AT6549U1

AT6549U1 - Antriebsachse für ein kraftfahrzeug mit variabler momentenverteilung

Info

Publication number: AT6549U1
Application number: AT0058202U
Authority: AT
Inventors: Franz Gratzer
Original assignee: Magna Steyr Powertrain Ag & Co
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2003-12-29
Also published as: WO2004022373A1

Abstract

Eine Antriebsachse mit variabler Momentenverteilung für ein Kraftfahrzeug enthält eine Mittenwelle (34) und je eine Achsantriebswelle, wobei eine Primärantriebswelle (33) mit der Mittenwelle (34) antriebsverbunden ist und ein Sekundärantrieb (8,9) vorgesehen ist. Um fahrdynamisch erwünschte Steuereingriffe vornehmen und einen Hybridbetrieb üben zu können, ist das Überlagerungsgetriebe (10,11) ein hohlradloses Stirnradplanetengetriebe mit zwei Sonnenrädern (41,42), deren erstes Sonnenrad (41) mit der Mittenwelle (34) und deren zweites Sonnenrad (42) jeweils mit einer Achsantriebswelle (43) antriebsverbunden ist, und dessen Planetenträger (45) mit dem Sekundärantrieb (8,9) antriebsverbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsachse mit variabler Momentenverteilung für ein Kraftfahrzeug, deren Gehäuse eine Mittenwelle und je eine Achsantriebswelle enthält, wobei zwischen den Achsantriebswellen und der Zwischenwelle jeweils ein Überlagerungsgetriebe angeordnet ist, und wobei eine Primärantriebswelle mit der Mittenwelle antriebsverbunden ist und die Überlagerungsgetriebe jeweils mit einem Sekundärantrieb verbunden sind.

Die variable Momentenverteilung auf die beiden Achsantriebswellen und somit Räder der Achse kann verschiedenen Zwecken dienen und in verschiedenen Antriebssystemen Anwendung finden : In einem Hybridantrieb, im Antriebsstrang eines Allradfahrzeuges und als dynamisches Differential" einer einzigen angetriebenen Achse.

Unter Hybridantrieb ist zu verstehen, dass zwei verschiedene Antriebsquellen vorhanden sind, die je nach Fahr- bzw. Betriebszustand oder Standort das Fahrzeug einzeln oder gemeinsam antreiben oder abbremsen.

In der Regel ist eine der Antriebsquellen eine Verbrennungskraftmaschine

und die andere ist/sind ein oder mehrere über alle vier Quadranten steuer- bare elektrische Maschine. Diese wirkt im Bremsbetrieb als Generator, der
Strom an einen an Bord des Fahrzeuges befindlichen Stromspeicher (z. B. einen Akkumulator) liefert.

Bei Allradfahrzeugen ist auch eine verstellbare Drehmomentverteilung zwischen den beiden angetriebenen Achsen erwünscht, zum Beispiel zur
Anpassung an die jeweilige Achslastverteilung. Dazu sind üblicherweise in dem Verbindungsstrang zwischen den beiden Achsen besondere steuer- bare Kupplungen vorgesehen.

Im einfachsten Fall ist sie die einzige Antriebsachse eines konventionellen
Fahrzeuges. Die variable Momentenverteilung soll hier auch die Funktion eines steuerbar sperrbaren Differentiales erfüllen. Steuerbar sperrbare Achsdifferentiale können bei der Kurvenfahrt zwar die langsamere (kurveninnere) Achsantriebswelle auf die Drehzahl der schnelleren (kurvenäusseren) bringen, nicht aber die schnellere Achsantriebswelle auf eine noch höhere Drehzahl bringen. Das aber ist in gewissen Fahrsituationen erwünscht.

Diese Funktion wird als aktive Giermomentsteuerung (='active yaw control") bezeichnet. Dazu werden steuerbare Kupplungen verwendet, wobei aber die Momente an den Rädern nur abhängig von Differenzdrehzahlen steuerbar sind. Der Einsatz von Überlagerungsgetrieben ist zu einem anderen Zweck bei der Lenkung von Kettenfahrzeugen üblich.

Aus der EP 247 820 A2 ist eine gattungsgemässe Antriebsachse bekannt, die bei der (Fig. 4) das Überlagerungsgetriebe ein Doppelplanetengetriebe ist, dessen Hohlrad über eine Schneckentransmission mit einer sekundären

Antriebsquelle (einem Hydro- oder Elektromotor) verbunden ist. Damit lässt sich zwar die Funktion eines aktiven Differentiales verwirklichen, durch den Einsatz der Schneckengetriebe ergeben sich jedoch grosse Nachteile. Das Schneckengetriebe hat vor allem im Schubbetrieb - ent-
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- einentriebetyp eigenen Übersetzungverhältnisse ist er für einen Hybridantrieb gänzlich ungeeignet. Bei Betrieb nur mit der sekundären Antriebsquelle und stillstehender Mittenachse wären Zugbetrieb und Nutzbremsbetrieb nur bei sehr kleinen Geschwindigkeiten möglich.

Ausserdem nehmen Schneckengetriebe viel Bauraum in Anspruch und sind teuer in der Herstellung..

Bei Allradfahrzeugen ist noch zu beachten, dass im Falle eines fahrdynamischen Bremseingriffes in kurzer Zeit sehr grosse Drehzahlunterschiede zwischen dem abzubremsenden Rad und den anderen Rädern auftreten. Dabei dürfen aber keine Bremsmomente durch den Antriebsstrang auf die anderen Räder übertragen werden. Durch die Selbsthemmung der Schneckengetriebe werden die Trägheitsmomente der Elektromotoren um ein Vielfaches verstärkt, was eben diese unzulässigen Motorkopplungen verursacht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsachse vorzuschlagen, die die fahrdynamisch erwünschten Steuereingriffe erlaubt, und zusätzlich noch für den Hybridbetrieb uneingeschränkt tauglich ist.

Erfindungsgemäss ist das Überlagerungsgetriebe ein hohlradloses Stirnradplanetengetriebe mit zwei Sonnenräder, deren erstes Sonnenrad mit der Mittenwelle und deren zweites Sonnenrad jeweils mit einer Achsantriebswelle antriebsverbunden ist, und dessen Planetenträger mit dem Sekundärantrieb antriebsverbunden ist.

Damit ist die Aufgabe gelöst, wobei noch der zusätzliche Vorteil erzielt wird, dass das erfindungsgemässe hohlradlose Planetengetriebe besonders kleine innere Verluste hat. Bei schlupfloser Geradeausfahrt ohne sekundären Antrieb laufen die beiden Planetengetriebe lastlos als Block um.

Im Detail aufgezählt werden mit der Erfindung die folgenden Vorteile erzielt :
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beide angetrieben sind, * freie Wahl der Momentenverteilung unabhängig von der Übersetzung eines Zentraldifferentiales, und von Reifen- und Übersetzungsfehlern, # kein Momentenverlust durch Bremseingriff oder eine schleifende
Kupplung, * aktive Beeinflussung der Fahrdynamik (Giermomentregelung) und optimale Traktion ohne Seitenführungsverlust bei Kurvenfahrt, * durch Leistungsübertragung über mechanische Elemente günstige
Wirkungsgrade, * geringer Bedarf an Bauraum für elektrische Maschinen, Leistungselek- tronik und Energiespeicher, * spezielle Ausbildung als Hybridantrieb, auch für Allradantrieb,

mit er- höhter Generatorleistung (Startergenerator) und Zwischenspeicherung.

Vorzugsweise tragt der Planetenträger drehfest miteinander verbundene erste und zweite Planetenräder, wobei das Verhältnis der Übersetzung zwischen erstem Sonnenrad und erstem Planetenrad sich von dem Verhältnis der Übersetzung zwischen zweitem Sonnenrad und zweitem Planetenrad unterscheidet. (Anspruch 2). Dabei können diese sich unterscheidenden Übersetzungen durch verschiedene Zähnezahlen, verschiedene Durchmesser oder andere Massnahmen erreicht werden. Der Unterschied zwischen diesen beiden Übersetzungen bestimmt die Übersetzung, mit der das Moment des Sekundärantriebes eingetragen wird, und damit auch dessen Dimensionierung. Jedenfalls sind durch diese Konstellation des Planetengetriebes in besonders einfacher und platzsparender Weise die für das Zusammenwirken von Primärantrieb und Sekundärantrieb erforderlichen Übersetzungsverhältnisse realisierbar.

Als Sekundärantrieb ist eine mit dem Planetenträger direkt antriebsverbundene elektrische Maschine (Anspruch 3), die sowohl als Motor als auch als Generator laufen kann, am besten geeignet. Bei geeigneter Auslegung der Achsübersetzung laufen die beiden elektrischen Maschinen mit Achsdrehzahl. Es können aber auch bewusst andere Übersetzungverhältnisse gewählt werden, wenn zum Beispiel eine elektrische Maschine bei einer höheren Drehzahl den besseren Wirkungsgrad hat oder weniger Bauraum braucht, oder billiger ist. Dann läuft der Motor mit einem Vielfachen oder einem Bruchteil der Achsdrehzahl um.

Besonders günstig sind die Einbauverhältnisse, wenn in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Elektromotor/Generator mit der jeweiligen Achsantriebswelle koachsial und sein Rotor als Hohlwelle ausgebildet ist, die die Achsantriebswelle aufnimmt (Anspruch 4). Dann ergibt sich auch ein besonders günstig geformtes Achsgehäuse, in dem alle Teile

der Antriebsachse in einem gemeinsamen quer zur Achse geteilten Gehäu- se untergebracht sind (Anspruch 5).

1m Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar :
Fig. 1 : schematisch den Antrieb eines ersten Kraftfahrzeuges mit der erfindungsgemässen Antriebsachse,
Fig. 2 : schematisch den Antrieb eines ersten Kraftfahrzeuges mit der erfindungsgemässen Antriebsachse,
Fig. 3 : einen Schnitt durch die erfindungsgemässe Antriebsachse entsprechend Detail III in Fig. 2.

In Fig. 1 ist die Primärantriebsmaschine eine Verbrennungskraftmaschine 1, die im Fahrzeug sowohl quer als auch längs angeordnet sein kann. Sie ist direkt mit einem Generator verbunden, welcher im Falle eines Hybridantriebes mit Vorteil ein Starter-Generator moderner Bauweise ist. Die Verbrennungskraftmaschine 1 treibt über eine Kupplung beziehungsweise einen Drehmomentwandler ein Schaltgetriebe beziehungsweise Automatgetriebe, von dem aus eine Kardanwelle 5 zur erfindungsgemässen Antriebsachse 6 führt.

Die Antriebsachse 6 besteht aus einem Winkelgetriebe 7 (Triebling 7'und Tellerrad 7"), dem von elektrischen Maschinen 8, 9 gebildeten Sekundärantrieb und den Überlagerungsgetrieben 10, 11. Die elektrischen Maschinen 8, 9 sind in allen vier Quadranten steuerbare Motoren/Generatoren und ebenso symmetrisch angeordnet wie die beiden Überlagerungsgetriebe 10, 11. An diese schliessen die Radantriebswellen 12, 13 an. Der Generator 2 liefert Strom über die Steuerelektronik 14 entweder an den Energiespeicher 15 oder an die elektrischen Maschinen 8, 9.

Die Steuerelektronik 14 empfängt als Eingangssignale diverse fahrdynamische und Zustands-

grössen sowie Befehle vom Lenker des Fahrzeuges, was im Einzelnen nicht dargestellt ist, und bildet aus diesen Stellgrössen für den Generator 2, die Zufuhr zum Speicher 15 und, was hier interessiert, Stellgrössen für die
Stromzufuhr 16, 17 zu den elektrischen Maschinen 8, 9.

In Fig. 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Sie unterscheidet sich von der vorherigen nur dadurch, dass es sich hier um den Antriebsstrang eines Allradfahrzeuges handelt. Dem gemäss ist hier ein Verzweigungsgetriebe 20 (ein Differentialgetriebe ist dank der Erfindung nicht nötig) vorgesehen, von dem aus eine weitere Antriebswelle 21 zu einem Vorderachsdifferential 22 führt. Dieses kann ein konventionelles Differential-sperrbar oder nicht -, oder durch eine erfindunggemässe Antriebsachse ersetzt sein.

Bei beiden kann es sich um einen Hybridantrieb handeln, muss aber nicht.

In Fig. 3 ist zunächst das ganze Gehäuse summarisch mit 30 bezeichnet.

Es umschliesst das Winkelgetriebe 7, die elektrischen Maschinen 8, 9 und die Überlagerungsgetriebe 10, 11 und ist, vom Winkelgetriebe einnmal abgesehen, insgesamt symmetrisch, sodass im Folgenden nur mehr eine Seite beschrieben ist. Das Gehäuse 30 besteht aus einem Trieblingsgehäuse 31, in dem die Primärantriebswelle 33 mit ihrem Triebling 7' gelagert ist, einem Zentralgehäuse 32, in dem eine Mittenwelle 34 in Kegelrollenlagern 36 gelagert ist, einem Getriebegehäuse 37 und einem Motorgehäuse 38, das dessen Stator bildet.

Die Achse der Antriebsachse ist mit 40 bezeichnet, die einzelnen Gehäuseteile 32, 37 und 38 sind in Normalebenen zur Achse 40 geteilt und in der üblichen Weise miteinander verbunden.

Die Überlagerungsgetriebe 10, 11 sind hohlradlose Planetengetriebe, deren erstes Sonnenrad drehfest mit der Mittenwelle 34 verbunden ist, deren zweites Sonnenrad drehfest auf einer Achsantriebswelle 43 sitzt, welche ausserhalb des Gehäuses mit einem Anschlussflansch 44 für eine der
Radantriebswellen 12, 13 endet. In einem Planetenträger 45 sind erste und zweite Planetenräder 46, 47 drehbar gelagert. Je ein Planetenrad 46 und 47 sind drehfest miteinander verbunden beziehungsweise einstückig und haben im gezeigten Ausführungsbeispiel verschiedene Durchmesser.

Es sind jedoch die Verhältnisse der Zähnezahlen (noch allgemeiner : der Übersetzungen) der bei den Sonnenräder 41, 42 und der beiden Planetenräder 46, 47, die das Übersetzungsverhältnis bestimmen, mit dem das Drehmoment des Sekundärantriebs 8, 9 eingebunden-überlagert wird. Sie dürfen demnach nicht gleich gross sein. Der Planetenträger 45 setzt sich in achsialer Richtung nach aussen in einer Hohlwelle 48 fort, die die Achsantriebswelle 43 enthält und die gleichzeitig der Rotor der elektrischen Maschine 9 ist. Deren Stator 49 ist im Gehäuseteil 38 angebracht.

Anhand der Fig. 3 lässt sich auch die Arbeitsweise vorstellen. Bei "passiver" Fahrt, das ist an beiden Rädern der Achse schlupflose Geradeausfahrt ohne sekundäre Momentenzu- oder Abfuhr, drehen sich die beiden Sonnenräder 41, 42 mit gleicher Drehzahl, daher auch der Planetenträger und der Rotor 48 läuft leer mit derselben Drehzahl mit.

Soll sich in einer Kurve die kurvenäussere Achsantriebswelle 43 schneller drehen als die kurveninnere 43'und dazu mit einem höheren Moment angetrieben werden, so wird die elektrische Maschine 9 so angesteuert, dass sie als Motor ein Sekundärmoment liefert und über das Planetengetriebe dem primären Moment und der primären Drehzahl überlagert. In demselben Masse wir die andere elektrische Maschine so angesteuert, dass

sie als Generator von der kurveninneren Achsantriebswelle 43'angetrie- ben wird und Strom zum Speicher 15 liefert.

Sollen bei einem Fahrzeug mit Allradantrieb nach Fig. 2 der auf die gesamte Achse übertragene Momentenanteil erhöht werden, so werden beide elektrischen Maschinen 8, 9 so angesteuert, dass sie über die Planetengetriebe 10, 11 ein Sekundärmoment zur Verfügung stellen.

Soll im Falle eines Hybridantriebes eine Nutzbremsung ausgeführt werden, so werden beide elektrischen Maschinen 8, 9 so angesteuert, dass sie als Generator arbeiten. Soll, als anderer Extremfall, der Antrieb nur über den Sekundärantrieb erfolgen, so wird die Mittenwelle 34 stillgesetzt und die elektrischen Maschinen 8, 9 treiben über die Planetengetriebe 10, 11, bei stillstehendem Sonnenrad 41 die Achsantriebswellen 43, 43'mit hoher Untersetzung. Dadurch können die elektrischen Maschinen 8, 9 klein bauen und mit relativ hoher Drehzahl ein hohes Antriebsmoment erzeugen, bei für die Fahrt in der Stadt noch ausreichender Fahrgeschwindig- keit.

Claims

Ansprüche 1. Antriebsachse mit variabler Momentenverteilung für ein Kraftfahr- zeug, die eine Mittenwelle und je eine Achsantriebswelle enthält, wobei zwischen den Achsantriebswellen und der Mittenwelle jeweils ein Über- lagerungsgetriebe angeordnet ist, und wobei eine Primärantriebswelle (33) mit der Mittenwelle antriebsverbunden ist und die Überlagerungsgetriebe jeweils mit einem Sekundärantrieb verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (10, 11) ein hohlradloses Stirnradplanetengetriebe mit zwei Sonnenräder (41, 42) ist, deren erstes Sonnenrad (41) mit der Mittenwelle (34) und deren zweites Sonnenrad (42) jeweils mit einer Achsantriebswelle (43) antriebsverbunden ist, und dessen Planetenträger (45) mit dem Sekundärantrieb (8, 9) antriebsverbunden ist.
2. Antriebsachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (45) drehfest miteinander verbundene erste und zweite Planetenräder (46, 47) tragt, wobei das Verhältnis der Übersetzung zwischen erstem Sonnenrad und erstem Planetenrad sich von dem Verhältnis der Übersetzung zwischen zweitem Sonnenrad und zweitem Planetenrad unterscheidet.
3. Antriebsachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärantrieb (8, 9) jeweils ein mit dem Planetenträger direkt antriebs- verbundener Elektromotor/Generator ist. <Desc/Clms Page number 11>
4. Antriebsachse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor/Generator (8, 9) mit der jeweiligen Achsantriebswelle (43, 43') koachsial und sein Rotor als Hohlwelle (48) ausgegebildet ist, die die Achsantriebswelle (43,43') aufnimmt.
5. Antriebsachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teile (7, 8, 9, 10, 11) der Antriebsachse in einem gemeinsamen quer zur Achse geteilten Gehäuse (30) untergebracht sind.