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Die Erfindung betrifft eine Antriebsstrangabschnitt für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit diesem Antriebsstrangabschnitt.
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Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird das Traktionsmoment in Abhängigkeit der Architektur vollständig oder teilweise durch mindestens einen Elektromotor erzeugt. Obwohl Elektromotoren über weite Drehzahlbereiche arbeiten können, wird oftmals ein Schaltgetriebe in dem Momentenpfad zwischen dem Elektromotor und den angetriebenen Rädern angeordnet.
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Die Anforderungen an das Schaltgetriebe unterliegen den konventionellen Spannungsfeldern, wie Gangzahl versus Fahrkomfort, Komplexität versus Fertigungskosten, konstruktive Umsetzung versus Bauraum.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrangabschnitt für ein Fahrzeug vorzuschlagen, welcher einen guten Kompromiss zwischen den Anforderungen von Gangzahl, Fahrkomfort, Komplexität, Fertigungskosten, konstruktive Umsetzung und/oder Bauraum bildet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Antriebsstrangabschnitt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Antriebsstrangabschnitt, welcher für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich besonders bevorzugt um einen Personenkraftwagen. Alternativ kann es sich bei dem Fahrzeug um einen Lastkraftwagen, einen Bus etc. handeln. Unter einem Antriebsstrangabschnitt wird vorzugsweise ein Abschnitt des Antriebsstrangs verstanden. Der Antriebsstrang umfasst bevorzugt alle Komponenten, welche Leistung für das Fahrzeug generieren und bis zur Straße übertragen. Insbesondere ist der Antriebsstrangabschnitt als ein Getriebeabschnitt ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Antriebsstrangabschnitt, insbesondere der Getriebeabschnitt, als ein Zweiganggetriebe ausgebildet. Der Antriebsstrangabschnitt kann somit Momentenpfade zwischen dem Traktionsmotor und den angetriebenen Rädern mit zwei, insbesondere genau zwei unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen bilden.
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Der Antriebsstrangabschnitt weist eine Antriebswelle als einen Eingang zur Ankopplung eines Elektromotors auf. Vorzugsweise verfügt der Elektromotor über eine Rotorwelle, wobei die Antriebswelle in bevorzugter Ausgestaltung mit der Rotorwelle drehfest verbunden ist.
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Der Elektromotor ist insbesondere als der Traktionsmotor und/oder Antriebsmotor für das Fahrzeug ausgebildet. Insbesondere ist der Elektromotor so dimensioniert, dass er das Fahrzeug auf eine Geschwindigkeit von größer 50 km/h beschleunigen kann. Alternativ oder ergänzend weist der Elektromotor eine Leistung von größer als 10 kW, vorzugsweise größer als 20 kW auf.
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Die getriebetechnische Verbindung zwischen der Antriebswelle und dem Elektromotor kann lösbar oder unlösbar ausgebildet sein. Es ist sogar möglich, dass die Antriebswelle als die Rotorwelle des Elektromotors ausgebildet ist.
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Auf der Antriebswelle ist ein Antriebsrad insbesondere drehfest aufgesetzt, wobei das Antriebsrad besonders bevorzugt als ein Stirnzahnrad ausgebildet ist. Zum Zwecke der Definition wird festgelegt, dass die Rotationsachse der Antriebswelle als Antriebsachse bezeichnet wird.
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Der Antriebsstrangabschnitt weist eine erste Getriebestufe auf, wobei die erste Getriebestufe bevorzugt eine Übersetzung vom Schnellen ins Langsame umsetzt. Insbesondere wird eine Drehzahl am Eingang der ersten Getriebestufe in eine niedrigere Drehzahl am Ausgang der ersten Getriebestufe, insbesondere an einem Zwischenausgang des Antriebsstrangabschnitts umgesetzt. Die erste Getriebestufe ist als eine Planetengetriebestufe ausgebildet. Insbesondere ist die erste Getriebestufe als eine Stirnradplanetengetriebestufe ausgebildet.
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Die erste Getriebestufe weist ein Hohlrad auf, wobei das Hohlrad vorzugsweise am Innenumfang und am Außenumfang verzahnt ausgebildet ist. Ferner weist die erste Getriebestufe einen Planetenträger sowie eine Mehrzahl von Planeten und ein Sonnenrad auf. Hohlrad, Planetenträger und Sonnenrad sind koaxial zu einer Zwischenachse angeordnet und/oder definieren diese. Die Planeten sind mit den jeweils zugeordneten Rotationsachsen in einem Teilkreis um die Zwischenachse angeordnet. Die Planeten werden vom Planetenträger getragen, insbesondere sind diese drehbar auf dem Planetenträger angeordnet. Die Planeten kämmen zum einen mit dem Sonnenrad und zum andern mit dem Hohlrad, insbesondere mit der Innenverzahnung am Innenumfang des Hohlrad.
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Das Hohlrad bildet den Eingang der ersten Getriebestufe, der Planetenträger bildet den Ausgang der ersten Getriebestufe und/oder den Zwischenausgang des Antriebsstrangabsch n itts.
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In Richtung des Momentenpfads vom Eingang des Antriebsstrangabschnitts zum Ausgang des Antriebsstrangabschnitts ist vor der ersten Getriebestufe eine Vorgetriebestufe gebildet, wobei die Vorgetriebestufe durch das Antriebsrad und das Hohlrad gebildet ist, welche miteinander getriebetechnisch gekoppelt sind und insbesondere miteinander kämmen.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Antriebsstrangabschnitt eine Aktoranordnung aufweist, wobei die Aktoranordnung in einem ersten Gang das Sonnenrad stationär setzt. Ferner setzt die Aktoranordnung in einem zweiten Gang das Hohlrad drehfest mit dem Planetenträger, so dass diese gemeinsam als Block umlaufen, insbesondere um die Zwischenachse umlaufen Der erste und der zweite Gang unterscheiden sich insbesondere in dem Übersetzungsverhältnis vorzugsweise ist der Betrag des Übersetzungsverhältnisses von dem ersten Gang größer als der Betrag des Übersetzungsverhältnisses von dem zweiten Gang. Bei alternativen Ausgestaltungen der Erfindung können die Übersetzungsverhältnisse auch so gewählt werden, dass der Betrag des Übersetzungsverhältnisses von dem ersten Gang kleiner als der Betrag des Übersetzungsverhältnisses von dem zweiten Gang ist.
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Durch die Aktoranordnung wird der Antriebsstrangabschnitt als ein Zweiganggetriebe ausgebildet, welches vorzugsweise genau zwei Gänge und/oder Übersetzungen umsetzen kann. Durch die Getriebearchitektur wird eine Gangzahl bereitgestellt, welche einen ausreichenden Fahrkomfort ermöglicht. Die Komplexität des Antriebsstrangabschnitts und damit die Fertigungskosten werden aufgrund der geringen Anzahl der Komponenten ebenfalls gering gehalten. Durch die Umsetzung als Planetengetriebe kann der Antriebsstrangabschnitt sehr kompakt ausgestaltet werden, so dass der benötigte Bauraum klein ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Antriebsstrangabschnitt eine zweite Getriebestufe auf, wobei der Planetenträger einen Zwischeneingang des Antriebsstrangabschnitts in die zweite Getriebestufe bildet und wobei die zweite Getriebestufe ein Abtriebsrad aufweist, welches einen Ausgang aus der zweiten Getriebestufe und/oder aus dem Antriebsstrangabschnitt bildet. Besonders bevorzugt ist die zweite Getriebestufe als eine Stirnradgetriebestufe ausgebildet.
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Getriebetechnisch betrachtet weist der Antriebsstrangabschnitt in dieser Weiterbildung drei Getriebestufen auf, nämlich die Vorgetriebestufe, die erste Getriebestufe und die zweite Getriebestufe. Mit den zuvor genannten Vorteilen kann eine hohe Übersetzung mit dem Antriebsstrangabschnitt umgesetzt werden.
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Bei einer bevorzugten Umsetzung der Erfindung weist die zweite Getriebestufe ein Eingangsrad auf, wobei das Eingangsrad drehfest mit dem Planetenträger gekoppelt, insbesondere verbunden, ist und mit dem Abtriebsrad kämmt. Damit ist zweite Getriebestufe als eine zweirädrige Getriebestufe ausgebildet.
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In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung definiert das Abtriebsrad eine Abtriebsachse, wobei die Antriebsachse und die Abtriebsachse koaxial angeordnet sind. Insbesondere sind Antriebsachse und Abtriebsachse identisch.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Antriebsstrangabschnitt eine Abtriebswelle auf, wobei das Abtriebsrad auf der Abtriebswelle insbesondere drehfest angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass die Antriebswelle als eine Hohlwelle ausgebildet ist, wobei die Abtriebswelle koaxial und/oder konzentrisch zu der Antriebswelle angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung kann der Antriebsstrangabschnitt besonders kompakt aufgebaut werden. Besonders bevorzugt durchdringt die Abtriebswelle die Antriebswelle und/oder den Elektromotor koaxial.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Planeten jeweils als Doppelplanetenräder ausgebildet, wobei ein erster Doppelplanetenradabschnitt eines der Doppelplanetenräder mit dem Hohlrad und ein zweiter Doppelplanetenradabschnitt des gleichen Doppelplanetenrads mit dem Sonnenrad kämmt. Der erste der zweite Doppelplanetenradabschnitt sind koaxial zueinander angeordnet und drehfest miteinander verbunden. Durch die Ausbildung der Planeten als Doppelplanetenräder kann die Spreizung der ersten Getriebestufe und damit des Antriebsstrangabschnitt stärker variiert werden. Besonders bevorzugt ist der Durchmesser des ersten Doppelplanetenradabschnitts kleiner als der Durchmesser des zweiten Doppelplanetenradabschnitts.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Auslegung der Erfindung ist die Spreizung des Antriebsstrangabschnitts, insbesondere zwischen Eingang und Ausgang des Antriebsstrangabschnitts, zwischen dem ersten und dem zweiten Gang größer als 1,5, insbesondere größer als 1,8 alternativ oder ergänzend ist die genannte Spreizung kleiner als 2,5 und insbesondere kleiner als 2,2. Besonders bevorzugt beträgt die Spreizung 2 +/- 10%.
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Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass der Betrag der Gesamtübersetzung des Antriebsstrangabschnitts zwischen Eingang und Ausgang in dem ersten Gang zwischen 8 und 12 und/oder in dem zweiten Gang zwischen 18 und 22 liegt. Bei einer bevorzugten
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Weiterbildung der Erfindung weist der Antriebsstrangabschnitt den Elektromotor auf, wobei der Elektromotor - vorzugsweise wie bereits beschrieben - mit dem Antriebsrad und/oder mit der Eingangswelle getriebetechnisch verbunden ist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft das Fahrzeug mit dem Antriebsstrangabschnitt, wie diese zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Das Fahrzeug kann als ein reines Elektrofahrzeug oder als ein Hybridfahrzeug ausgebildet sein.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangabschnitt für ein Fahrzeug als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine seitliche Draufsicht auf eine konstruktive Ausgestaltung des Antriebsstrangabschnitts der 1 ;
- 3 a, b zwei weitere, dreidimensionale Ansichten des Antriebsstrangabschnitt der 2.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Antriebsstrangabschnitt 1 für ein Fahrzeug 2 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Antriebsstrangabschnitt 1 dient zur Bereitstellung eines Traktionsmoments, insbesondere eines Antriebsmoments, für das Fahrzeug 2. Beispielsweise kann der Antriebsstrang 1 eine elektrische Achse des Fahrzeugs 1 antreiben, einen Radnabenantrieb bilden oder das Traktionsmoment für ein Hybridgetriebe des Fahrzeugs 2 bereitstellen.
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Der Antriebsstrangabschnitt 1 dient zur Umsetzung eines Antriebsdrehmoments von einem Elektromotor 3 zu einem Ausgang 4 des Antriebsstrangabschnitts 1. Der Antriebsstrangabschnitt 1 kann zwei unterschiedliche Gänge einnehmen, so dass dieser als ein Zweiganggetriebe ausgebildet ist. Optional ergänzend kann der Antriebsstrangabschnitt 1 einen Neutralbetriebszustand einnehmen, bei dem der Momentenpfad zwischen dem Elektromotor 3 zu dem Ausgang 4 unterbrochen ist.
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Der Antriebsstrangabschnitt 1 weist eine Vorgetriebestufe 5 eine erste Getriebestufe 6 sowie eine zweite Getriebestufe 7 auf. Jede der Getriebestufen 5, 6, 7 realisiert eine Umsetzung vom Schnellen ins Langsame oder eine 1:1 Übertragung.
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Der Elektromotor 3 ist mit einer Antriebswelle 8 getriebetechnisch gekoppelt. In dem Ausführungsbeispiel ist die Antriebswelle 8 als eine Rotorwelle des Elektromotors 3 ausgebildet. Auf der Antriebswelle 8 ist ein Antriebsrad 9 als Festrad angeordnet. Die Antriebswelle 8 definiert eine Antriebsachse A.
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Die zweite Getriebestufe 6 ist als eine Planetengetriebestufe, insbesondere als eine Stirnradplanetengetriebestufe ausgebildet. Die zweite Getriebestufe 6 weist ein Hohlrad 10, einen Planetenträger 11, eine Mehrzahl von Planeten 12 sowie ein Sonnenrad 13 auf. Das Hohlrad 10, der Planetenträger 11 sowie das Sonnenrad 13 sind koaxial zu einer Zwischenachse Z angeordnet. Die Zwischenachse Z ist parallel zur Antriebsachse A angeordnet. Die Planeten 12 sind mit ihren eigenen Rotationsachsen in einem Teilkreisdurchmesser um die Zwischenachse Z angeordnet.
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Die Planeten 12 kämmen zum einen mit dem Sonnenrad 13 und zum anderen mit dem Hohlrad 10, genauer betrachtet mit einer Verzahnung am Innenumfang des Hohlrads 10. Die Planeten 12 können als Einfachplaneten ausgebildet sein, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Planeten als Doppelplanetenrräder ausgebildet, wobei diese jeweils einen ersten Doppelplanetenradabschnitt, ausgebildet als ein Zahnradabschnitt, aufweisen, welcher mit dem Hohlrad 10 kämmt. Ferner weisen diese einen zweiten Doppelplanetenradabschnitt, ausgebildet als ein weiterer Zahnradabschnitt, auf, welcher mit dem Sonnenrad 13 kämmt. Durch den Einsatz eines Doppelplanetenrades kann die Umsetzung flexibler dargestellt werden. Der Durchmesser des ersten Doppelplanetenradabschnitts ist kleiner als der Durchmesser des zweiten Doppelplanetenradabschnitts ausgebildet.
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Das Antriebsrad 9 kämmt mit dem Hohlrad 10, insbesondere ist das Antriebsrad 9 außermittig zu der Zwischenachse Z und/oder koaxial zu der Antriebsachse A angeordnet. Durch das Antriebsrad 9 und das Hohlrad 10 ist die Vorgetriebestufe 5 gebildet. Diese kann genutzt werden, um eine Eingangsdrehzahl in die erste Getriebestufe 6 zu reduzieren.
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Der Antriebsstrangabschnitt 1 weist eine Aktoranordnung 14 auf, welche bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildet ist und welche beispielsweise über eine Steuereinrichtung angesteuert wird. Ein Abschnitt der Aktoranordnung 14 setzt das Hohlrad 10 drehfest mit dem Planetenträger 11. Ein anderer Abschnitt der Aktoranordnung 14 setzt das Sonnenrad 13 stationär. Beispielsweise können die Abschnitte der Aktoranordnung 14 als Schaltmuffen ausgebildet sein.
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In einem Betriebszustand, wenn das Hohlrad 10 und der Planetenträger 11 unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten um die Zwischenachse Z einnehmen können und das Sonnenrad 13 stationär gesetzt ist, befindet sich der Antriebsstrangabschnitt 1 in einem ersten Gang.
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In einem weiteren Betriebszustand, wenn das Hohlrad 10 drehfest mit dem Planetenträger 11 gesetzt ist und zugleich das Sonnenrad 13 freigegeben ist, befindet sich der Antriebsstrangabschnitt 1 in einem zweiten Gang. Bei diesem Ausführungsbeispiel läuft das Hohlrad 10 gemeinsam mit dem Planetenträger 11 in einem Block um die Zwischenachse Z, so dass nur geringe Reibungsverluste vorliegen.
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Der Planetenträger 11 bildet einen Zwischenausgang aus der ersten Getriebestufe 6 und zugleich einen Zwischeneingang in die zweite Getriebestufe 7. Die zweite Getriebestufe 7 weist ein Abtriebsrad 15 sowie ein Eingangsrad 16 auf, wobei das Abtriebsrad 15 und das Eingangsrad 16 miteinander kämmen, so dass die zweite Getriebestufe 7 gebildet ist. Optional können zwischen Eingangsrad 16 und Abtriebsrad 15 Zwischenräder angeordnet sein. Das Abtriebsrad 15 sitzt auf einer Abtriebswelle 17, wobei die Abtriebswelle 17 koaxial zu der Antriebsachse A und/oder koaxial zu der Antriebswelle 8 und/oder koaxial zu der Rotorwelle des Elektromotors 3 ausgerichtet ist. Die Antriebswelle 8 und/oder Rotorwelle des Elektromotors 3 ist als eine Hohlwelle ausgebildet, wobei die Abtriebswelle 17 koaxial und konzentrisch durch die Hohlwelle verläuft. In dieser Ausgestaltung kann der Antriebsstrangabschnitt 1 besonders kompakt aufgebaut werden.
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In den 2, 3 a, b ist der Antriebsstrangabschnitt 1 in einer schematischen Seitenansicht sowie in einer 3-dimensionalen Ansicht nochmals dargestellt, um beispielhafte Dimensionierungen erkennen zu können. Dabei sind die Komponenten des Antriebsstrangabschnitts 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in der 1.
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Die Dimensionen und Übersetzungen der Räder sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen:
| Innendurchmesser Hohlrad 10 | [mm] | 205 |
| Durchmesser Sonnenrad 13 | [mm] | 89 |
| Durchmesser Antriebsrad 9 | [mm] | 57 |
| Außendurchmesser Hohlrad 10 | [mm] | 245 |
| Achsabstand | [mm] | 151 |
| Planeten 12 - Planetenträger 11 |
| Durchmesser | [mm] | 35 |
| Doppelplanetenradabschnitt (klein) |
| Durchmesser | [mm] | 35 |
| Doppelplanetenradabschnitt (groß) |
| i (Übersetzung) Vorgetriebestufe | [-] | 4,2982 |
| i (Übersetzung) | [-] | 0,9953 |
| erste Getriebestufe 6/zweiter Gang |
| i (Übersetzung) | [-] | 2,0047 |
| erste Getriebestufe 6/erster Gang |
| i (Übersetzung) | [-] | 2,1789 |
| zweite Getriebestufe 7 |
| i (Übersetzung) erster Gang | [-] | 9,3657 |
| i (Übersetzung) zweiter Gang | [-] | 18,776 |
| Spreizung | [-] | 2,0047 |
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Durch den zweiten Gang wird es möglich, die Anfahrmomente im ersten Gang bei gleichbleibender Spitzengeschwindigkeit zu erhöhen. Zudem besteht die Möglichkeit, dass der Elektromotor 3 durch den zweiten Gang in einem Betriebspunkt mit besserem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Auf kompaktestem Bauraum ist es möglich, eine Zweigängigkeit bei gutem Wirkungsgrad zu erhalten. Dies wird insbesondere erreicht, indem die Planetenstufe, insbesondere der Planetenträger 11 und das Hohlrad 10, im zweiten Gang im Block umläuft.
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Wenn eine Planetenstufe im zweiten Gang verblockt werden soll, ergibt sich die Spreizung der Gänge aus der Gesamtübersetzung der Planetenstufe. Wird die Planetenstufe wie häufig von dem Sonnenrad angetrieben und über den Planetenträger abgetrieben, so würde die minimale Spreizung bei ca. 2,8 liegen. Dies hängt damit zusammen, dass die Standübersetzung der Planetenstufe nicht zu klein werden darf, da sonst die Planetenräder zu klein werden. Bei dem Ausführungsbeispiel wird in der Planetenstufe auf den Doppelplaneten gesetzt. Die erste Verzahnung des Doppelplaneten wird durch das Hohlrad 10 angetrieben. Die zweite Verzahnung stützt sich auf dem Sonnenrad 13 ab. Daraus resultiert ein Abtriebsmoment am Planetenträger. Durch den Doppelplaneten wird im Vergleich zum einfachen Planeten die Variabilität der Spreizung deutlich vergrößert.
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Die Doppelplanetenstufe wird über das Hohlrad 10 angetrieben. Das Sonnenrad 13 steht im ersten Gang. Damit die Planetendrehzahlen nicht zu hoch werden wird zwischen Rotorwelle/Eingangswelle 8 und Planetenstufe die Drehzahl bereits durch eine Stirnradstufe als Vorgetriebestufe reduziert.
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Der Kraft- oder Momentenfluss - ausgehend hend vom Elektromotor 4 - wird in der Vorgetriebestufe vom Antriebsrad 9 auf die Außenverzahnung des Hohlrades 10 übertragen. Im ersten Ganges erfolgt der weitere Kraftfluss von der Innenverzahnung des Hohlrades 10 auf die Doppelplaneten (durch die Doppelplaneten kann die Spreizung stärker variiert werden) und somit den Planetenträger 11. Das Sonnenrad 13 steht. Im zweiten Ganges läuft der Kraftfluss von der Hohlradinnenverzahnung über die geblockten Doppelplanetenräder (Verzahnungsverluste sind eliminiert) auf das Sonnenrad 13. Unabhängig vom ersten oder zweiten Gang erfolgt der weitere Kraftfluss - vom Planetenträger 11 kommend - über die 2 Stirnräder der zweiten Getriebestufe 7 (Final Drive) und kann koaxial durch die Rotorwelle/Antriebswelle 8 geführt werden. Im weiteren Verlauf könnte man den Kraftfluss direkt auf die Antriebsachse leiten. Alternativ ist eine Unterstützung des Verbrenners möglich (Kombi-Hybrid).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrangabschnitt
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Elektromotor
- 4
- Ausgang
- 5
- Vorgetriebestufe
- 6
- erste Getriebestufe
- 7
- zweite Getriebestufe
- 8
- Antriebswelle
- 9
- Antriebsrad
- 10
- Hohlrad
- 11
- Planetenträger
- 12
- Planeten
- 13
- Sonnenrad
- 14
- Aktoranordnung
- 15
- Abtriebsrad
- 16
- Eingangsrad
- 17
- Abtriebswelle
- Z
- Zwischenachse
- A
- Antriebsachse
