Antriebsstrang für Kraftfahrzeuge Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer angetriebenen Achse, welche ein Differenzial und wenigstens zwei über das Differenzial miteinander in Wirkverbindung stehende Fahrzeugräder aufweist, der Antriebsstrang weiterhin mit einer ersten Antriebseinheit und mit einer zweiten Antriebseinheit, wobei die zweite Antriebseinheit einen Elektromotor aufweist, dessen Antriebswelle zumindest achsparallel zu einer Ritzelwelle ausgerichtet ist.

Hintergrund der Erfindung

DE 10 2004 024 086 A1 zeigt eine derartige Antriebsvorrichtung für Kraftfahr- zeuge mit einer Hauptantriebseinheit und mit zwei elektrischen Antriebseinheiten. Eine erste elektrische Antriebseinheit weist einen Elektromotor als Antrieb auf, der direkt an einer Antriebswelle angreift, weil dessen Rotorwelle die Antriebswelle ist. Die zweite elektrische Antriebseinheit ist eine Torque - Vecto- ring - Einheit und weist einen Elektromotor als Antrieb sowie ein Überlage- rungsgetriebe auf, welches mit einem Hinterachsdifferenzial wirkverbunden ist.

Antrieb der Hauptantriebseinheit ist beispielsweise ein Verbrennungsmotor, der mit einem Wechselgetriebe die Antriebseinheit bildet und der über das Wechselgetriebe mit der Antriebswelle und über diese mit dem Hinterachsdifferenzial wirkverbunden ist. Alternativ kann die Antriebswelle mit einem Verteilergetriebe verbunden sein, das auch Bestandteil der Hauptantriebseinheit ist und welches in einem Antriebsstrang Drehmomente zwischen zwei angetriebenen Fahrzeugachsen verteilt. Die Antriebswelle ist eine Ritzelwelle eines Winkeltriebs, über den die Hauptantriebseinheit und die erste elektrische Antriebseinheit mit dem Eingang des Hinterachsdifferenzials verbunden sind. Das Tellerrad des Winkeltriebs ist Ein- gangswelle des Querdifferenzials, über das die Drehmomente auf zwei Ausgänge verteilt werden. Jeder der Ausgänge (Abtriebswellen) des als Planetengetriebe ausgebildeten Differenzials steht in einer Wirkverbindung mit einem angetriebenen Fahrzeugrad der Hinterachse. Jedes Fahrzeugrad steht mit dem anderen Antriebsrad an der Hinterachse in einer Wirkverbindung, welche durch die Torque - Vectoring - Einheit beeinflussbar ist.

Auf die Antriebswelle kann über den Elektromotor der ersten elektrischen Antriebseinheit zusätzlich zur Hauptantriebseinheit Leistung aufgebracht und über den Winkeltrieb in das Differenzial eingebracht werden. In anderen Fällen, in denen die Antriebsleistung des Elektromotors nicht benötigt wird, kann dieser zur Rückgewinnung von Energie genutzt werden, wenn die Antriebswelle durch den Antrieb oder durch Schubbetrieb mitgeschleppt, der Rotor dadurch angetrieben und der Elektromotor als Generator geschaltet ist. DE 10 2008 029 287B4 zeigt einen Antriebsstrang mit zwei antreibbaren Achsen für Kraftfahrzeuge. Das Fahrzeug weist eine erste Antriebseinheit auf, mit der eine erste Achse permanent angetrieben wird. Die erste Antriebseinheit sieht als Antrieb dabei vorzugsweise einen Verbrennungsmotor und ein mit diesem wirkverbundenes erstes Querdifferenzial vor, das auf zwei angetriebe- ne Fahrzeugräder der ersten Achse wirkt.

Eine elektrische zweite Antriebseinheit ist im Bereich einer zweiten Achse angeordnet. Antrieb der zweiten Antriebseinheit ist ein Elektromotor, der mit einem Planetengetriebe und mit einem Schaltkupplungspaket die zweite An- triebseinheit bildet. Die Rotationsachse der Antriebswelle, welche die Rotorwelle des Elektromotors ist, ist parallel, vorzugsweise koaxial, zu einer als Eingangswelle bezeichneten Ritzelwelle eines Winkeltriebs angeordnet. Die zweite Achse weist zwei angetriebene Fahrzeugräder auf, die mit einem zweiten Querdifferenzial wirkverbunden sind. Der Ausgang der elektrische Antriebseinheit liegt an einer von dem zweiten Querdifferenzial abgewandten Seite. Die erste Achse wird ausschließlich über die erste Antriebseinheit angetrieben und die zweite Achse ausschließlich über die zweite Antriebseinheit.

Die Antriebswelle der elektrischen Antriebseinheit ist durch eine Hohlwelle gebildet, die Rotorwelle des Elektromotors ist. Die Ritzelwelle ist in der Hohlwelle konzentrisch angeordnet. Die Hohlwelle ist mit dem Kupplungspaket verbunden und steht weiterhin in Wirkverbindung mit dem Planetengetriebe, das durch das Kupplungspaket angesteuert ist. Die an dem Planetenträger gelagerten Planetenräder des Planetengetriebes stehen im Zahneingriff mit einer Sonne, die drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist. Über Kupplungen des Kupplungspaketes lassen sich wahlweise drehfeste Verbindungen zwischen einem Planetenträger des Planetengetriebes über das Kupplungspaket hin zur An- triebswelle oder direkt zu der Antriebswelle des Elektromotors hin herstellen, so dass eine schaltbare zweigängige getriebliche Verbindung zwischen dem Elektromotor und der Ritzelwelle ausgebildet ist.

Die Ritzelwelle steht im Zahneingriff mit einem Tellerrad, das mit dem Eingang des Querdifferenzials verbunden ist. Der Eingang, also die Eingangswelle, des Differenzials ist der Differenzialkorb des klassisches Kegelraddifferenzials, von dem aus über Ausgleichsräder Drehmomente auf zwei Ausgänge (Abtriebswellen) verteilt werden. Jeder Ausgang steht in Wirkverbindung mit einem angetriebenen Fahrzeugrad der zweiten Achse, so dass auch die Fahrzeugräder durch die natürlich ausgleichende Wirkung des Kegelraddifferenzials über die Abtriebswellen miteinander in Wirkverbindung stehen.

Beschreibung der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antriebsstrang, der vorzugsweise zwei angetriebenen Achsen aufweist, mit zwei Antriebseinheiten so variabel und zugleich energiesparend wie möglich zu schaffen. Die Aufgabe ist nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung sieht einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer angetriebenen Achse vor, welche ein Differenzial und wenigstens zwei über das Differenzial miteinander in Wirkverbindung stehende Fahrzeugräder aufweist. Die Achse ist entweder eine Vorderachse oder eine Hinterachse des Fahrzeugs. Der Antriebsstrang weist mindestens eine erste Antriebseinheit und eine zweite Antriebseinheit auf. Die zweite Antriebseinheit weist als Antrieb einen Elektromotor auf, dessen Antriebswelle zumindest achsparallel zu einer Ritzelwelle ausgerichtet ist und an der Ritzelwelle angreift. Der Begriff achsparallel schließt koaxiale oder konzentrische Anordnungen mit ein.

Die Erfindung umfasst Anordnungen, in denen die Antriebswelle, also die Rotorwelle des Elektromotors der zweiten Antriebseinheit, parallel mit Abstand zu der Ritzelwelle angeordnet und mit dieser getrieblich verbunden ist. Getriebli- che Verbindungen sind zum Beispiel Riemen- oder Kettentriebe bzw. Zahnradgetriebe mit Zahnradstufen oder mit Planetentrieben. Alternativ liegen sich die Antriebswelle und die Ritzelwelle koaxial gegenüber, indem diese mit gemeinsamer Rotationsachse einteilig ineinander übergehen bzw. fest oder trennbar miteinander verbunden sind. Die Erfindung umfasst auch Anordnungen, in denen eine der Wellen, entweder die Rotorwelle des Elektromotors oder die Ritzelwelle, als Hohlwelle ausgebildet ist und die andere dieser Wellen konzentrisch in der Hohlwelle angeordnet ist. Schließlich umfasst die Erfindung auch Anordnungen, in denen der Rotor des Elektromotors der zweiten Antriebsein- heit unmittelbar konzentrisch auf der Ritzelwelle angeordnet, die Ritzelwelle also gleichzeitig Rotorwelle ist.

Die Ritzelwelle ist Bestandteil eines Winkeltriebs, der aus einem Ritzel an der Ritzelwelle und aus einem Tellerrad gebildet ist. Das Tellerrad greift an einer Eingangswelle des Differenzials an. Die Eingangswelle des Differenzials ist die Summenwelle, an der die größten Drehmomente anliegen und über welche die von den Antriebseinheiten aufgebrachte Leistung auf die Ausgleichanordnung in das Differenzial eingebracht wird. Das Ritzel steht im Zahneingriff mit dem Tellerrad, so dass von der zweiten Antriebseinheit auf die Ritzelwelle aufgebrachte Leistung über den Winkeltrieb auf die Eingangswelle des Differenzials aufgebracht wird. Eingangswellen sind bei Planetendifferenzialen vorzugsweise Planetenträger, bei Differenzialen mit Torque - Vectoring - Einheiten auch Hohlräder.

Erfindungsgemäß ist die Ritzelwelle auch mit der ersten Antriebseinheit wirkverbunden. Die Wirkverbindung ist beispielsweise über eine Antriebsgelenkwelle oder über eine andere Welle hergestellt. Die Erfindung umfasst Anord- nungen, in denen die Welle, also die Verbindung mit der ersten Antriebseinheit, parallel mit Abstand zu der Ritzelwelle angeordnet und mit dieser wie schon oben am Beispiel der Verbindung von Ritzelwelle und Rotorwelle beschrieben getrieblich verbunden ist. Alternativ liegen sich die Welle und die Ritzelwelle koaxial gegenüber, indem diese mit gemeinsamer Rotationsachse einteilig ineinander übergehen bzw. fest oder trennbar miteinander verbunden sind. Die Erfindung umfasst auch Anordnungen, in denen eine der Wellen als Hohlwelle ausgebildet ist und die andere dieser Wellen konzentrisch in der Hohlwelle angeordnet ist. Die Erfindung sieht weiter vor, dass in der Wirkverbindung zwischen einer Abtriebswelle des Differenzials und einem der Fahrzeugräder eine ein- und ausrückbare Kupplung angeordnet ist. Bei ausgerückter Kupplung ist die drehfeste Wirkverbindung zwischen der Abtriebswelle und dem Fahrzeugrad unterbrochen. Damit ist auch die ausgleichende Wirkverbindung zwischen den Fahr- zeugrädern aufgehoben, weil durch die Differenzialwirkung auch die andere der Abtriebswellen keine Drehmomente mehr übertragen kann. Die Fahrzeugräder der Achse sind somit vom Leistungsfluss der Antriebsstrangs getrennt.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass zwar bei ausgerückter Kupplung die angetriebene Hinterachse vom Leistungsfluss getrennt ist, jedoch die Antriebsleistung der zweiten Antriebseinheit genutzt werden kann um beispielsweise die Antriebsleistung der ersten Antriebseinheit zu überlagern, weil die Ritzelwelle sowohl mit dem Antrieb der ersten Antriebseinheit als auch mit dem An- trieb der zweiten Antriebseinheit wirkverbunden ist. Damit ist es beispielsweise möglich, die Antriebsleistung der zweiten Antriebseinheit zusätzlich zur Antriebsleistung der ersten Antriebseinheit einer zweiten Achse mit angetriebenen Rädern zuzuführen. Alternativ ist es in diesem Schaltzustand der Kupplung möglich, den Antrieb der ersten Antriebseinheit abzuschalten und nur mit dem Antrieb der zweiten Antriebseinheit Leistung in den Antriebsstrang einzubringen, um beispielsweise die zweite Achse anzutreiben.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist mit der Anordnung der Kupplung zwischen dem Fahrzeugrad und dem Differenzial begründet, der darin besteht, dass an dieser Stelle eine drehfeste Verbindung getrennt wird, an der nur Momente eines der Antriebsräder und nicht die vergleichsweise hohen Antriebsmomente am Eingang des Differenzials oder an der Ritzelwelle anliegen und somit die Kupplung entsprechend Bauraum sparend dimensioniert werden kann.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an der angetriebenen Achse beidseitig des Differenzials die jeweilige Wirkverbindung zwischen der Abtriebswelle und dem Fahrzeugrad durch jeweils eine Kupplung trennbar ist. Durch gleichzeitiges Ausrücken beider Kupplungen an der Achse sind durch vollständige Trennung beider angetriebenen Fahrzeugräder im Antriebsstrang hinter dem Differenzial symmetrische Verhältnisse geschaffen. Die Kupplungen) sind entweder in Gehäuse des Differenzials integriert oder sind in die jeweilige Verbindung des Differenzials und den Fahrzeugrädern über Gelenkwellen integriert. Alternativ sitzt die jeweilige Kupplung zwischen Rad und einer Antriebswelle.

Durch Einrücken der Kupplung(en) wird die Wirkverbindung zwischen den beiden Rädern und damit die Wirkung des Differenzials an der angetriebenen ersten Achse wieder hergestellt und die Antriebsleistung des zweiten Antriebs kann wieder der ersten Achse zugeführt werden.

Es ist denkbar, dass zwischen der ersten Antriebseinheit und der Ritzelwelle eine Trennkupplung angeordnet ist, mit der die Wirkverbindung zwischen ers- ter Antnebseinheit und der Ritzelwelle und somit zwischen der ersten Antriebseinheit und der ersten Achse wahlweise getrennt oder wieder hergestellt werden kann. Wenn diese Wirkverbindung getrennt ist, kann die erste Achse nur mittels der zweiten Antriebseinheit oder gar nicht angetrieben werden. In zu- letzt genanntem Fall kann der Antrieb der zweite Antriebseinheit ganz abgeschaltet oder im Schubbetrieb als Generator geschaltet sein.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wirkverbindung zwischen dem Antrieb der zweiten Antriebseinheit und der Ritzelwelle mit einer Trennkupplung wiederholt getrennt und wieder hergestellt werden kann. Für den Fall, dass die Antriebsleistung des zweiten Antriebs in dem Antriebsstrang nicht benötigt wird kann dieser vollständig vom Antriebsstrang getrennt werden. In diesem Fall wird die Antriebswelle des zweiten Antriebs, beispielsweise die Rotorwelle eines Elektromotors, energiesparend nicht mitgeschleppt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Antriebseinheit wenigstens ein Getriebe in der Wirkverbindung zwischen der Antriebswelle des Elektromotors und der Ritzelwelle aufweist, so dass z.B. hohe Drehzahlen der Rotorwelle untersetzt und höhere Drehmomente auf die Ritzelwelle aufgebracht werden können. Die zweite Antriebseinheit weist außerdem vorzugsweise eine Schaltkupplung auf, mit der Gänge des bevorzugt mindestens zweigängigen Getriebes schaltbar sind.

Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 zeigt schematisch und nicht maßstäbliche einen Antriebsstrang 1 für ein ansonsten nicht weiter dargestelltes Kraftfahrzeug zwei angetriebenen Achsen 2 und 3. Die Achse 2 weist ein klassisches als Kegelraddifferenzial ausgeführtes Differenzial 4 und zwei über das Differenzial miteinander in Wirk- Verbindung stehende Fahrzeugräder 5 und 6 auf. Der Antriebsstrang 1 ist weiterhin mit einer ersten Antriebseinheit 7 und mit einer zweiten Antriebseinheit 8 versehen. Die zweite Antriebseinheit 8 weist einen Elektromotor 9 auf, dessen Antriebswelle 9a als Hohlwelle ausgeführt ist und in der konzentrisch und damit achsparallel zu einer Ritzelwelle 10 angeordnet ist. Zwischen Antriebswelle 9a und Ritzelwelle 10 ist mittels einer ein- und ausrückbaren Kupplung 1 1 und eines zweigängigen schaltbaren Getriebes 12 eine Wirkverbindung ausgebildet, über die die Antriebswelle 9a an der Ritzelwelle 10 angreift. Die Antriebswelle 9a kann dazu mittels der Kupplung 1 1 wahlweise mit dem Hohlrad 12a oder dem Sonnenrad 12b verbunden werden, welche jeweils mit Planetenrädern 12c im Zahneingriff stehen. Ausgang der Antriebseinheit 8 ist der Planetenträger 12d, der drehfest mit der Ritzelwelle verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Ritzelwelle 10 und der Antriebswelle 9a kann mittels der Kupplung 1 1 auch vollständig getrennt werden.

Die Ritzelwelle 10 weist einen Ritzelkopf 10a auf, welcher im Zahneingriff mit einem Tellerrad 13 eines Winkeltriebs steht. Das Tellerrad 13 ist mit der Eingangswelle des Differenzials 4 in Form eines Differenzialkorbs 4a verbunden, in dem Ausgleichsräder 4b drehbar gelagert sind, die mit Abtriebsrädern 4c des Differenzials im Zahneingriff stehen. Die Abtriebsräder 4c sitzen an Abtriebswellen 14. Zwischen jeder der Abtriebswellen 14 und einem der Fahrzeugräder 5 und 6 ist jeweils eine ein- und ausrückbare Kupplung 15 angeordnet.

Die Achse 3 ist ebenfalls eine angetriebene Achse mit Fahrzeugrädern 3a und 3b, die mit einem Antrieb 16 der ersten Antriebseinheit 7 wirkverbunden ist, der zum Beispiel ein Verbrennungsmotor ist. Die Antriebseinheit 7 weist außer dem Antrieb 16 noch ein Wechselgetriebe 17 und ein Verteilergetriebe 18 auf, über die eine Wirkverbindung zu einer Verbindungswelle 19, die eine Kardanwelle sein kann, hergestellt ist. Über die Verbindungswelle 19 ist die erste Antriebseinheit 7 mit der Ritzelwelle 10 drehfest verbunden, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass die erste Antriebseinheit 7 und die Ritzelwelle 10 durch eine Kupplung voneinander trennbar sind.

Durch Ausrücken nur einer der Kupplungen 15 kann die Achse 2 von einem Leistungsfluss des Antriebsstrangs 1 getrennt werden. In dem Falle ist es wahlweise möglich die Achse 3 durch Betreiben des Elektromotors bei eingerückter Kupplung 1 1 und in zwei unterschiedlichen Gangstufen des Getriebes entweder nur mit der Antriebseinheit 8 anzutreiben, oder die von dem Antrieb 16 an die Achse 3 geführten Drehmomente mit denen der Antriebseinheit 8 zu überlagern.

Bezugszeichen

Antriebsstrang 12d Planetenträger angetriebene Achse 13 Tellerrad angetriebene Achse 14 Abtriebswellea Fahrzeugrad 15 Kupplungb Fahrzeugrad 16 Antrieb

Differenzial 17 Wechselgetriebea Differenzialkorb 18 Verteilergetriebeb Ausgleichsrad 19 Verbindungswellec Abtriebsrad

Fahrzeugrad

Fahrzeugrad

erste Antriebseinheit

zweite Antriebseinheit

Elektromotor

a Antriebswelle

0 Ritzelwelle

0a Ritzelkopf

1 Kupplung

2 Getriebe

2a Hohlrad

2b Sonnenrad

2c Planetenrad