DE102020125347A1 - E-Motorgetriebeeinheit für einen Antriebsstrang - Google Patents
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- B60K6/48—Parallel type
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Abstract
Es wird eine E-Motorgetriebeeinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor vorgeschlagen, der einen ersten Planetenradsatz, umfassend eine Eingangswelle, an die der Verbrennungsmotor koppelbar ist, und einen zweiten Planetenradsatz, umfassend eine Ausgangswelle, die mit Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs koppelbar sind, umfasst, wobei der erste Planetenradsatz und der zweite Planetenradsatz jeweils Planetenräder aufweisen, die auf mindestens zwei gemeinsamen Planetenwellen zueinander drehfest angeordnet sind. Weiterhin ist der Planetenträger mit einer elektrischen Maschine gekoppelt oder koppelbar.Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Planetenträger auf der Eingangswelle und der Ausgangswelle um eine gemeinsame Achse drehbar gelagert ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine E-Motorgetriebeeinheit für einen Antriebsstrang. Der Antriebsstrang kann der Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor sein, insbesondere eines Schwerlastfahrzeug (heavy duty trucks), wie einem Bus, Müll-, Land- oder Baumaschinenfahrzeug (Off Road).
- Bekannt ist es, in den Antriebsstrang derartiger Fahrzeuge zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe ein Anfahrmodul mit einer hydrodynamischen Kupplung zu verbauen. Aus der
DE 10 2017 128 362 A1 ist ein derartiges Anfahrmodul bekannt, wobei das Modul als Kupplung oder Retarder verwendbar ist. - Eine Antriebseinheit mit Hybridgetriebe wird in der
DE10 2018 125 082 A1 offenbart. Verbrennungsmaschine und E-Motor sind über ein Planetengetriebe an eine gemeinsame Abtriebswelle angeschlossen. - Vorteil eines derartigen Antriebsstrangs ist es, dass das der E-Motor als Antrieb, Antriebsunterstützung oder als Retarder bzw. Generator verwendet werden kann.
- Die
DE 10 2018 001 471 A1 offenbart ein Konzept, bei dem der E-Motor über eine Kupplung mit dem Planetensatz koppelbar ist. - Ein weiteres Getriebe, welches zwei Antriebsaggregate und zwei Planetengetriebe aufweist, ist aus der
DE 10 2015 006 084 A1 bekannt. Bei diesem System ist das zweite Antriebsaggregat, z.B. eine E-Maschine, mit dem Planetenträger beider Planetensätze gekoppelt. - An modernen Hybridantrieben für Kraftfahrzeuge sind folgende Funktionen nützlich und bereits einzeln realisiert: - elektrisch Anfahren,
- - Bremsen bzw. Rekuperation,
- - Starten des Verbrennungsmotors
- - Boosten des Verbrennungsmotors
- Um diese Funktionen umzusetzen sind viele Konzepte bekannt, bei denen unterschiedliche Komponenten zum Einsatz kommen:
- - Lamellen- oder Trockenkupplung (lösbare Kupplung),
- - Scheibenbremse und Retarder,
- - Anlasser, z.B. Gleichstrommotor 24V DC, mit Akku
- - verschiedenste Getriebekonzepte
- Nachteil des Stands der Technik ist es, dass vorgenannte Funktionen bzw. Modi häufig isoliert und nur teilweise realisiert werden. Synergieeffekte werden weitgehend nicht genutzt.
- Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte E-Motorgetriebeeinheit vorzuschlagen, mit der ein verbesserter Fahrzeugbetrieb ermöglicht wird.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
- Es wird eine E-Motorgetriebeeinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor vorgeschlagen, der einen ersten Planetenradsatz, umfassend eine Eingangswelle, an die der Verbrennungsmotor koppelbar ist, und einen zweiten Planetenradsatz, umfassend eine Ausgangswelle, die mit Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs koppelbar sind, umfasst, wobei der erste Planetenradsatz und der zweite Planetenradsatz jeweils Planetenräder aufweisen, die auf mindestens zwei gemeinsamen Planetenwellen zueinander drehfest angeordnet sind. Weiterhin ist der Planetenträger mit einer elektrischen Maschine gekoppelt oder koppelbar.
- Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Planetenträger auf der Eingangswelle und der Ausgangswelle um eine gemeinsame Achse drehbar gelagert ist. Dadurch werden Betriebsmodi möglich, die mit den bekannten Lösungen nicht umsetzbar sind.
- Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle eine Differentialsperre vorgesehen ist, durch die eine Sperrung der Planetensätze ermöglicht wird. Unter der Differentialsperre wird auch eine mechanische Durchschaltung bzw. eine Lock up Funktion verstanden. Hier sind unterschiedliche Ausführungen möglich. So kann die Differentialsperre eine Kupplung oder Bremse zwischen dem Planetenträger und der Eingangswelle oder der Ausgangswelle sein.
- Weiterhin kann die Differentialsperre eine Kupplung oder Bremse zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle sein. Alternativ kann die Differentialsperre eine Kupplung oder Bremse zwischen Planetenträger und mindestens einer der Planetenwellen sein. Alternativ kann die Differentialsperre weiter eine Kupplung oder Bremse zwischen Eingangswelle und Gehäuse sein.
- In einer bevorzugten Ausführung ist die elektrische Maschine radial außerhalb des Planetenträgers angeordnet, wobei der Rotor mit dem Planetenträger drehfest verbunden ist und der Stator mit einem Gehäuse gekoppelt bzw. das Drehmoment gegenüber dem Gehäuse abgestützt ist. Dadurch kann die Bauweise in Axialrichtung gering gehalten werden.
- Weiterhin können die Planetensätze unterschiedliche Übersetzungen aufweisen, so kann die Funktionalität der E-Motorgetriebeeinheit an bestimmte Fahrzeuganforderungen einfach angepasst werden.
- In einer Ausführung kann das Gehäuse ein Zwischengehäuse sein, das zwei Koppelebenen aufweist, so dass es einfach in einen Antriebsstrang eingefügt werden kann.
- Die elektrische Maschine kann ein Torquemotor mit hohem Drehomonent im Anfahrbereich kombiniert mit einem erweiterten Drehzahlbereich im Feldschwächebetrieb sein. Diese Motoren haben den Vorteil, dass vorgenannte Funktionen bei vergleichsweise kleiner Motorgröße, kostengünstiger (geringere Leistung) realisiert werden können.
- Im Antriebsstrang ist das Gehäuse der E-Motorgetriebeeinheit vorzugsweise als Zwischengehäuse ausgeführt, das zwischen den Gehäusen von Verbrennungsmotor und Getriebe in den Antriebsstrang eingebaut ist. Eine Kopplung erfolgt vorzugsweise über die Koppelebenen.
- Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
- Die Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1 E -Motorgetriebeeinheit -
2 Antriebsstrang mit E-Motorgetriebeeinheit - In
1 ist die E-Motorgetriebeeinheit 1 dargestellt. Die E-Motorgetriebeeinheit 1 umfasst einen ersten Planetenradsatz 8a und einen zweiten Planetenradsatz 8b, wobei beide Planetensätze ohne ein Hohlrad ausgeführt sind. - Ein Planetensatz setzt sich somit jeweils aus einem Sonnenrad 11 oder 12 und einen Satz Planetenräder 9a, b oder 10a, b, die jeweils mit den Sonnenräder 11/12 kämmend im Einsatz stehen, zusammen. Am Planetenträger 15 sind auf den Umfang verteilt mindestens zwei Planetenachsen 13a, b drehbar gelagert montiert.
- Je nach gewünschtem Einsatzzweck können die Planetensätze 8a, b die gleiche oder unterschiedliche Übersetzungen aufweisen, wobei die auf einer Planetenachse 13a, b angeordneten Planetenräder, wie z.B. 9a und 10a, zueinander drehfest verbunden sind bzw. drehfest mit der Planetenwelle verbunden sind.
- Bei einer Antriebsanordnung, bei welcher das in
1 gezeigte Getriebe zum Einsatz kommt, greift demnach ein erstes Antriebsaggregat, der Verbrennungsmotor 16, an der Eingangswelle 3 an und das zweite Antriebsaggregat, die elektrische Maschine 17, greift am Planetenträger 15 an. Die Ausgangswelle 4 ist direkt oder indirekt mit einer Antriebsachse eines KFZ's verbunden. - Um eine verbesserte Einsatzfähigkeit zu erreichen, ist der Planetenträger 15 über die Lager 5 auf der Eingangswelle 3 und der Ausgangswelle 4 drehbar um die gemeinsame Achse 19 gelagert.
-
2 zeigt beispielhaft einen Antriebsstrang 22 für ein KFZ. Dabei ist die Eingangswelle 3 vom Verbrennungsmotor 16 antreibbar und die Ausgangswelle ist mit den Antriebsrädern über ein weiteres Getriebe 21 verbunden. - Bei der E-Motorgetriebeeinheit 1 handelt es sich um ein sogenanntes Überlagerungsantrieb, welches eine E-Maschine umfasst, die am Planetenträger 15 angreift bzw. mit diesem gekoppelt ist. Die vorzugsweise verwendeten E-Maschine kann ein Torquemotor sein, der den Vorteil aufweist, dass im Anfahrbereich ein hohes Drehmoment und im Nennbetrieb dennoch Leistung für Brems- und Boostbetrieb bereitgestellt werden kann.
- Ein weiteres wesentliches Element der E-Motorgetriebeeinheit ist eine Differentialsperre 20, die als Bremse, Arretierung oder Kupplung ausgeführt sein kann. Die Differentialsperre 20 ist in
1 zwischen Ausgangswelle 4 und Planetenträger 15 angeordnet. Die Differentialsperre 20 bewirkt an dieser Position, dass eine direkte Kopplung von Eingangswelle 3 und Ausgangwelle 4 erfolgt, so dass eine Relativverdrehung zwischen Ausgangswelle 4 und Planetenträgers 15 blockiert werden kann. Alternativ kann diese Relativverdrehung auch dadurch verhindert werden, dass die Differentialsperre 20 zwischen Eingangswelle 3 und Planetenträger 15, zwischen der Eingangswelle 3 und der Ausgangswelle 4 oder zwischen Planetenträger 15 und den gekoppelten Planetenrädern 9a, 10a angeordnet ist. - Die Differentialsperre bewirkt, dass unterschiedliche Antriebs- oder Kraftflüsse umsetzbar sind und die beiden Antriebsmotoren 16, 17 unterschiedlich betrieben werden können. Der Verbrennungsmotor 16 kann zwar nur in einer Drehrichtung betrieben werden, dennoch ist es über die Motorsteuerung möglich, unterschiedliche Drehzahlen und Drehmomente auf die Eingangswelle 3 wirken zu lassen. Zum Anlassen des Verbrennungsmotors 16 müsste ein Drehmoment an der Eingangswelle eingebracht werden.
- Die E-Maschine 17 kann als Antriebsmotor oder als Generator eingesetzt werden, so dass der Planetenträger 15 gebremst oder beschleunigt wird. Auch ein Leerlaufbetrieb ist denkbar, bei welcher die E-Maschine als Generator elektrische Energie z.B. für Anbaumaschinen im Landwirtschaftssektor bereitstellt
- Aber nicht nur über die Antriebe 16, 17 sondern auch über die Ausgangswelle 4 können Drehmomente in die E-Motorgetriebeeinheit 1 eingeleitet werden. So kann zum Bremsen des Kraftfahrzeugs das Generatormoment und/oder das Schleppmoment des Verbrennungsmotors genutzt werden um ein verschleißfreies Bremsen zu ermöglichen.
- Bei offener Differentialsperre können die Drehzahlen von Eingangswelle 3 und Ausgangswelle 4 unterschiedlich sein, je nach dem in welchem Modus sich die E-Motorgetriebeeinheit 1 befindet. Wie groß der Drehzahlunterschied ist hängt vom Übersetzungsverhältnis ab, welches für die beiden Planetensätze 8a, b gewählt wird.
- Die erfindungsgemäße E-Motorgetriebeeinheit 1 kann in folgende Modi geschaltet werden:
- 1) Stillstand des Kraftfahrzeugs:
- a) Starten des Verbrennungsmotors 16:
- -> durch das Fixieren der Ausgangswelle (z.B. durch Feststellbremse geschlossen), kann die E-Maschine 17 als Anlasser verwendet werden
- b) E-Maschine in Generatorfunktion:
- -> bei laufendem Verbrennungsmotor 16 und fixierter Ausgangswelle (z.B. durch Feststellbremse) kann die E-Maschine 17 als Generator verwendet werden
- a) Starten des Verbrennungsmotors 16:
- 2) Anfahren / Fahren des Kraftfahrzeugs
- a) E-Maschine als Überlagerungsantrieb
- -> mittels der E-Maschine erfolgt eine Drehzahlanpassung zwischen Eingangswelle 3 und Ausgangswelle 4
- b) E-Maschine zum Anfahren ohne Verbrennungsmotor 16
- -> der Verbrennungmotor 16 ist aus, so dass die Eingangswelle steht, die E-Maschine17 treibt über Planentensätze nur die Ausgangswelle 4 an
- c) Boosten der Verbrennungsmaschine mit aktiver Differentialsperre 20
- -> Durch die Differentialsperre 20 werden die Eingangs- und Ausgangswelle direkt gekoppelt und die E-Maschine kann zur Unterstützung der Antriebsleistung herangezogen werden.
- a) E-Maschine als Überlagerungsantrieb
- 3) Bremsen des Kraftfahrzeugs
- a) E- Maschine 17 als Generator - Differentialsperre 20 offen
- -> die Drehzahl der Ausgangswelle wird ins Schnelle übersetzt, so dass das wesentliche Bremsmoment über die E-Maschine erzeugt wird.
- b) E-Maschine 17 als Generator - Differentialsperre 20 geschlossen
- -> der Bremsmoment wird von E-Maschine 17 und Verbrennungsmotor 16aufgebracht
- a) E- Maschine 17 als Generator - Differentialsperre 20 offen
- 4) verbesserten Schalten eines nachgelagerten Getriebes durch aktive Drehzahlanpassung (Synchronisierung) mit dem elektrischen Generator
- Alle in Kurzform beschriebenen Modi können besonders vorteilhaft mit einer erfindungsgemäßen E-Motorgetriebeeinheit geschaltet werden. Der Betriebsmodi „E-Maschine 17 im Überlagerungsbetrieb“ bietet neben den genannten Modi noch weitere Eingriffsmöglichkeiten im Fahrbetrieb. Entsprechend der Wahl der Übersetzungsverhältnisse in den Planetensätze 8a, b kann eine unterschiedlich große Über- oder Untersetzung im Fahrbetrieb erfolgen oder sogar eine Drehrichtungsänderung der Ausgangswelle erreicht werden, so dass ein Rückwärtsgang im nachfolgenden Getriebe 21 überflüssig ist. Für die Überlagerungsfunktion wird die E-Maschine genutzt, durch die das Drehzahlverhältnis zwischen Eingangswelle 3, die im Fahrbetrieb von der Verbrennungsmotordrehzahl abhängt, und Ausgangswelle 4 veränderbar ist.
- Damit werden die allgemeinen Grundprobleme bzw. Anforderungen beim Betrieb von Fahrzeugen abgedeckt.
- • Durch die gegebene Untersetzung wird insbesondere der „lange 1. Gang“ für Stadtbusse weiterhin verfügbar sein und zusätzlich Bremsenergie bzw.-Rekuperation und kurzes rein elektrisches Fahren, z.B. bei dicht aufeinanderfolgenden Haltestellen, ermöglicht
- • Für z.B. Müllfahrzeuge ist eine vollektrischer Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten und häufigem Start/Stop-Betrieb denkbar inkl. Bremsenergierückgewinnung
- • Für den Bereich Bau- und Landmaschinen besteht die Möglichkeit, stationär Strom zu erzeugen (400V Genset), z.B. für elektrische Anbaumaschinen wie Sägen und Holzspalter
- • Schwerlastfahrzeuge können mit hohem Drehmoment angefahren und komfortabel mit langsamer Geschwindigkeit rangiert werden
- Die E-Motorgetriebeeinheit 1 kann als separates Modul in den Antriebsstrang 22 eingebaut werden. Durch die spezielle Bauweise ist es möglich, den zusätzlichen Raumbedarf in Längsrichtung des Antriebsstrangs 22 gering zu halten. Alternativ ist auch eine Integration in eines der benachbarten Gehäuse denkbar.
- Ein Planetensatz kann wie allgemein bekannt auch mehr als die dargestellten Planetenräder 9a, b oder 10a, b aufweisen. Üblich sind auch drei oder mehr Planetenräder.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- E-Motorgetriebeeinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Eingangswelle
- 4
- Ausgangswelle
- 5
- Lager
- 6
- Stator
- 7
- Rotor
- 8a, b
- Planetensatz
- 9a, b,..
- Planetenrad
- 10a, b,..
- Planetenrad
- 11
- Sonnenrad
- 12
- Sonnenrad
- 13a, b,..
- Planetenwellen
- 14a, b
- Koppelebene
- 15
- Planetenträger
- 16
- Verbrennungsmotor
- 17
- elektrische Maschine
- 18
- Antriebsräder
- 19
- Achse
- 20
- Differentialsperre
- 21
- Getriebe
- 22
- Antriebsstrang
- 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 102017128362 A1 [0002]
- DE 102018125082 A1 [0003]
- DE 102018001471 A1 [0005]
- DE 102015006084 A1 [0006]
Claims (10)
- E-Motorgetriebeeinheit (1) für einen Antriebsstrang (22) eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor (16), mit einem ersten Planetenradsatz (8a), umfassend eine Eingangswelle (3) an die der Verbrennungsmotor (16) koppelbar ist, mit einem zweiten Planetenradsatz (8b), umfassend eine Ausgangswelle (4) die mit Antriebsrädern (18) des Kraftfahrzeugs koppelbar ist, wobei der erste Planetenradsatz (8a) und der zweite Planetenradsatz (8b) jeweils Planetenräder (9a, b; 10a, b) aufweisen, die auf mindestens zwei gemeinsamen Planetenwellen (13a, b) zueinander drehfest angeordnet sind und wobei der Planetenträger (15) mit einer elektrischen Maschine (17) gekoppelt oder koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (8) auf der Eingangswelle (3) und der Ausgangswelle (4) um eine gemeinsame Achse (19) drehbar gelagert ist.
- E-Motorgetriebeeinheit (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Eingangswelle (3) und Ausgangswelle (4) eine Differentialsperre (20) vorgesehen ist. - E-Motorgetriebeeinheit (1) nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialsperre (20) eine Kupplung oder Bremse zwischen dem Planetenträger (15) und der Eingangswelle (3) oder Ausgangswelle (4) ist. - E-Motorgetriebeeinheit (1) nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialsperre (20) eine Kupplung oder Bremse zwischen der Eingangswelle (3) und der Ausgangswelle (4) ist. - E-Motorgetriebeeinheit (1) nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialsperre (20) eine Kupplung oder Bremse zwischen dem Planetenträger (15) und mind. einer der Planetenwellen (13a, b) ist. - E-Motorgetriebeeinheit (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (15) radial außerhalb des Planetenträgers (15) angeordnet ist, wobei der Rotor (7) mit dem Planetenträger (15) drehfest verbunden ist und der Stator (6) mit einem Gehäuse (2) gekoppelt ist. - E-Motorgetriebeeinheit (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Planetensätze (8a, b) unterschiedliche Übersetzungen aufweisen. - E-Motorgetriebeeinheit (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine Zwischengehäuse mit zwei Koppelebenen (14a, b) ist. - E-Motorgetriebeeinheit (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (17) ein Torquemotor ist. - Antriebsstrang mit E-Motorgetriebeeinheit (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis9 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) der E-Motorgetriebeeinheit (1) ein Zwischengehäuse ist, das zwischen den Gehäusen von Verbrennungsmotor (16) und Getriebe (21) in den Antriebsstrang (22) eingebaut ist.
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DE102020125347A1 true DE102020125347A1 (de) | 2022-03-31 |
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2020
- 2020-09-29 DE DE102020125347.8A patent/DE102020125347A1/de active Pending
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