispiel ist ferner die Elektromaschine 14 in Hohlwellenbauart (Rotor und Stator ringförmig) dargestellt, was aber nicht zwangsläufig erforderlich ist.

Bei über die Bremse Bi festgebremstem Steg 24c liegt die erste Übersetzungsstufe an, bei der der Kraftfluss von dem Sonnenrad 22d über die Planetenräder 22b auf den Steg 22c und von diesem über die Ausgangswelle 18 auf den Übersetzungstrieb 26 und über dessen Steg 26c und die Ausgangswelle 20 auf das Differenzial 28 verläuft.

Bei festgebremstem Sonnenrad 24d des Umlaufgetriebes 24 hingegen sind alle Getriebeelemente der beiden Umlaufgetriebe 22, 24 unter Last, der Abtrieb in der ins Schnellere übersetzten, zweiten Übersetzungsstufe erfolgt wieder über die Ausgangswelle 18 auf den Übersetzungstrieb 26 und das Differenzial 28. Die Umlaufgetriebe Ui bzw. 22 und U ₂ bzw. 24 sind als Minusgetriebe mit einer Standübersetzung bevorzugt zwischen -2 und -3,5 ausgelegt, wodurch neben baulichen Vorteilen günstige Endübersetzungen zwischen der antreibenden Eiektromaschine 14 und dem abtreibenden Differenzial 28 der Achse des Kraftfahrzeugs verwirklichbar sind.

Die Fig. 3 zeigt eine zur Fig. 2 alternative Antriebsvorrichtung 10, die nur soweit beschrieben ist, als sie sich wesentlich von der Ausführung gemäß Fig. 2 unterscheidet. Funktionell gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Baulich abweichend zur Fig. 2 ist der Steg 22c des ersten Umlaufgetriebes 22 mit dem Hohlrad 24a des zweiten Umlaufgetriebes 24 über einen Ringflansch 38 und eine radial außenliegende Flanschverbindung 38a zu einem konstruktiv einheitlichen Bauteil ausgeführt, das dem gemäß relativ massiv ausgeführt sein kann und gute Rundlaufqualitäten ermöglicht.

Ferner ist die linksseitige Stegwange 24ca des Stegs 24c des zweiten Umlaufgetriebes 24 einstückig mit dem Hohlrad 22a des ersten Umlaufgetriebes 22 ausgeführt, wobei die Stegwange 24ca radial außerhalb der Stegwange 22ca des Stegs 22c und in einer einheitlichen Rotationsebene mit dieser liegt.

Das Hohlrad 24a des Umlaufgetriebes 24 ist zudem mit einer Außenverzahnung 40 versehen, die in nicht dargestellter Weise im Zusammenwirken mit einer im Getriebegehäuse schwenkbar angeordneten Sperrklinke (nicht dargestellt) eine Parksperre bildet, die im aktivierten Zustand die abtriebsseitigen Getriebeelemente einschließlich der Ausgangswelle 20 gehäusefest blockiert.

In der Fig. 4 sind die die Getriebeelemente und Wellen der Antriebsvorrichtung 10 in dem Achsgetriebegehäuse 42 (nur angedeutet) drehbar aufnehmenden Wälzlager schematisch dargestellt. Die Wälzlager können je nach konstruktiven Gegebenheiten Nadellager, Kugellager, Rollenlager, etc. sein.

Dabei ist der Ringflansch 38 über ein erstes Kugellager 44 gegenüber einem radial nach außen geführten Lagerring 16a auf der Antriebswelle 16 oder aber alternativ an einem Gehäusedeckel (gestrichelt angedeutet) des nicht weiter dargestellten Getriebegehäuses 42 gelagert.

Ein zweites Kugellager 46 ist zwischen dem Ringflansch 38 und dem Außenumfang des Hohlrads 22a angeordnet, das wie in Fig. 3 erläutert einstückig mit dem Steg 24c des zweiten Umlaufgetriebes 24 ausgeführt ist.

Über ein drittes Kugellager 48 ist der Steg 24c bzw. dessen rechtsseitige Stegwange 24cb ferner auf der Hohlwelle 32 axial zwischen dem Sonnenrad 24d des zweiten Umlaufgetriebes 24 und der Bremse B ₂ gelagert.

Weitere, allgemein mit 50 bezeichnete Wälzlager sind zwischen dem Getriebegehäuse 42 und Getriebeelementen bzw. zwischen teleskopisch ineinander angeordneten Wellen der Antriebsvorrichtung vorgesehen (siehe Zeichnung Fig. 4).

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Patentansprüche dem Fachmann geläufige Abwandlungen möglich.

Ggf. könnte die Antriebsvorrichtung 10 auch ohne Übersetzungstrieb U _A bzw. 26 ausgeführt sein. Das Differenzial 28 könnte auch als Stirnraddifferenzial (Planetengetriebe U _D ) ausgelegt sein. Ferner könnte die Elektromaschine 14 z.B. auch über einen Stirnzahnradtrieb auf die Antriebswelle 16 geschaltet sein.