DE102011005615A1

DE102011005615A1 - Antriebsvorrichtung zum Antreiben einer angetriebenen Fahrzeugachse

Info

Publication number: DE102011005615A1
Application number: DE201110005615
Authority: DE
Inventors: Thomas Rosemeier; Stephan Pollmeyer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Es wird eine Antriebsvorrichtung (1) zum Antreiben einer angetriebenen Fahrzeugachse vorgeschlagen, umfassend einen Antriebsmotor, eine elektrische Maschine und ein Getriebe (4), bei der das Getriebe (4) zwei identisch aufgebaute Minus-Planetenradsätze (5, 6) aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Sonnenräder (7, 8) des ersten Planetenradsatzes (5) und des zweiten Planetenradsatzes (6) mittels einer Welle (9) drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Hohlrad (11) des ersten Planetenradsatzes (5) und das Hohlrad (12) des zweiten Planetenradsatzes (6) zusätzlich zu einer durchgehenden Innenverzahnung zur Realisierung der Hohlradfunktion eine als Kronen- oder Kegelradverzahnung ausgeführte Außenverzahnung (13, 14) aufweisen, mit der ein Kegel- bzw. Kronenrad (15) einer mit dem Abtrieb (3) der elektrischen Maschine drehfest verbundenen Königswelle (16) kämmt, wobei ein Abtrieb (2) des Antriebsmotors mittels einer Übersetzungsstufe (10) mit der Welle (9) verbunden ist, die das Sonnenrad (7) des ersten Planetenradsatzes (5) mit dem Sonnenrad (8) des zweiten Planetenradsatzes (6) miteinander verbindet und wobei der Abtrieb der Antriebsvorrichtung (1) über den Steg (17) des ersten Planetenradsatzes (5) und den Steg (18) des zweiten Planetenradsatzes (6) erfolgt, die jeweils mit einem Rad der angetriebenen Fahrzeugachse verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben einer angetriebenen Fahrzeugachse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Fahrzeugantriebsstränge bekannt, bei welchen eine als Brennkraftmaschine ausgeführte Antriebsmaschine und ein Schaltgetriebe in Fahrzeuglängsrichtung angeordnet sind und bei welchen die im Bereich der Antriebsmaschine angeordnete Fahrzeugachse angetrieben wird. Um eine radindividuelle Verteilung des Antriebsmomentes der Antriebsmaschine und eine Verschiebung von Drehmomenten zwischen den Antriebsrädern unabhängig vom Antriebsmoment d. h. um eine sogenannte Torque-Vectoring-Funktion darstellen zu können, sind zwischen den Antriebsrädern der angetriebenen Fahrzeugachse im Bereich der Differentialgetriebevorrichtung jeweils parallel zu den Leistungsflüssen eines herkömmlichen Differentials zwei über reibschlüssige Schaltelemente zuschaltbare Leistungspfade vorgesehen, die hierfür in Bezug auf eine Achsübersetzung jeweils mit einem entsprechenden Übersetzungsunterschied ausgeführt sind.
Aus der DE 10 2009 002 760 A1 der Anmelderin ist eine Differentialgetriebevorrichtung mit einer Differentialeinheit und mit wenigstens drei Ausgangswellen bekannt, wobei eine erste Ausgangswelle mit einer Antriebsmaschine eines Fahrzeugantriebsstranges verbindbar ist, während die beiden weiteren Ausgangswellen mit jeweils einem Antriebsrad einer antreibbaren Fahrzeugachse eines Fahrzeugantriebsstranges in Wirkverbindung bringbar sind. Die erste in Einbaulage im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Ausgangswelle ist über die Differentialeinheit mit den weiteren Ausgangswellen gekoppelt und zusätzlich über zumindest zwei zuschaltbare Verzahnungen mit den beiden weiteren Ausgangswellen über zu der Verbindung im Bereich der Differentialeinheit parallele Leistungspfade in Wirkverbindung bringbar. Über die zumindest zwei zuschaltbaren Verzahnungen ist jeweils eine radindividuelle Verteilung eines von einer Antriebsmaschine eines Fahrzeugantriebsstranges zur Verfügung gestellten Drehmomentes und die Verschiebung von Drehmomenten zwischen den Antriebsrädern unabhängig vom Antriebsmoment möglich.
Zur Realisierung einer Torque-Vectoring-Funktion ist auch bekannt, die Momentenverteilung mittels Elektromotoren durchzuführen. Beispielsweise ist aus der DE 10 2008 002 381 A1 der Anmelderin bekannt, auf einer angetriebenen Fahrzeugachse zwei Elektromaschinen anzuordnen, wobei der Rotor der ersten Elektromaschine mit dem einen Antriebsrad und der Rotor der zweiten Elektromaschine mit dem anderen Antriebsrad der angetriebenen Fahrzeugachse, jeweils entweder fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb verbunden ist, wodurch ein Torque Vectoring Hybrid realisiert wird.
Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, elektrisch antreibbare Fahrzeuge mit einer oder mehreren angetriebenen Achsen über einen Elektromotor und ein nachgeschaltetes Differential anzutreiben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben einer angetriebenen Fahrzeugachse anzugeben, durch die eine Torque-Vectoring-Funktion auf einfache Weise realisiert wird. Zudem soll die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kompakt aufgebaut sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben einer angetriebenen Fahrzeugachse vorgeschlagen, umfassend einen Antriebsmotor, eine elektrische Maschine und ein Getriebe, wobei das Getriebe zwei identisch aufgebaute Minus-Planetenradsätze aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Sonnenräder der Planetenradsätze mittels einer Welle drehfest miteinander verbunden sind.
Gemäß der Erfindung ist ein Abtrieb des Antriebsmotors mittels einer Übersetzungsstufe mit der die beiden Sonnenräder miteinander verbindenden Welle verbunden, wobei die Hohlräder der Planetenradsätze zusätzlich zu einer durchgehenden Innenverzahnung zur Realisierung der Hohlradfunktion eine als Kronen- oder Kegelradverzahnung ausgeführte Außenverzahnung aufweisen, mit der ein Kegel- bzw. Kronenrad einer mit dem Abtrieb der elektrischen Maschine drehfest verbundenen Königswelle kämmt. Der Abtrieb der Antriebsvorrichtung erfolgt über die Stege der Planetenradsätze, die jeweils mit einem Rad der angetriebenen Fahrzeugachse verbunden sind.
Durch die erfindungsgemäße Anbindung der Hohlräder der Planetenradsätze an die als Vectoring-Maschine dienende elektrische Maschine dienen die Hohlräder als Momentenwaage. Die Hohlräder werden durch Aufbringen eines Momentes der elektrischen Maschine in entgegengesetzte Richtungen bewegt, wodurch eine Torque-Vectoring-Funktion realisiert wird, da das Abtriebsmoment des einen Planetenradsatzes reduziert und das Abtriebsmoment des anderen Planetenradsatzes erhöht wird; durch eine Drehrichtungsänderung der Königswelle wird die Torque-Vectoring-Funktion in die entgegengesetzte Richtung realisiert.
Vorzugsweise ist der Antriebsmotor als hochdrehende elektrische Maschine ausgeführt, wobei die zwischen dem Antriebsmotor und den Sonnenrädern der Planetenradsätze geschaltete Übersetzungsstufe mit hoher Übersetzung ausgeführt ist, wodurch die Abmessungen sowie das Gewicht des Antriebsmotors gering gehalten werden können, da die Kombination eines niedrigen Antriebsmomentes mit einer hohen Drehzahlausnutzung in Verbindung mit der hochübersetzenden Zahnradstufe in einem hohes Leistungs-/Gewichtsverhältnis (kW/kg) resultiert. Die Planetenradsätze können ebenfalls eine hohe Übersetzung aufweisen.
Im Rahmen weiterer Ausführungsformen der Erfindung kann zwischen der elektrischen Maschine und den Hohlrädern der Planetenradsätze und/oder zwischen dem Abtrieb des Antriebsmotors und der Welle, die das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes miteinander verbindet, mindestens eine weitere Übersetzungsstufe vorgesehen sein, die als Stirnradstufe oder als Planetenradsatz ausgeführt sein kann. Die mindestens eine weitere Übersetzungsstufe kann in vorteilhafter Weise in das Gehäuse der Antriebsvorrichtung integriert sein.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben einer angetriebenen Fahrzeugachse zur Verfügung gestellt, welche axial sehr kompakt aufgebaut ist, einen guten Wirkungsgrad und integrierte Übersetzungsstufen für dem Antriebsmotor und die elektrische Maschine aufweist. Ferner wird die Realisierung einer Torque-Vectoring-Funktion bzw. einer radindividuellen Verteilung des vom Antriebsmotor aufgebrachten Antriebsmomentes auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht.
Auch wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Dabei treibt eine oder mehrere Antriebsmaschinen, wie ein Verbrennungsmotor, zumindest ein Hohlrad an, wobei in dem Hohlrad zumindest zwei Planetenradsätze kämmen.
Es ist auch möglich mehrere Hohlräder miteinander funktional zu verbinden und in jedem Hohlrad einen Planetenradsatz kämmen zu lassen. Jeder der zumindest zwei Planetenradsätze ist mit einem Planetenradhalter verbunden. Der Planetenradhalter kann dabei als Bauteil ausgebildet sein, dass die Achsen der Planetenräder drehend gelagert und die Relativposition der Achsen zueinander konstant hält.
Die Planetenräder kämmen weiter in einem Sonnenrad, wobei jedem Planetenradsatz ein Sonnenrad zugeordnet sein kann, oder Planetenräder beider Planetenradsätze in ein Sonnenrad kämmen. Im Falle mehrerer Sonnenräder können die Sonnenräder untereinander starr verbunden sein.
Die Sonnenräder oder das eine Sonnenrad sind dabei durch eine elektrische Maschine angetrieben. Die Planetenträger sind jeweils mit einem Antriebsrad drehfest verbunden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figur, welche eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung darstellt, beispielhaft näher erläutert.
Bezugnehmend auf die beigefügte Figur umfasst eine Antriebsvorrichtung 1 zum Antreiben einer angetriebenen Fahrzeugachse einen Antriebsmotor, dessen Abtrieb mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist, eine elektrische Maschine, deren Abtrieb mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet ist, und ein Getriebe 4.
Gemäß der Erfindung umfasst das Getriebe 4 zwei identisch aufgebaute Minus-Planetenradsätze 5, 6 auf, die koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Sonnenräder 7, 8 des ersten Planetenradsatzes 5 und des zweiten Planetenradsatzes 6 mittels einer Welle 9 drehfest miteinander verbunden sind.
Ein Abtrieb 2 des vorzugsweise als weitere elektrische Maschine ausgeführten Antriebsmotors ist mittels einer Übersetzungsstufe 10 mit der Welle 9 verbunden, welche das Sonnenrad 7 des ersten Planetenradsatzes 5 mit dem Sonnenrad 8 des zweiten Planetenradsatzes 6 miteinander verbindet.
Gemäß der Erfindung weisen das Hohlrad 11 des ersten Planetenradsatzes 5 und das Hohlrad 12 des zweiten Planetenradsatzes 6 zusätzlich zu einer durchgehenden Innenverzahnung zur Realisierung der Hohlradfunktion eine als Kronen- oder Kegelradverzahnung ausgeführte Außenverzahnung 13, 14 auf, mit der ein Kegel- bzw. Kronenrad 15 einer mit dem Abtrieb 3 der elektrischen Maschine drehfest verbundenen Königswelle 16 kämmt.
Wie aus der Figur ersichtlich, erfolgt der Abtrieb der Antriebsvorrichtung 1 über den Steg 17 des ersten Planetenradsatzes 5 und den Steg 18 des zweiten Planetenradsatzes 6, die jeweils mit einem Rad der angetriebenen Fahrzeugachse verbunden sind. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Hohlräder 11, 12 des ersten Planetenradsatzes 5 und des zweiten Planetenradsatzes 6 mittels Lager 19, 20 auf der Welle 9 gelagert, welche das Sonnenrad 7 des ersten Planetenradsatzes 5 mit dem das Sonnenrad 8 des zweiten Planetenradsatzes 6 miteinander verbindet. Mit den Bezugszeichen 21, 22 sind die Lager der Stegwellen bezeichnet, über die der Abtrieb der Planetenradsätze 5, 6 erfolgt.
Der Antriebsmotor ist als hochdrehende elektrische Maschine ausgeführt, wobei die zwischen dem Antriebsmotor und der Welle 9 geschaltete Übersetzungsstufe 10 mit hoher Übersetzung ausgeführt ist. Dies wird in der Figur durch den großen Durchmesser des abtriebsseitigen Zahnrades 23 und den kleinen Durchmesser des antriebsseitigen Zahnrades 24 veranschaulicht.
Wie bereits erläutert, resultiert die Kombination eines niedrigen Antriebsmomentes des als elektrische Maschine ausgeführten Antriebsmotors mit der hohen Drehzahlausnutzung in Verbindung mit der hochübersetzenden Übersetzungsstufe 10 zwischen dem Antriebsmotor und der Welle 9 in einem hohes Leistungs-/Gewichtsverhältnis (kW/kg) resultiert; der Antriebsmotor kann klein dimensioniert ausgeführt werden. Um das Leistungs-/Gewichtsverhältnis zu erhöhen können auch die Planetenradsätze 5, 6 eine hohe Übersetzung aufweisen.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung zur Realisierung der Torque-Vectoring-Funktion ist wie folgt:
Durch die erfindungsgemäße Anbindung des Hohlrades 11 des ersten Planetenradsatzes 5 und des Hohlrades 12 des zweiten Planetenradsatzes 6 an die als Vectoring-Maschine dienende elektrische Maschine dienen die Hohlräder 11, 12 als Momentenwaage. Ein Aufbringen eines Momentes durch die elektrische Maschine resultiert in einer Drehbewegung der Hohlräder 11, 12 jeweils in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch wird das am Steg zur Verfügung stehende Abtriebsmoment des einen Planetenradsatzes reduziert und gleichzeitig das Abtriebsmoment des anderen Planetenradsatzes erhöht, so dass eine Torque-Vectoring-Funktion realisiert wird.
Eine Drehrichtungsänderung der mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbundenen Königswelle 16 führt zu einer Verschiebung des Drehmomentes in die entgegengesetzte Richtung. Bei stehender elektrischer Maschine wird das vom Antriebsmotor aufgebrachte Moment auf beide Achsen gleich verteilt. In vorteilhafter Weise entstehen bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung keine Verluste bei Geradeausfahrt und nicht aktivierter Torque-Vectoring-Funktion, da die elektrische Maschine steht.
Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung kann zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und den Hohlrädern der Planetenradsätze eine zusätzliche Übersetzungsstufe in Form einer Stirnradstufe oder eines weiteren Planetenradsatzes angeordnet sein. Dadurch kann die elektrische Maschine, die als hochdrehende elektrische Maschine ausgeführt sein kann, sehr klein dimensioniert werden, was in einer Gewichtsreduzierung resultiert und den Einbau bei geringem zur Verfügung stehenden Bauraum ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsvorrichtung
2: Abtrieb des Antriebsmotors
3: Abtrieb der elektrischen Maschine
4: Getriebe
5: erster Planetenradsatz
6: zweiter Planetenradsatz
7: Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes 5
8: Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes 6
9: Welle
10: Übersetzungsstufe
11: Hohlrad des ersten Planetenradsatzes 5
12: Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes 6
13: Außenverzahnung des Hohlrades 11
14: Außenverzahnung des Hohlrades 12
15: Kegel- oder Kronenrad
16: Königswelle
17: Steg des ersten Planetenradsatzes 5
18: Steg des zweiten Planetenradsatzes 6
19: Lager
20: Lager
21: Lager
22: Lager
23: abtriebsseitiges Zahnrad der Übersetzungsstufe 10
24: antriebsseitiges Zahnrad der Übersetzungsstufe 10

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009002760 A1 [0003]
DE 102008002381 A1 [0004]

Claims

Antriebsvorrichtung (1) zum Antreiben einer angetriebenen Fahrzeugachse, umfassend einen Antriebsmotor, eine elektrische Maschine und ein Getriebe (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (4) zwei identisch aufgebaute Minus-Planetenradsätze (5, 6) aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Sonnenräder (7, 8) des ersten Planetenradsatzes (5) und des zweiten Planetenradsatzes (6) mittels einer Welle (9) drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Hohlrad (11) des ersten Planetenradsatzes (5) und das Hohlrad (12) des zweiten Planetenradsatzes (6) zusätzlich zu einer durchgehenden Innenverzahnung zur Realisierung der Hohlradfunktion eine als Kronen- oder Kegelradverzahnung ausgeführte Außenverzahnung (13, 14) aufweisen, mit der ein Kegel- bzw. Kronenrad (15) einer mit dem Abtrieb (3) der elektrischen Maschine drehfest verbundenen Königswelle (16) kämmt, wobei ein Abtrieb (2) des Antriebsmotors mittels einer Übersetzungsstufe (10) mit der Welle (9) verbunden ist, die das Sonnenrad (7) des ersten Planetenradsatzes (5) mit dem Sonnenrad (8) des zweiten Planetenradsatzes (6) miteinander verbindet und wobei der Abtrieb der Antriebsvorrichtung (1) über den Steg (17) des ersten Planetenradsatzes (5) und den Steg (18) des zweiten Planetenradsatzes (6) erfolgt, die jeweils mit einem Rad der angetriebenen Fahrzeugachse verbunden sind.
Antriebsvorrichtung (1) zum Antreiben einer angetriebenen Fahrzeugachse, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor als hochdrehende elektrische Maschine ausgeführt ist, wobei die zwischen dem Antriebsmotor und der Welle (9), die das Sonnenrad (7) des ersten Planetenradsatzes (5) mit dem Sonnenrad (8) des zweiten Planetenradsatzes (6) miteinander verbindet geschaltete Übersetzungsstufe (10) mit hoher Übersetzung ausgeführt ist.
Antriebsvorrichtung (1) zum Antreiben einer angetriebenen Fahrzeugachse, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrischen Maschine und den Hohlrädern (11, 12) der Planetenradsätze (5, 6) und/oder zwischen dem Abtrieb (2) des Antriebsmotors und der Welle (9), die das Sonnenrad (7) des ersten Planetenradsatzes (5) mit dem Sonnenrad (8) des zweiten Planetenradsatzes (6) miteinander verbindet, mindestens eine weitere Übersetzungsstufe vorgesehen ist, die als Stirnradstufe oder als Planetenradsatz ausgeführt ist.
Antriebsvorrichtung (1) zum Antreiben zumindest zweier Antriebsräder, nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräder (11, 12) des ersten Planetenradsatzes (5) und des zweiten Planetenradsatzes (6) mittels Lager (19, 20) auf der Welle (9) gelagert sind, welche das Sonnenrad (7) des ersten Planetenradsatzes (5) mit dem das Sonnenrad (8) des zweiten Planetenradsatzes (6) miteinander verbindet.
Antriebsvorrichtung (1) zum Antreiben zumindest zweier Antriebsräder, nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufbringen eines Momentes durch die über die Außenverzahnung (13, 14) mit den Hohlrädern des ersten Planetenradsatzes (5) und des zweiten Planetenradsatzes (6) verbundene elektrische Maschine in einer Drehbewegung der Hohlräder (11, 12) jeweils in entgegengesetzte Richtungen resultiert, wodurch das am Steg zur Verfügung stehende Abtriebsmoment des einen Planetenradsatzes reduziert und gleichzeitig das Abtriebsmoment des anderen Planetenradsatzes erhöht wird, so dass eine Torque-Vectoring-Funktion realisiert wird.
Verfahren zum Antreiben zumindest zweier Antriebsräder, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebsmotor zumindest ein Hohlrad (11, 12) antreibt, indem zumindest zwei Planetenradsätze (5, 6) kämmen, wobei jeder Planetenradsatz (5, 6) mit einem Planetenradsatz in einem Sonnenrad kämmt, wobei die beiden Sonnenräder untereinander verbunden sind und durch eine elektrische Maschine angetrieben sind und jeder Planetenträger mit einem Antriebsrad drehfest verbunden ist.