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Die Erfindung betrifft ein Planetengetriebe mit einem integrierten Freilauf gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches.
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Bei einer Vielzahl von Getriebekonzepten werden die zu schaltenden Gänge mit Hilfe von mindestens einer Kupplung sowie mindestens einem Synchronisationsmechanismus geschaltet. Um einen Gang während der Fahrt einlegen zu können, wird zunächst durch das Betätigen der Kupplung der Antriebsmotor von der Eingangswelle des Getriebes getrennt. Anschließend wird die Drehzahl der Eingangswelle auf die Drehzahl des gewählten Gangrades synchronisiert. Erst dann wird eine formschlüssige Verbindung zwischen der Eingangswelle und dem Gangrad hergestellt.
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Dieser Vorgang ist in automatisierten Schaltgetrieben insofern kritisch, als dass bei einem Schaltvorgang der Antriebsmotor, insbesondere ein Verbrennungsmotor, von der Eingangswelle des Getriebes getrennt wird. Dementsprechend wird im entkoppelten Betriebszustand keine Leistung über das Getriebe übertragen. Es entsteht eine sogenannte Zugkraftunterbrechung, welche sich beim Fahrer durch eine komfortbeeinflussende Längsdynamikschwingung auswirkt.
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In manuellen Schaltgetrieben ist dieser Vorgang weniger kritisch, da der Fahrer manuell den Schaltvorgang veranlasst und sich auf die Zugkraftunterbrechung einstellen kann. In automatisierten Getriebekonzepten wird der Fahrer mehr oder weniger von den schaltungsbedingten Längsdynamikschwingungen überrascht. Deutlich zu spüren ist dies bei automatisierten manuellen Schaltgetrieben. Bei einem Doppelkupplungsgetriebe kann dieses Problem durch die Doppelkupplung prinzipiell gelöst werden, da das Getriebe in zwei Teilgetriebe aufgeteilt wird und durch die Doppelkupplung ein Überblenden zwischen den beiden Teilgetrieben ohne Zugkraftunterbrechung möglich ist. Diese Überblendung kann auch unter Last erfolgen.
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Bei Getriebekonzepten von Elektro- und Hybridfahrzeugen mit mehr als einem Gang kann das Problem auftreten, dass während des Schaltvorganges eine Zugkraftunterbrechung eintreten kann. Im Falle der Hybridfahrzeuge kann abhängig vom Getriebekonzept während des Schaltvorganges der Verbrennungsmotor zugeschaltet werden, um die Zugkraftunterbrechung zu kompensieren.
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Im Falle von Elektrofahrzeugen muss ein spezielles Getriebekonzept vorgesehen werden, damit eine zugkraftunterbrechungsfreie Schaltung in einem mehrgängigen Getriebe realisiert werden kann. Eine Möglichkeit eine Lastschaltung umzusetzen, ist die Integration einer Kupplung in Kombination mit einem konventionellen Schaltelement. Im Speziellen kann hierzu ein schaltbarer Freilauf verwendet werden, welcher aber ein bestimmtes Design erfordert, um im Antriebsstrang eine Rekuperation zu ermöglichen.
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Aus der
DE 10 2015 201 403 A1 sind eine Rücklaufsperre sowie ein Verteilergetriebe mit einer solchen Rücklaufsperre bekannt, welche einen drehbeweglichen Innenring, einen stationär festgelegten Außenring sowie einen zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordneten Käfig aufweist. Dabei werden durch den Käfig mehrere Rollenpaare geführt, wobei zwischen den beiden Rollen des jeweiligen Rollenpaares mindestens ein Federelement angeordnet ist. Dabei ist an der Außenumfangsfläche des Innenringes mindestens ein radial nach außen ausgebildeter Nocken angeordnet, der in eine im Käfig ausgeformte Nut eingreifen kann. Dabei wird eine Kupplung, also eine Rücklaufsperre, durch eine umfangsgerichtete Drehung des Käfigs erreicht.
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Die
DE 10 2014 114 889 A1 offenbart eine verkleinerte Antriebseinheit für Fahrzeuge mit einer schaltbaren Einwegkupplung. Dabei ist ein Motor in einem Gehäuse gehalten, welches sich in Richtung einer zu der Maschine axial gegenüberliegenden Seite öffnet. Die Öffnung des Gehäuses ist durch ein Abdeckelement verschlossen. Um eine Rotation einer Vorwärts- und einer Rückwärtsrotation eines Drehelements selektiv zu verhindern, ist die schaltbare Einwegkupplung koaxial zu dem Motor an einer inneren Seite des Abdeckelements angeordnet und an dem Abdeckelement befestigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schaltmöglichkeit zwischen zwei Übersetzungsverhältnissen bei einem Planetengetriebe zu realisieren und auf einfache Art und Weise ein Zwei-Gang-Getriebe darstellen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem mit dem Sonnenrad in Eingriff stehenden Planetenradsatz mit mindestens einem Planetenrad sowie mit einem Hohlrad und mit einem Freilauf gelöst. Dabei weist der Freilauf einen Außenring und einem relativ zum Außenring verdrehbaren Innenring sowie einen Käfig auf, welcher zwischen dem Außenring und dem Innenring angeordnet ist. Der Freilauf umfasst mindestens einem Klemmkörperpaar, welche durch den Käfig geführt werden, wobei an dem Außenring oder dem Innenring mindestens eine Klemmrampe für einen Klemmkörper ausgebildet ist, welche in axialer Richtung in Richtung des Käfigs über die Grundfläche des Außenringes nach Innen oder über die Grundfläche des Innenrings nach außen vorsteht. Es ist vorgesehen, dass das Hohlrad des Planetengetriebes den Innenring des Freilaufs ausbildet. Dabei kann in einer Planetensatzanordnung ein Teil des Planetensatzes gegen das Gehäuse des Planetengetriebes verblockt werden. Somit ergeben sich zusätzliche Schaltmöglichkeiten für das Planetengetriebe.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Planetengetriebes möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Freilauf als schaltbarer Freilauf ausgebildet ist, wobei ein Aktuator vorgesehen ist, mit welchem der schaltbare Freilauf zwischen mindestens zwei Schaltstellungen verstellbar ist, wobei in einer ersten Schaltstellung des schaltbaren Freilaufs eine Drehung des schaltbaren Freilaufes im Uhrzeigersinn ermöglicht wird und gegen den Uhrzeigersinn gesperrt ist und in einer zweiten Schaltstellung des Aktuators eine Drehung des schaltbaren Freilaufes gegen den Uhrzeigersinn ermöglicht wird und im Uhrzeigersinn gesperrt ist. Ein solcher Freilauf kann insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einer elektrischen Antriebsachse, mit einem hybriden Antriebskonzept aus einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Antriebsmotor, sowie als Schaltelement für weitere Getriebeanwendungen, genutzt werden. Durch den Aufbau können mindestens zwei unterschiedlich wirkende Schaltstellungen des schaltbaren Freilaufes realisiert werden, wobei eine Schaltung unter Last initiiert werden kann und erst dann erfolgt, sofern der Freilauf momentfrei ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Freilauf in einer dritten Schaltstellung des Verstellers eine Drehung in beide Drehrichtungen ermöglicht. Durch eine dritte Schaltstellung kann die Funktionalität des Freilaufes erweitert werden. Dabei kann der Käfig relativ zum Außenring fixiert werden, sodass die Klemmkörper nicht in Kontakt mit dem Innenring treten. Dadurch kann die Reibung in dem Freilauf minimiert werden. Zudem kann somit auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Schaltstellung realisiert werden, in der der Freilauf in beide Richtungen frei dreht, sodass keine Kräfte oder Momente durch den Freilauf übertragen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Planetengetriebes ist vorgesehen, dass der schaltbare Freilauf ein Hohlrad des Planetengetriebes mit einem Gehäuse des Planetengetriebes verbindet. Vorzugsweise stehen dabei sowohl der Käfig des schaltbaren Freilaufes als auch der Außenring, wobei der Außenring des schaltbaren Freilaufs insbesondere drehfest in einem Gehäuse aufgenommen ist. Somit kann eine vereinfachte Aktorik zum Schalten des schaltbaren Freilaufes realisiert werden. Alternativ können auch der Außenring und der Käfig mit der gleichen Drehzahl rotieren.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn ein Antrieb des Planetengetriebes über ein Sonnenrad und ein Abtrieb des Planetengetriebes über einen Planetenträger erfolgt, wobei der Planetenträger mindestens ein Planetenrad trägt, welches mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad in Eingriff steht. Dadurch kann eine entsprechend hohe Übersetzung des Planetengetriebes mit einer Freilauffunktion des schaltbaren Freilaufes kombiniert werden. Somit ergeben sich zusätzliche Schalt- und Auslegungsmöglichkeiten für das Planetengetriebe.
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Der schaltbare Freilauf kann sowohl in einem stehenden System, bei dem der Innen- oder Außenring drehfest in einem Gehäuse aufgenommen ist und sich der jeweils andere Ring dreht, als auch in einem voll rotativen System, in welchem sich sowohl der Innenring als auch der Außenring drehen, eingesetzt werden. Der schaltbare Freilauf ermöglicht drei Schaltstellungen und vier Betriebszustände, welche einzeln aktiviert werden können. Die Klemmrampen können dabei sowohl am Außenring als auch am Innenring des schaltbaren Freilaufs ausgebildet sein. Der Käfig hat keine formschlüssige Verbindung zum Innenring oder Außenring. Die Verbindung zwischen dem Innenring und dem Außenring erfolgt ausschließlich über die Klemmkörper. Der Innenring, der Käfig und der Außenring können sich dabei frei zueinander drehen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Planetengetriebes ist vorgesehen, dass an dem Innenring des Freilaufs eine Verzahnung ausgebildet ist, welche mit einer Verzahnung an dem Planetenrad in Eingriff steht. Dadurch kann der Innenring des Freilaufs gleichzeitig als Hohlrad des Planetengetriebes eingesetzt werden und ein Abrollen der Planetenräder an dem Innenring des Freilaufs ermöglichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Planetengetriebes ist vorgesehen, dass der schaltbare Freilauf drei verschiedene Schaltstellungen aufweist, wobei in einer ersten Schaltstellung eine Freilauffunktion im Uhrzeigersinn ermöglicht und gegen den Uhrzeigersinn gesperrt ist, in einer zweiten Schaltstellung eine Freilauffunktion in beide Drehrichtungen ermöglicht ist und in einer dritten Schaltstellung eine Freilauffunktion entgegen dem Uhrzeigersinn ermöglicht und im Uhrzeigersinn gesperrt ist. Dabei wird der Käfig durch den Aktuator in eine erste Richtung verdreht. Die Aktuierung kann dabei mehrstufig in Abhängigkeit einer axialen Verschiebung oder Verdrehung erfolgen, wodurch auf einfache Art und Weise zwischen den unterschiedlichen Betriebszuständen des schaltbaren Freilaufs umgeschaltet werden kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass in der zweiten Schaltstellung, in der in beide Drehrichtungen eine Freilauffunktion realisiert ist, keine Verlustleistung erzeugt wird, da die Klemmkörper vollständig vom Außenring getrennt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Planetengetriebes ist vorgesehen, dass der Aktuator in axialer Richtung in den Käfig des schaltbaren Freilaufs eingreift. Durch einen axialen Eingriff des Verstellers in den Käfig ist eine einfach zu realisierende Verstellungsmechanik möglich, mit der der schaltbare Freilauf zwischen den einzelnen Schaltstellungen wechseln kann.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Aktuator rotativ in den Käfig des schaltbaren Freilaufs eingreift. Durch einen rotativen Eingriff kann ebenfalls ein einfacher Wechsel zwischen den einzelnen Schaltstellungen des schaltbaren Freilaufs erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Planetengetriebes ist vorgesehen, dass das Sonnenrad über eine Antriebswelle mit einem elektrischen Antriebsmotor verbunden ist, welcher das Sonnenrad des Planetengetriebes antreibt. Um bei einem Antriebskonzept, insbesondere bei einem Antriebskonzept für ein Kraftfahrzeug, mit einem elektrischen Antriebsmotor auf einfache Art und Weise zwischen zwei Gängen mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnis umschalten zu können, ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes in einem elektrischen Antriebsstrang besonders vorteilhaft.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem Käfig Ausnehmungen ausgebildet sind, in welche Formschlusselemente des Aktuators eingreifen, um eine Verstellung des schaltbaren Freilaufs zwischen zwei unterschiedlichen Schaltpositionen zu ermöglichen. Durch eine entsprechende Ausnehmung kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Aktuator und dem Käfig hergestellt werden. Dadurch kann der Käfig in einer Mittenposition gehalten oder relativ zum Außenring verdreht werden, um die entsprechende Sperrfunktion des Freilaufes zu realisieren.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den identischen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigen:
- 1 ein Planetengetriebe mit einem erfindungsgemäßen schaltbaren Freilauf in einer schematischen Darstellung;
- 2 einen erfindungsgemäßen schaltbaren Freilauf in einer Seitenansicht und einer Schnittdarstellung; und
- 3 eine erste Schaltstellung des Planetengetriebes mit einem schaltbaren Freilauf, in welcher eine Drehung im Uhrzeigersinn möglich ist und eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn gesperrt ist;
- 4 eine zweite Schaltstellung des Planetengetriebes mit einem schaltbaren Freilauf, in welcher eine freie Drehung in beide Drehrichtungen möglich ist; und
- 5 eine dritte Schaltstellung des Planetengetriebes mit einem schaltbaren Freilauf, in welcher eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn möglich ist und eine Drehung im Uhrzeigersinn gesperrt ist.
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In 1 ist ein Planetengetriebe 11 mit einem schaltbaren Freilauf 1, 18 dargestellt. Das Planetengetriebe 11 umfasst ein Sonnenrad 12, welches drehfest mit einer Antriebswelle 19 verbunden ist und über diese von einem Antriebsmotor 23, insbesondere einen Elektromotor, angetrieben wird. Das Sonnenrad 12 steht mit einem Planetenradsatz mit mindestens einem Planetenrad 13 in Eingriff, welcher auf einem Planetenträger 15 aufgenommen sind. Die Planetenräder 13 stehen ferner mit einem Hohlrad 14 in Eingriff, welches über einen schaltbaren Freilauf 1, 18 mit einem Gehäuse 16 des Planetengetriebes 11 verbunden ist. Der schaltbare Freilauf 1, 18 ist über einen Aktuator 17 ansteuerbar, mit welchem zwischen mindestens zwei, vorzugsweise zwischen drei unterschiedlichen Schaltstellungen des schaltbaren Freilaufs 1, 18 umgeschaltet werden kann. Der Planetenträger 15 dient als Abtrieb 20 für das Planetengetriebe 11 und kann insbesondere einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges antreiben.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Planetengetriebes 11 dargestellt, welches in einen Freilauf 1, insbesondere einen schaltbaren Freilauf 18, integriert ist. Dabei bildet des Hohlrad 14 des Planetengetriebes 11 den Innenring 7 des schaltbaren Freilaufs 18 aus. Der schaltbare Freilauf 1 umfasst einen Außenring 2 und einen Innenring 7, welche relativ zueinander verdrehbar sind. Der schaltbare Freilauf 1 umfasst ferner einen Käfig 3, welcher in radialer Richtung zwischen dem Innenring 7 und dem Au-ßenring 2 angeordnet ist und mehrere Klemmkörperpaare 5, 6, führt. Dabei umfasst jedes Klemmkörperpaar 5, 6 einen ersten Klemmkörper 5, insbesondere eine erste Klemmrolle, und einen zweiten Klemmkörper 6, insbesondere eine zweite Klemmrolle, welche über eine Feder 4 miteinander verbunden sind. Alternativ können sich die Klemmkörper 5, 6 auch über einzelne Federn am Käfig 3 abstützen. An dem Außenring 2 sind mehrere Klemmrampen 8, 9 ausgebildet, welche sich in radialer Richtung über eine Grundfläche des Außenringes 2 nach Innen erheben. An dem Käfig 3 sind über den Umfang des Käfigs 3 verteilt mehrere Ausnehmungen 10 ausgebildet, in welche ein in 1 dargestellter Aktuator 17 eingreifen kann, um den Käfig 3 relativ zum Außenring 2 zu verdrehen. Dabei ist an den Planetenrädern 13 eine Verzahnung 22 ausgebildet, welche mit einer Verzahnung 21 an dem als Hohlrad 14 des Planetengetriebes 11 dienenden Innenrings 7 des schaltbaren Freilaufs 18 ausgebildet ist.
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Alternativ können die Klemmrampen 8, 9 auch am Innenring 7 des schaltbaren Freilaufs 18 ausgebildet sein, um eine entsprechende Klemmung zwischen dem Innenring 7 und dem Außenring 2 des schaltbaren Freilaufs 18 zu realisieren und somit eine Verdrehung des Innenrings 7 relativ zum Außenring 2 zu unterbinden.
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In 3 ist das Planetengetriebe 11 in einer ersten Schaltstellung dargestellt. Dabei ist eine Drehung des Innenringes 7 im Uhrzeigersinn möglich, während eine Drehung entgegengesetzt des Uhrzeigersinnes gesperrt ist. Dazu wird der Käfig 3 durch den Aktuator 17 aus einer Mittenposition entgegen dem Uhrzeigersinn verdreht, sodass die zweiten Klemmrollen 6 an den zweiten Klemmrampen 9 anliegen.
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In 4 ist das Planetengetriebe 11 in einer zweiten Schaltstellung dargestellt. Dabei ist eine Drehung des Innenringes 7 in beide Drehrichtung möglich. Dazu wird der Käfig 3 in einer Mittenposition gehalten oder in eine Mittenposition gedreht, in welcher sowohl die ersten Klemmkörper 5 als auch die zweiten Klemmkörper 6 von den Klemmrampen 8, 9 beabstandet sind. Dabei wird der Käfig 3 in einer Position relativ zum Außenring 2 fixiert, sodass sich entweder der Außenring 2 und der Käfig 3 mit der gleichen Geschwindigkeit drehen oder der Außenring 2 als auch der Käfig 3 stehen.
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In 5 ist das Planetengetriebe 11 in einer dritten Schaltstellung dargestellt. Dabei ist eine Drehung des Innenringes 7 entgegen dem Uhrzeigersinn möglich und eine Verdrehung des Innenringes 7 im Uhrzeigersinn gesperrt. Dazu wird der Käfig 3 durch den Aktuator 17 aus einer Mittenposition im Uhrzeigersinn verdreht, sodass die ersten Klemmkörper bzw. -rollen 5 an den zweiten Klemmrampen 8 anliegen
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Abhängig in welche Richtung der Käfig 4 zum Außenring 2 oder zum Innenring 7 hin relativ verdreht wird, greift der Freilauf 1, 18 entweder in die eine oder die andere Drehrichtung des Hohlrades 14.
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Ein Vorteil des vorgeschlagenen Planetengetriebes 11 besteht darin, dass es nicht zu einem gegenseitigen Verklemmen von zwei in unterschiedlichen Richtungen wirkenden Freiläufen kommen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die beiden Wirkrichtungen des Freilaufes 1 in einer Spur laufen und somit Bauraum und Gewicht eingespart werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Freilauf
- 2
- Außenring
- 3
- Käfig
- 4
- Feder
- 5
- Erster Klemmkörper
- 6
- Zweiter Klemmkörper
- 7
- Innenring
- 8
- Erste Klemmrampe
- 9
- Zweite Klemmrampe
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Planetengetriebe
- 12
- Sonnenrad
- 13
- Planetenrad
- 14
- Hohlrad
- 15
- Planetenträger
- 16
- Gehäuse
- 17
- Aktuator
- 18
- schaltbarer Freilauf
- 19
- Eingangswelle
- 20
- Ausgangswelle
- 21
- Verzahnung
- 22
- Verzahnung
- 23
- elektrischer Antriebsmotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015201403 A1 [0007]
- DE 102014114889 A1 [0008]
