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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung für einen elektrischen Achsantriebsstrang eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, umfassend ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad und mehreren mit dem Sonnenrad in Eingriff stehende und in einem Planetenradträger drehbar gelagerten Planetenrädern, die sich rotatorisch um das Sonnenrad bewegen, sowie ein koaxial zum Sonnenrad angeordnetes Hohlrad, in welchem die Planetenräder wälzen, wobei das Hohlrad an seiner radial äußeren Mantelfläche eine erste Passverzahnung aufweist, in die eine korrespondierende zweite Passverzahnung eines zylinderringförmigen Blechrings eingreift, so dass ein Drehmoment zwischen dem Hohlrad und dem Blechring übertragbar ist.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge, der wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferenzial oder Stirnradifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Aus der
DE 10 2010 048 837 A1 ist eine derartige Antriebsvorrichtung mit wenigstens einem Elektromotor und mindestens einem mit einem Rotor des Elektromotors antreibbaren Planetendifferenzial bekannt, wobei das Planetendifferenzial wenigstens einen Planententräger, der mit einem Rotor des Elektromotors wirkverbunden ist, erste Planetenräder und zweite Planetenräder, die drehbar an dem Planetenträger gelagert sind, sowie ein erstes Sonnenrad und ein zweites Sonnenrad, von denen jedes jeweils mit einer Abtriebswelle des Planetendifferenzials wirkverbunden ist, aufweist. Dabei stehen die ersten Planetenräder mit dem ersten Sonnenrad im Zahneingriff und steht jedes der zweiten Planetenräder mit dem zweiten Sonnenrad sowie mit einem der ersten Planetenräder im Zahneingriff. Ferner sind die Sonnenräder koaxial einer Rotationsachse des Rotors angeordnet.
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In der
DE 10 2016 216 802 A1 wird eine andere Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebsmaschine beschrieben, die über eine Antriebswelle mit einer Getriebevorrichtung, umfassend ein Wellgetriebe und ein Differentialgetriebe, wirkverbunden ist.
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Insbesondere die in derartigen E-Achsen verbauten Planetengetriebe sind fertigungs- und montagetechnisch sehr anspruchsvoll und entsprechend kostspielig in der Herstellung und Assemblierung, so dass hier ein grundsätzlich anhaltendes Bedürfnis besteht, derartige Getriebeanordnungen bei einer hohen geforderten Betriebssicherheit fertigungstechnisch zu vereinfachen.
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Bei den genannten Planetengetrieben wird beispielsweise die Drehmomentübertragung an der äußeren Mantelfläche des Hohlrads mittels einer sog. „Passverzahnung“, welche auch gelegentlich als „Mitnahmeverzahnung“ bzw. „Keilverzahnung“ bezeichnet wird, gelöst. Über ein aus Blech in diese Passverzahnung des Hohlrads eingreifende Bauteilstruktur kann dann ein Drehmoment zwischen dieser und dem Hohlrad übertragen werden. Derartige aus einem Blech geformte und so fertigungstechnisch optimierte Passverzahnungen können jedoch nur schwierig mit einem Keilwinkel von 0° gefertigt werden. Es haben sich daher in der Praxis Keilwinkel von ca. 30° bewährt.
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Durch die Form der Passverzahnung ergibt sich jedoch auch der Nachteil, dass diese Konstruktion besonders empfindlich gegenüber Umfangsspannungen ist. Eine Umfangsspannung wird bei einer Passverzahnung durch die dort wirkenden Radialkräfte ergebend aus dem Keilwinkel erzeugt. Damit können geformte Passverzahnungen aus Blech nur bedingt Drehmomente übertragen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Getriebeanordnung für einen elektrischen Achsantriebsstrang eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs bereitzustellen, die eine verbesserte Drehmomentübertragung zwischen einem Hohlrad und einer mit dem Hohlrad gekoppelten Bauteilstruktur realisiert.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Getriebeanordnung für einen elektrischen Achsantriebsstrang eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, umfassend ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad und mehreren mit dem Sonnenrad in Eingriff stehende und in einem Planetenradträger drehbar gelagerten Planetenrädern, die sich rotatorisch um das Sonnenrad bewegen, sowie ein koaxial zum Sonnenrad angeordnetes Hohlrad, in welchem die Planetenräder wälzen, wobei das Hohlrad an seiner radial äußeren Mantelfläche eine erste Passverzahnung aufweist, in die eine korrespondierende zweite Passverzahnung eines zylinderringförmigen Blechrings eingreift, so dass ein Drehmoment zwischen dem Hohlrad und dem Blechring übertragbar ist, wobei an der radial äußeren Mantelfläche des Blechrings ein Druckring zur Aufnahme von Radialkräften angeordnet ist.
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Die Versteifung des Blechrings kann erfindungsgemäß mittels eines Druckrings, der über den Außendurchmesser des Blechrings gestülpt wird, realisiert werden. Dabei kann je nach Anwendung entschieden werden, welche radiale Stärke der Druckring aufweisen soll, um eine gewisse Steifigkeit und somit Drehmomentübertragung zu erreichen. Dabei nimmt der Druckring bevorzugt annähernd die gesamten Radialkräfte auf und der Blechring mit der Passverzahnung das Drehmoment.
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Somit kann in vorteilhafter Weise ein leichter sowie kostengünstig herstellbarer Blechring zur Drehmomentübertragung zwischen dem Hohlrad und einem nit dem Hohlrad verbundenen Bauteil bereitgestellt werden. In gleicher Weise ist der Druckring als ein leichter und kostengünstig herstellbarer Ring zur Radialkraftabstützung zu realisieren. Beide Bauteile können bevorzugt aus einer Blechumformung hervorgehen.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und eine Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Maschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung der Getriebeanordnung gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
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Die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung können auch in einem Antriebsstranggehäuse aufgenommen sein. Das Antriebsstranggehäuse ist zumindest zur Aufnahme der elektrischen Maschine und der Getriebeanordnung vorgesehen.
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Das Antriebsstranggehäuse ist bevorzugt aus einem metallischen Material, insbesondere bevorzugt aus Aluminium, Grauguss oder Stahlguss, insbesondere mittels einem Urformverfahren wie Gießen oder Druckguss geformt. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, das Antriebsstranggehäuse aus einem Kunststoff zu bilden.
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Das Antriebsstranggehäuse kann insbesondere bevorzugt eine topfartige Grundform aufweisen, so dass die elektrische Maschine und das Getriebe über die offene Stirnseite des Antriebsstranggehäuses in dieses eingesetzt werden können.
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Eine elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfasst in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
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Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung kann die elektrische Maschine als Radial- oder Axialflussmaschine ausgebildet sein. Um einen axial besonders kompakt bauende Achsantriebsstrang auszubilden, sind Axialflussmaschinen zu bevorzugen.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Die Getriebeanordnung des elektrischen Achsantriebsstrangs ist insbesondere mit der elektrischen Maschine koppelbar, welche zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für das Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Bei dem Antriebsdrehmoment handelt es sich besonders bevorzugt um ein Hauptantriebsdrehmoment, sodass das Kraftfahrzeug ausschließlich durch das Antriebsdrehmoment angetrieben wird.
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Die Getriebeanordnung kann ein Differentialgetriebe aufweisen. Ein Differentialgetriebe kann insbesondere ein Planetengetriebe mit einem Antrieb und zwei Abtrieben sein. Es hat üblicherweise die Funktion, zwei Fahrzeugräder eines Kraftfahrzeugs so anzutreiben, dass sie in Kurven unterschiedlich schnell, aber mit gleicher Vortriebskraft drehen können.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Differentialgetriebe als Stirnraddifferentialgetriebe ausgebildet ist. Alternativ hierzu kann es des Weiteren gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Differentialgetriebe als Kegelraddifferentialgetriebe ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Getriebeanordnung eine Schaltvorrichtung umfasst, mittels derer eine Rotation von Getriebeelementen gesperrt, abgebremst oder freigegeben werden können. Die Schaltvorrichtung kann hierzu insbesondere eine Kupplungsanordnung aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, dass die Kupplungsanordnung als Lamellenkupplung ausgebildet ist. Die Kupplungsanordnung kann auch als Bremse konfiguriert sein, wobei dann die Innenlamellen oder die Außenlamellen des Lamellenpakets der Kupplungsanordnung drehfest gegenüber dem Rotor der elektrischen Maschine, beispielsweise an einem Gehäusebauteil, gelagert sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Druckring aus einem metallischen Blech gebildet ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Druckring im Axialschnitt eine im Wesentlichen rechteckförmige Kontur aufweist. Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Druckring im Axialschnitt eine im Wesentlichen trapezförmige Kontur aufweist, so dass dieser außer der Festigkeit noch die Steifigkeit des Blechrings verbessert. Durch die Verbesserung der Steifigkeit verbessert sich das Tragverhalten der Passverzahnungen als auch der Laufverzahnungen das zur Bauraumeinsparung als auch zur Kosteneinsparung führt.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Druckring in Axialrichtung in etwa mittig zum Hohlrad positioniert ist. Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Druckring in Axialrichtung versetzt zur Mitte des Hohlrad positioniert ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der zylinderringförmige Blechring an seiner radial äußeren Mantelfläche eine im Querschnitt von der Kreisform abweichende Kontur aufweist, die insbesondere bevorzugt im Wesentlichen der zweiten Passverzahnung des Blechrings entspricht. Hierdurch kann erreicht werden, dass zum einen eine fertigungstechnisch einfache Blechumformung zur Herstellung des Blechrings verwendet und zum anderen das Gewicht des Blechrings möglichst geringgehalten werden kann.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Blechring einen ersten Ringabschnitt und einen zweiten Ringabschnitt aufweist, die zueinander in Radialrichtung versetzt angeordnet sind, wobei der Druckring an dem ersten, mit dem Hohlrad gekoppelten Ringabschnitt des Druckrings anliegt. Hierdurch kann auch die Anbindung eines sich auf einem anderen radialen Durchmesser befindlichen Bauteils realisiert werden.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der zweite Ringabschnitt mit einem Lamellenträger einer Lamellenkupplung verbunden ist, so dass die Rotation des Hohlrads schaltbar gesperrt und/oder freigegeben werden kann. Dabei kann der radial gestufte Blechring bevorzugt auf dem Lamellenträger der Lamellenkupplung aufgepresst oder lose mit einer Fixierung an diesem angebracht sein. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass der zweite Ringabschnitt einstückig, insbesondere auch monolithisch mit dem Lamellenträger ausgeformt ist und so den Lamellenträger ausbildet. Auch kann es vorgesehen werden, dass an der radial inneren Mantelfläche des zweiten Ringabschnitts ein Druckring zur Aufnahme von Radialkräften angeordnet ist, wodurch die Drehmomentübertragung weiter optimiert werden kann. Der Druckring des zweiten Ringabschnitts kann dabei im Wesentlichen die gleichen Merkmale wie der Druckring des Planetengetriebes aufweisen.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der Druckring mittels einer Presspassung an dem Blechring befestigt ist, so dass dieser auch in axialer Richtung an dem Blechring fixiert ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Getriebeanordnung in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 2 eine erste Ausführungsform einer Getriebeanordnung in einer schematischen Querschnittansicht,
- 3 einen Blechring und einen Druckring in perspektivischen Darstellungen,
- 4 eine zweite Ausführungsform einer Getriebeanordnung in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 5 eine dritte Ausführungsform einer Getriebeanordnung in einer schematischen Axialschnittansicht, und
- 6 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Achsantriebsstrang in einer schematischen Blockschaltansicht.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Getriebeanordnung 1 für einen elektrischen Achsantriebsstrang 2 eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs 3, wie es exemplarisch in der 6 skizziert ist.
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Die Getriebeanordnung 1 umfasst ein Planetengetriebe 4 mit einem Sonnenrad und mehreren mit dem Sonnenrad in Eingriff stehende und in einem Planetenradträger 6 drehbar gelagerten Planetenrädern 7, die sich rotatorisch um das Sonnenrad bewegen, sowie ein koaxial zum Sonnenrad angeordnetes Hohlrad 8, in welchem die Planetenräder 7 wälzen.
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Das Hohlrad 8 weist an seiner radial äußeren Mantelfläche 9 eine erste Passverzahnung 10 auf, in die eine korrespondierende zweite Passverzahnung 11 eines zylinderringförmigen Blechrings 12 eingreift, so dass ein Drehmoment zwischen dem Hohlrad 8 und dem Blechring 12 übertragbar ist, was auch gut aus der Zusammenschau mit der 2 hervorgeht. Der zylinderringförmige Blechring 12 besitzt an seiner radial äußeren Mantelfläche 17 eine im Querschnitt von der Kreisform abweichende Kontur 18, die im Wesentlichen der zweiten Passverzahnung 11 des Blechrings 12 entspricht. An der radial äußeren Mantelfläche 13 des Blechrings 12 ist ein aus einem metallischen Blech gebildeter Druckring 14 zur Aufnahme von Radialkräften 15 angeordnet. Der Druckring 14 ist mittels einer Presspassung an dem Blechring 12 befestigt.
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Der Blechring 12 besitzt einen ersten Ringabschnitt 19 und einen zweiten Ringabschnitt 20, die zueinander in Radialrichtung versetzt angeordnet sind, wobei der Druckring 14 an dem ersten, mit dem Hohlrad 8 gekoppelten Ringabschnitt 19 des Druckrings 14 anliegt. Der zweite Ringabschnitt 19 ist mit einem Lamellenträger 20 einer Lamellenkupplung 21 verbunden, so dass die Rotation des Hohlrads 8 über den Blechring 12 durch die Lamellenkupplung 21 gesperrt werden kann. An der radial inneren Mantelfläche des zweiten Ringabschnitts 19 ist ebenfalls ein Druckring 22 zur Aufnahme von Radialkräften 15 angeordnet.
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In der in der 1 gezeigten Ausführungsform weist der Druckring 14 im Axialschnitt eine im Wesentlichen rechteckförmige Kontur aufweist. Wie in der 4 dargestellt, kann der Druckring 14 im Axialschnitt auch eine im Wesentlichen trapezförmige Kontur aufweisen, um neben der Festigkeit auch die Steifigkeit des Bauteils zu verbessern.
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Anders als in der 1, in der der Druckring 14 in Axialrichtung in etwa mittig zum Hohlrad 8 positioniert ist, ist es auch möglich, den Druckring 14 in Axialrichtung versetzt zur Mitte 16 des Hohlrad 8 anzuordnen, was in der 5 wiedergegeben ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebeanordnung
- 2
- Achsantriebsstrang
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Planetengetriebe
- 6
- Planetenradträger
- 7
- Planetenrädern
- 8
- Hohlrad
- 9
- Mantelfläche
- 10
- Passverzahnung
- 11
- Passverzahnung
- 12
- Blechrings
- 13
- Mantelfläche
- 14
- Druckring
- 15
- Radialkräften
- 16
- Mitte
- 17
- Mantelfläche
- 18
- Kontur
- 19
- Ringabschnitt
- 20
- Ringabschnitt
- 21
- Lamellenkupplung
- 22
- Druckring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010048837 A1 [0004]
- DE 102016216802 A1 [0005]
