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DE102022203203B4 - Getriebe für E-Achse - Google Patents

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DE102022203203B4
DE102022203203B4 DE102022203203.9A DE102022203203A DE102022203203B4 DE 102022203203 B4 DE102022203203 B4 DE 102022203203B4 DE 102022203203 A DE102022203203 A DE 102022203203A DE 102022203203 B4 DE102022203203 B4 DE 102022203203B4
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planetary gear
electric
gear
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electric transmission
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Peter Ziemer
Bernard Hunold
Eckhardt Luebke
Thomas Riedisser
Thomas Schneider
Martin Brehmer
Thomas Martin
Michael Wechs
Fabian Kutter
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ZF Friedrichshafen AG
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Abstract

Elektrogetriebe (16) für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit:einer Getriebeeingangswelle (24) zum Wirkverbinden des Elektrogetriebes (16) mit einer elektrischen Antriebsmaschine (14) des Kraftfahrzeugs (10);einem Reduziergetriebe (26) zum Reduzieren einer Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine (14);einem Schaltgetriebe (28) zum Einrichten von Gangstufen umfassend einen ersten Planetenradsatz (RS1) und einen zweiten Planetenradsatz (RS2);einer ersten Ausgangswelle (34) und einer zweiten Ausgangswelle (36) zum Übertragen von Antriebsleistung aus dem Elektrogetriebe (16); undmehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen (B, C, D) zum Einlegen der Gangstufen; wobeiein Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes (RS1) antriebswirksam mit einem Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes (RS2) verbunden ist,ein Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes (RS1) antriebswirksam mit einem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes (RS2) verbunden ist; unddas Elektrogetriebe (16) genau drei Schaltelemente (B, C, D) umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrogetriebe, einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang, ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Fahrzeuge werden zunehmend mit Hybrid-Antrieben, d. h. mit wenigstens zwei verschiedenen Antriebsquellen ausgestattet. Hybrid-Antriebe können zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen beitragen. Es haben sich weitgehend Antriebsstränge mit einem Verbrennungsmotor und einem oder mehreren Elektromotoren als Parallelhybrid oder als Mischhybrid durchgesetzt. Derartige Hybrid-Antriebe weisen im Kraftfluss eine im Wesentlichen parallele Anordnung des Verbrennungsmotors und des Elektroantriebs auf. Hierbei können sowohl eine Überlagerung der Antriebsmomente als auch eine Ansteuerung mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb oder rein elektromotorischem Antrieb ermöglicht werden. Da sich die Antriebsmomente des Elektroantriebs und des Verbrennungsmotors je nach Ansteuerung addieren können, ist eine vergleichsweise kleinere Auslegung des Verbrennungsmotors und/oder dessen zeitweise Abschaltung möglich. Hierdurch kann eine signifikante Reduzierung der CO2-Emissionen ohne nennenswerte Leistungs- bzw. Komforteinbußen erreicht werden. Die Möglichkeiten und Vorteile eines Elektroantriebs können somit mit den Reichweiten-, Leistungs- und Kostenvorteilen von Brennkraftmaschinen verbunden werden.
  • Ein Nachteil der oben genannten Hybrid-Antriebe besteht in einem im Allgemeinen komplexeren Aufbau, da beide Antriebsquellen vorzugsweise mit nur einem Getriebe Antriebsleistung auf eine Antriebswelle übertragen. Hierdurch sind derartige Getriebe meist aufwendig und kostenintensiv in der Produktion. Eine Reduzierung der Komplexität im Aufbau eines Hybridgetriebes geht meistens mit einer Einbuße an Variabilität einher.
  • Dieser Nachteil kann zumindest teilweise mittels dedizierter Hybridgetriebe oder „Dedicated Hybrid Transmissions“ (DHT) überwunden werden, bei denen eine elektrische Maschine in das Getriebe integriert wird, um den vollen Funktionsumfang darzustellen. Beispielsweise kann im Getriebe insbesondere der mechanische Getriebeteil vereinfacht werden, etwa durch Entfall des Rückwärtsgangs, wobei stattdessen mindestens eine elektrische Maschine genutzt wird.
  • Dedizierte Hybridgetriebe können aus bekannten Getriebekonzepten hervorgehen, also aus Doppelkupplungsgetrieben, Wandler-Planetengetrieben, stufenlosen Getrieben (CVT) oder automatisierten Schaltgetrieben. Die elektrische Maschine wird dabei zum Teil des Getriebes.
  • Eine weitere Möglichkeit, einen Antriebsstrang effizient zu einem Hybrid-Antriebsstrang zu erweitern, stellt eine sogenannte elektrische Achse oder E-Achse dar. Hierbei wird eine Nicht-Haupt-Antriebsachse durch eine elektrische Antriebsmaschine und vorzugsweise unter Verwendung eines Getriebes angetrieben. Es versteht sich, dass die elektrische Achse mit einem reinen Verbrennungsantrieb oder einem Hybrid-Antrieb kombiniert werden kann.
  • Die Offenlegungsschrift DE 10 2019 217 155 A1 betrifft einen elektrischen Antrieb für ein Fahrzeug mit zumindest einer elektrischen Maschine, die eine Antriebswelle antreibt, die über ein erstes Planetengetriebe und ein zweites Planetengetriebe zum Realisieren zumindest einer ersten Gangstufe und einer zweiten Gangstufe mit einem Abtriebsdifferential zum Antrieb von zumindest zwei Abtriebswellen gekoppelt ist. Die Antriebswelle und die Abtriebswellen sind koaxial angeordnet. Die Antriebswelle ist mit einem Sonnenrad des ersten Planetengetriebes und mit einem Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes gekoppelt, wobei ein Planetenradträger des ersten Planetengetriebes und des zweiten Planetengetriebes über ein drittes Planetengetriebe mit dem Abtriebsdifferential gekoppelt ist. Ein Hohlrad des ersten Planetengetriebes ist über ein erstes Schaltelement zum Schalten der ersten Gangstufe mit einem Gehäuse verbindbar. Ein Hohlrad des zweiten Planetengetriebes ist über ein zweites Schaltelement zum Schalten der zweiten Gangstufe mit dem Gehäuse verbindbar. Ferner wird ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb vorgeschlagen.
  • Aus den Offenlegungsschriften DE 10 2012 220 517 A1 und DE 10 2016 213 709 A1 sind Mehrstufengetriebe bekannt.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich einem Fachmann die Aufgabe des Schaffens eines kosteneffizienten Elektrogetriebes für einen Elektroantrieb mit wenigstens zwei Gangstufen. Bevorzugt soll eine Gesamtspreizung des Elektrogetriebes > 2 sein, wobei ein Gangsprung zwischen zwei benachbarten Gangstufen < 2 sein soll. Insbesondere soll ein Elektrogetriebe für eine elektrische Achse mit einer hochdrehenden elektrischen Antriebsmaschine geschaffen werden.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein Elektrogetriebe für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit:
    • einer Getriebeeingangswelle zum Wirkverbinden des Elektrogetriebes mit einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs;
    • einem Reduziergetriebe zum Reduzieren einer Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine;
    • einem Schaltgetriebe zum Einrichten von Gangstufen umfassend einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz;
    • einer ersten Ausgangswelle und einer zweiten Ausgangswelle zum Übertragen von Antriebsleistung aus dem Elektrogetriebe; und
    • mehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen zum Einlegen der Gangstufen; wobei
    • ein Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes antriebswirksam mit einem Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist,
    • ein Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes antriebswirksam mit einem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist; und
    • das Elektrogetriebe genau drei Schaltelemente umfasst.
  • Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit:
    • einem Elektrogetriebe wie zuvor definiert; und
    • einer elektrischen Antriebsmaschine, die antriebswirksam mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist.
  • Weiterhin gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs wie zuvor definiert.
  • Die obige Aufgabe wird schließlich gelöst von einem Kraftfahrzeug mit einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang wie zuvor definiert und einem Energiespeicher zum Speichern von Energie zum Versorgen der elektrischen Antriebsmaschine.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang, das Kraftfahrzeug sowie das Verfahren entsprechend den für das Elektrogetriebe in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
  • Durch eine Getriebeeingangswelle zum Wirkverbinden des Elektrogetriebes mit einer elektrischen Antriebsmaschine kann technisch einfach ein Einbringen von Antriebsleistung der elektrischen Antriebsmaschine in das Elektrogetriebe erfolgen. Eine Wirkverbindung kann sowohl schaltbar als auch nicht schaltbar ausgeführt sein. Durch ein Reduziergetriebe zum Reduzieren einer Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine kann eine hochdrehende elektrische Antriebsmaschine mit dem Elektrogetriebe verwendet werden. Hierdurch kann insbesondere eine kostengünstige und gewichtsoptimierte elektrische Antriebsmaschine Anwendung finden. Es versteht sich, dass das Reduziergetriebe vor oder nach dem Schaltgetriebe zum Einrichten von Gangstufen im Elektrogetriebe angeordnet werden kann. Durch einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz kann ein kompaktes Elektrogetriebe geschaffen werden. Mittels einer ersten Ausgangswelle und einer zweiten Ausgangswelle zum Übertragen von Antriebsleistung aus dem Elektrogetriebe kann technisch einfach Antriebsleistung aus dem Elektrogetriebe auf zwei Räder einer Achse des Kraftfahrzeugs übertragen werden. Es versteht sich, dass das Elektrogetriebe auch ein Differential, insbesondere ein Ausgleichsgetriebe, umfassen kann. Dadurch, dass ein Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes antriebswirksam mit einem Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist und ein Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes antriebswirksam mit einem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist, kann ein hochkompaktes Elektrogetriebe geschaffen werden, mit dem wenigstens zwei, insbesondere drei Gangstufen technisch einfach einrichtbar sind. Es kann ein sowohl axial als auch radial kompaktes Elektrogetriebe, insbesondere für eine elektrische Achse, geschaffen werden. Insbesondere können mit dem Elektrogetriebe zwei Reduziergänge und ein Direktgang mit einem sehr hohen Wirkungsgrad geschaffen werden. Bevorzugt sind die Standgetriebeübersetzungen der Planetenradsätze jeweils im bautechnisch günstigen Bereich mit einem Betrag von < 2,2.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Schaltelemente zwei Bremsen und eine Kupplung, wobei ein ungekoppeltes Sonnenrad, insbesondere das Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes, mittels einer Kupplung mit der Antriebswelle verbindbar ist und mittels einer ersten Bremse festsetzbar ist, wobei ein ungekoppeltes Hohlrad, insbesondere das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes, mittels einer zweiten Bremse festsetzbar ist. Alternativ umfassen die Schaltelemente eine Bremse und zwei Kupplungen, wobei eine freie Welle über eine erste Kupplung mit einem ungekoppelten Hohlrad, insbesondere dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes, verbindbar ist, die freie Welle über eine zweite Kupplung mit einem ungekoppelten Sonnenrad, insbesondere dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes, verbindbar ist und die freie Welle über die Bremse festsetzbar ist. Eine freie Welle erlaubt insbesondere das Schalten aller im Elektrogetriebe verfügbaren Gangstufen mittels eines einzelnen Aktors. Weiterhin alternativ umfassen die Schaltelemente zwei Bremsen, wobei über eine erste Bremse ein ungekoppeltes Hohlrad, insbesondere das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes, festsetzbar ist und über eine zweite Bremse ein ungekoppeltes Sonnenrad, insbesondere das Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes, festsetzbar ist. Je nach gewünschter Übersetzung der Gangstufen kann so technisch einfach ein Zweigangelektrogetriebe geschaffen werden. Ferner erlaubt die erstgenannte Ausgestaltung das Einlegen jeder Gangstufe durch Schließen eines einzigen Schaltelements.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind mit dem Elektrogetriebe zwei Reduziergänge und ein Direktgang einrichtbar. Ein Direktgang ermöglicht ein hocheffizientes Elektrogetriebe. Durch die Verwendung von Reduziergängen kann eine kosteneffiziente, leichte und hochdrehende elektrische Antriebsmaschine Anwendung finden. Es kann ein Elektrogetriebe für einen platzsparenden und gewichtsoptimierten Antriebsstrang geschaffen werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind der erste Planetenradsatz und der zweite Planetenradsatz radial geschachtelt. Ergänzend sind ein Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes und ein Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes einteilig ausgeführt. Hierdurch kann ein kosteneffizientes und schnell zu fertigendes Elektrogetriebe geschaffen werden. Unter einem geschachtelten Radsatz ist insbesondere zu verstehen, dass die Planetenradsätze ineinander angeordnet sind. Mit anderen Worten kann ein Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes ein Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes bilden. Die Planetenradsätze sind folglich in einer Radsatzebene angeordnet. Hierdurch kann ein äußerst kompaktes und effizientes Elektrogetriebe geschaffen werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kupplungen als formschlüssige Schaltelemente, insbesondere als Klauenschaltelemente, ausgebildet. Hierdurch kann ein verlustarmes und kosteneffizientes Elektrogetriebe geschaffen werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Elektrogetriebe genau drei Schaltelemente. Hierdurch kann ein einfach anzusteuerndes, kompaktes, funktionsumfangreiches Dreigangelektrogetriebe geschaffen werden. Insbesondere ist es vorzugsweise denkbar, die drei Schaltelemente durch einen einzigen Aktor zu aktuieren.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Elektrogetriebe abtriebsseitig ein Differential, insbesondere ein Kugel- oder Stirntriebdifferential. Ergänzend umfasst das Elektrogetriebe ein achsparallel oder koaxial angeordnetes Reduziergetriebe in Form eines Zwei-Steg-Fünfwellen-Getriebes mit integriertem Differential. Hierdurch kann ein Elektrogetriebe geschaffen werden, das technisch einfach antriebswirksam mit einer Kraftfahrzeugachse verbunden werden kann. Ein Reduziergetriebe mit integriertem Differential ermöglicht ein höchst kompaktes Elektrogetriebe. Insbesondere schafft die Kombination eines Reduziergetriebes mit einem Differential ein Elektrogetriebe mit wenig Zahneingriffen, also ein hocheffizientes Elektrogetriebe.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Elektrogetriebe eine Differentialsperre. Hierdurch kann der Funktionsumfang des Elektrogetriebes technisch einfach erweitert werden. Insbesondere kann hierdurch das Elektrogetriebe Anwendung für ein Allradfahrzeug finden, das einen weiteren Antrieb und eine elektrische Achse umfassend ein vorbeschriebenes Elektrogetriebe aufweist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Elektrogetriebe eine Gesamtspreizung von > 2 auf. Unter Gesamtspreizung ist insbesondere das Verhältnis der Übersetzung der niedrigsten Gangstufe zur Übersetzung der höchsten Gangstufe zu verstehen. Eine Gesamtspreizung von > 2 ermöglicht ein großes Anwendungsgebiet für das Elektrogetriebe. Insbesondere kann ein weiter Fahrbereich mit einer vergleichsweise kleinen elektrischen Antriebsmaschine abgedeckt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Gangsprung zwischen zwei benachbarten Gangstufen < 2. Hierdurch kann eine feinstufige Abstufung der einzelnen Gangstufen erfolgen. Vorzugsweise kann die elektrische Antriebsmaschine in einem günstigen Bereich bei nahezu allen Fahrsituationen betrieben werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektrische Antriebsmaschine als Synchronisiermittel während einer Schaltung im Elektrogetriebe ansteuerbar. Hierdurch kann ein effizientes Schalten erfolgen. Weiterhin ermöglicht ein Synchronisiermittel die Verwendung von formschlüssigen Schaltelementen. Insbesondere können kostengünstige Schaltelemente verwendet werden, die kleiner dimensioniert sind, da ein vorheriges Synchronisieren eine Belastung der Schaltelemente beim Schalten reduzieren kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Elektrogetriebe mit einer ersten Kraftfahrzeugachse antriebswirksam verbindbar, wobei eine zweite Kraftfahrzeugachse mit einem weiteren Hybrid-Antrieb verbindbar ist und die elektrische Antriebsmaschine durch einen generatorisch betriebenen weiteren Hybrid-Antrieb mit Leistung versorgbar ist, um einen seriellen Fahrmodus einzurichten. Ergänzend oder alternativ ist die elektrische Antriebsmaschine als Stützkraftmittel ansteuerbar, um eine Stützkraft bei Schaltungen im weiteren Hybrid-Antrieb aufrechtzuerhalten. Hierdurch kann ein effizienter Kraftfahrzeug-Antriebsstrang geschaffen werden. Insbesondere kann der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Ein serieller Fahrmodus ermöglicht ein elektrisches Fahren und Anfahren auch bei einem leeren Energiespeicher. Durch eine als Stützkraftmittel ansteuerbare elektrische Antriebsmaschine kann technisch einfach eine Stützkraft bei Schaltungen im weiteren Hybrid-Antrieb bereitgestellt werden. Der Fahrkomfort kann technisch einfach und ohne Modifikationen am weiteren Hybrid-Antrieb erhöht werden.
  • Ein Festsetzen eines Elements eines Planetenradsatzes ist insbesondere als ein Blockieren einer Drehung des Elements um seine Rotationsachse zu verstehen. Vorzugsweise wird dabei das Element mittels eines Schaltelements drehfest mit einem statischen Bauteil wie einem Rahmen und/oder einem Getriebegehäuse verbunden. Es ist auch denkbar, das Element bis zu einem Stillstand zu bremsen.
  • Ein Verblocken eines Planetenradsatzes umfasst ein antriebswirksames Verbinden zweier Zahnräder und/oder des Planetenradträgers und eines Zahnrads des Planetenradsatzes, sodass diese gemeinsam mit der gleichen Umdrehungszahl um denselben Punkt, vorzugsweise den Mittelpunkt des Planetenradsatzes, rotieren. Beim Verblocken zweier Zahnräder und/oder eines Planetenradträgers und eines Zahnrads des Planetenradsatzes wirkt der Planetenradsatz vorzugsweise wie eine Welle, es findet insbesondere keine Übersetzung im Planetenradsatz statt.
  • Unter „antriebswirksam verbunden“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine nicht schaltbare Verbindung zwischen zwei Bauteilen verstanden werden, welche zu einer permanenten Übertragung einer Drehzahl, eines Drehmoments und/oder Antriebsleistung vorgesehen ist. Die Verbindung kann dabei sowohl direkt als auch über eine Festübersetzung erfolgen. Die Verbindung kann beispielsweise über eine feste Welle, eine Verzahnung, insbesondere eine Stirnradverzahnung und/oder ein Umschlingungsmittel, insbesondere ein Zugmittelgetriebe, erfolgen.
  • Unter „antriebswirksam verbindbar“, „kann antriebswirksam verbunden werden“ oder „ist zum antriebswirksamen Verbinden ausgebildet“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein schaltbares Verbinden zwischen zwei Bauteilen verstanden werden, welches in einem geschlossenen Zustand zu einer temporären Übertragung einer Drehzahl, eines Drehmoments und/oder einer Antriebsleistung vorgesehen ist. In einem geöffneten Zustand überträgt das schaltbare Verbinden vorzugsweise temporär im Wesentlichen keine Drehzahl, kein Drehmoment und/oder keine Antriebsleistung.
  • Unter Standladen bzw. Laden-in-Neutral ist insbesondere das Betreiben der elektrischen Antriebsmaschine als Generator zu verstehen, vorzugsweise bei einem Stillstand mit laufender Verbrennungsmaschine, um einen Energiespeicher zu befüllen und/oder eine Bordelektronik zu speisen.
  • Ein Aktor ist vorliegend insbesondere ein Bauteil, das ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung umsetzt. Vorzugsweise führen Aktoren, die mit Doppelschaltelementen verwendet werden, Bewegungen in zwei entgegengesetzte Richtungen aus, um in der ersten Richtung ein Schaltelement des Doppelschaltelements zu schalten und in der zweiten Richtung das andere Schaltelement zu schalten.
  • Ein Gangstufenwechsel erfolgt insbesondere durch Abschalten eines Schaltelements und/oder einer Kupplung und gleichzeitiges Aufschalten des Schaltelements und/oder der Kupplung für die nächsthöhere oder -niedrigere Gangstufe. Das zweite Schaltelement und/oder die zweite Kupplung übernimmt also Stück für Stück das Drehmoment vom ersten Schaltelement und/oder von der ersten Kupplung, bis am Ende des Gangstufenwechsels das gesamte Drehmoment vom zweiten Schaltelement und/oder der zweiten Kupplung übernommen wird. Bei vorheriger Synchronisation kann ein Gangwechsel schneller erfolgen, vorzugsweise können dabei formschlüssige Schaltelemente Anwendung finden.
  • Beim seriellen Fahren oder Kriechen wird eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs generatorisch von einer Verbrennungsmaschine des Kraftfahrzeugs betrieben. Die so erzeugte Energie wird dann einer weiteren elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt, um Antriebsleistung bereitzustellen.
  • Eine elektrische Fahrzeugachse, oder kurz elektrische Achse, ist vorzugsweise eine Nicht-Haupt-Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs, bei der mittels einer elektrischen Antriebsmaschine Antriebsleistung auf Räder des Kraftfahrzeugs übertragen werden kann. Es versteht sich, dass die elektrische Antriebsmaschine auch mittels eines Getriebes angebunden sein kann. Mittels einer elektrischen Achse kann ganz oder teilweise eine Zugkraft aufrechterhalten werden, wenn im Getriebe für eine Haupt-Antriebsachse ein Gangwechsel erfolgt. Ferner kann mittels einer elektrischen Achse zumindest teilweise eine Allrad-Funktionalität eingerichtet werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang;
    • 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Elektrogetriebes;
    • 3 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Elektrogetriebes;
    • 4 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Elektrogetriebes;
    • 5 eine detaillierte Darstellung des erfindungsgemäßen Elektrogetriebes gemäß der 4;
    • 6 schematisch die Schaltzustände der Elektrogetriebe gemäß der 2 bis 5;
    • 7 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Elektrogetriebes;
    • 8 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Elektrogetriebes;
    • 9 eine detaillierte Darstellung des erfindungsgemäßen Elektrogetriebe gemäß der 8; und
    • 10 schematisch die Schaltzustände der Elektrogetriebe gemäß der 7 bis 9.
  • In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 gezeigt. Der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 weist eine elektrische Antriebsmaschine 14 und ein Elektrogetriebe 16 auf. Das Elektrogetriebe 16 und die elektrische Antriebsmaschine 14 bilden eine elektrische Achse, die in dem gezeigten Beispiel mit einer Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10 verbunden ist. Mit der Vorderachse des Kraftfahrzeugs 10 ist ein weiterer reiner Verbrennungs- oder Hybrid-Antrieb 18 wirkverbunden. Es versteht sich, dass auch eine umgekehrte Anbindung erfolgen kann, sodass die elektrische Achse mit der Vorderachse des Kraftfahrzeugs 10 verbunden ist und die Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10 den weiteren Hybrid-Antrieb 18 umfasst. Mittels des Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs 12 wird Antriebsleistung der elektrischen Antriebsmaschine 14 den Rädern des Kraftfahrzeugs 10 zugeführt. Das Kraftfahrzeug 10 weist ferner einen Energiespeicher 20 auf, um Energie zu speichern, die zum Versorgen der elektrischen Antriebsmaschine 14 dient.
  • In 2 ist schematisch eine Variante eines Elektrogetriebes 16 in einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 dargestellt.
  • Der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 umfasst das Elektrogetriebe 16 und die elektrische Antriebsmaschine 14, deren Rotor 22 mit einer Getriebeeingangswelle 24 verbunden ist. Diese Getriebeeingangswelle 24 ist antriebswirksam mit einem Reduziergetriebe 26 verbunden. In dem gezeigten Beispiel umfasst das Reduziergetriebe 26 einen Planetenradsatz, dessen Hohlrad festgesetzt ist, dessen Sonnenrad mit der Getriebeeingangswelle 24 verbunden ist und dessen Planetenradträger antriebswirksam mit einem Schaltgetriebe 28 verbunden ist.
  • In dem gezeigten Beispiel umfasst das Schaltgetriebe 28 einen ersten Planetenradsatz RS1 und einen zweiten Planetenradsatz RS2, die radial ineinander geschachtelt sind.
  • Das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes RS1 ist antriebswirksam mit einem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbunden, wobei die beiden Planetenradsätze RS1, RS2 in einer Radsatzebene angeordnet sind. Mit anderen Worten ist der zweite Planetenradsatz RS2 radial innerhalb des ersten Planetenradsatzes RS1 angeordnet.
  • Im Schaltgetriebe 28 sind ferner die beiden Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes RS1 und des zweiten Planetenradsatzes RS2 antriebswirksam durch eine Trägerwelle 30 verbunden. Die Trägerwelle 30 kann insbesondere einstückig ausgeführt sein.
  • Die Trägerwelle 30 ist zudem mit einem als Kugeldifferential ausgebildeten Differential 32 verbunden, das Antriebsleistung aus dem Elektrogetriebe 16 auf eine erste Ausgangswelle 34 und zweite Ausgangswelle 36 überträgt, die vorzugsweise jeweils mit Rädern des Kraftfahrzeugs 10 verbunden sind.
  • Das Elektrogetriebe 16 umfasst ferner ein erstes Schaltelement B, ein zweites Schaltelement C und ein drittes Schaltelement D.
  • Das erste Schaltelement B ist als Kupplung ausgebildet, wobei das zweite Schaltelement C und das dritte Schaltelement D jeweils als Bremse ausgebildet sind.
  • Das erste Schaltelement B ist dazu ausgebildet, ein ungekoppeltes Sonnenrad, also das Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes RS2, mit der Getriebeeingangswelle 24 zu verbinden. Es versteht sich, dass bei dieser Verbindung eine Vorübersetzung durch das Reduziergetriebe 26 eingerichtet wird.
  • Das als Bremse ausgebildete zweite Schaltelement C ist dazu ausgebildet, das Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 festzusetzen, also mit einem gehäusefesten Bauteil drehfest zu verbinden.
  • Das dritte Schaltelement D, also die zweite Bremse, ist dazu ausgebildet, ein ungekoppeltes Hohlrad, also insbesondere das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1, festzusetzen.
  • Durch diese vorteilhafte Anordnung der Schaltelemente und Getriebebauteile lassen sich zwei Reduziergänge und ein Direktgang mit einem sehr hohen Wirkungsgrad mit dem Elektrogetriebe 16 erzeugen. Die Standgetriebeübersetzungen der beiden Planetenradsätze RS1, RS2 liegen in einem bautechnisch günstigen Bereich mit einem Betrag < 2,2.
  • Es versteht sich, dass die Schaltelemente zumindest teilweise als Klauenschaltelemente ausgebildet sein können. Insbesondere können alle Schaltelemente auch als Reibschaltelemente ausgeführt werden.
  • In dem in 2 gezeigten Beispiel ist das Reduziergetriebe dem Schaltgetriebe von der elektrischen Antriebsmaschine 14 aus gesehen vorgeschaltet. Hierdurch kann eine hohe Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine 14 bereits vor Eintritt in das Schaltgetriebe 28 reduziert werden.
  • Die im Schaltgetriebe 28 angeordneten Planetenradsätze RS1, RS2 sind als sogenannter geschachtelter CC-SR-Radsatz ausgebildet, wobei CC für eine Verbindung der beiden Planetenradträger (englisch „carrier“) und SR für eine Verbindung eines Sonnenrads mit einem Hohlrad („S“ englisch sun, „R“ englisch ring) zu verstehen ist.
  • In 3 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Elektrogetriebes 16 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Getriebeeingangswelle 24 zunächst mit dem Schaltgetriebe 28 und dann mit dem Reduziergetriebe 26 verbunden. Ansonsten sind die Anbindungen und die Wirkungsweise identisch zu der in 2 gezeigten Ausführungsform. Durch den sogenannten nachgeschalteten Reduzierradsatz, also das im Leistungsfluss nach dem Schaltgetriebe 28 angeordnete Reduziergetriebe 26, entstehen erst vor dem Differential 32 hohe Drehmomente.
  • In 4 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Elektrogetriebes 16 gezeigt. Im Unterschied zu der in 3 gezeigten Ausführungsform sind das Differential 32 und das Reduziergetriebe 26 zu einem Zwei-Steg-Fünfwellen-Getriebe kombiniert. Hierdurch kann die Funktionalität des Differentials 32 und eine Untersetzung, wie mit einem Reduziergetriebe 26, erreicht werden. Mit anderen Worten umfasst in der in 4 gezeigten Ausführungsform das Reduziergetriebe 26 auch ein Differential. Dies wird durch ebenfalls zwei radial geschachtelte Planetenradsätze erreicht.
  • In 5 ist das Elektrogetriebe 16 gemäß der 4 detaillierter und auskonstruiert dargestellt.
  • Die Schaltelemente B, C, D sind jeweils als Reibschaltelement ausgeführt. Die einzelnen Getriebebauteile sind analog zu der schematischen Darstellung gemäß 4 bezeichnet.
  • In 6 sind in einer Schaltmatrix 38 die Schaltzustände der einzelnen Schaltelemente zum Einlegen der einzelnen Gangstufen schematisch dargestellt, wobei ein „X“ bedeutet, dass das jeweilige Schaltelement geschlossen ist, also die dem Schaltelement zugeordneten Getriebebauteile antriebswirksam miteinander verbindet. Sofern kein Eintrag in der Schaltmatrix 38 vorhanden ist, ist davon auszugehen, dass das jeweilige Schaltelement offen ist, also keine Antriebsleistung überträgt.
  • Zum Einlegen der ersten Gangstufe 1G ist das dritte Schaltelement D zu schließen.
  • Die zweite Gangstufe 2G kann durch Schließen des zweiten Schaltelements C eingerichtet werden.
  • Ein Schließen des ersten Schaltelements B richtet die dritte Gangstufe 3G ein.
  • Es versteht sich, dass auch eine Zweigangausführung geschaffen werden kann, wobei auf ein Schaltelement verzichtet wird. Es versteht sich ferner, dass die mit diesem Schaltelement einlegbare Gangstufe in der Zweigangvariante nicht mehr verfügbar ist.
  • In 7 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Elektrogetriebes 16 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der CC-SR-Radsatz nicht mehr radial geschachtelt, sondern in nebeneinanderliegender Ausführung dargestellt. Ferner umfasst das Elektrogetriebe 16 eine freie Welle 40, die mittels einer Schaltgabel 42 in ihrer axialen Position verschiebbar ist und so die einzelnen Schaltelemente B, C, D jeweils schließt. Mit anderen Worten kann durch ein Verschieben der freien Welle 40 in Axialrichtung jeder benötigte Schaltzustand zum Schalten von drei Gangstufen eingerichtet werden.
  • Der Rotor 22 der elektrischen Antriebsmaschine 14 ist mit der Getriebeeingangswelle 24 verbunden, wobei die Getriebeeingangswelle 24 mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes RS1 und dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbunden ist. Die beiden Planetenradsätze RS1, RS2 sind an ihren Planetenradträgern mit der Trägerwelle 30 antriebswirksam miteinander verbunden, wobei die Trägerwelle 30 zudem antriebswirksam mit einem achsparallel am ersten Planetenradsatz RS1 und zweiten Planetenradsatz RS2 angeordneten 2-Steg-5-Wellen-Getriebe wirkverbunden ist. Wie in der in 4 gezeigten Ausführungsform umfasst dieses 2-Steg-5-Wellen-Getriebe sowohl eine Reduzierfunktion als auch eine Differentialfunktion und verteilt Antriebsleistung auf die erste Ausgangswelle 34 und die zweite Ausgangswelle 36 des Elektrogetriebes 16.
  • In dem in 7 gezeigten Schaltzustand sind das erste Schaltelement B und das dritte Schaltelement D geschlossen. Durch weiteres Bewegen der freien Welle 40 in axialer Richtung weg von der elektrischen Antriebsmaschine 14 können die zum Einlegen der Gangstufen benötigten Verbindungen durch die an der freien Welle 40 angeordneten Schaltelemente B, C, D eingerichtet werden. Das erste Schaltelement B ist dazu ausgebildet, das Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 antriebswirksam mit der freien Welle 40 zu verbinden. Das zweite Schaltelement C ist dazu ausgebildet, das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1 antriebswirksam mit der freien Welle 40 zu verbinden. Das dritte Schaltelement D ist dazu ausgebildet, die freie Welle 40 festzusetzen.
  • In 8 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Elektrogetriebes 16 gezeigt. Im Unterschied zu der in 7 gezeigten Ausführungsform ist das 2-Steg-5-Wellen-Getriebe koaxial zum ersten Planetenradsatz RS1 und zweiten Planetenradsatz RS2, jedoch axial versetzt hierzu, angeordnet. Das 2-Steg-5-Wellen-Getriebe ist an einer der elektrischen Antriebsmaschine 14 gegenüberliegenden Seite bezüglich des ersten Planetenradsatzes RS1 und des zweiten Planetenradsatzes RS2 angeordnet. Die Anbindungen an der freien Welle 40 und die übrigen Anbindungen im Elektrogetriebe 16 sind dabei analog zu der in 7 gezeigten Ausführungsform. In dem in 8 dargestellten Zustand sind folglich das zweite Schaltelement C und das dritte Schaltelement D geschlossen. Die freie Welle 40 ist demnach festgesetzt und antriebswirksam mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden.
  • In 9 ist das Elektrogetriebe 16 gemäß der 8 detaillierter auskonstruiert dargestellt. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Merkmale und werden nicht erneut erläutert. Im Unterschied zu der in 8 gezeigten schematischen Darstellung einer Ausführungsform umfasst die in 9 dargestellte Ausführungsform eine Differentialsperre S, die dazu ausgebildet ist, die beiden Ausgangswellen 34, 36 antriebswirksam miteinander zu verbinden. In dem gezeigten Beispiel wird das dadurch erreicht, dass ein axiales Einrücken der Differentialsperre S in der gezeigten Ausführungsform nach rechts eine formschlüssige Verbindung bewirkt.
  • In 10 sind in einer Schaltmatrix 44 analog zur Schaltmatrix 38 gemäß der 6 die Schaltzustände zum Einlegen der Gangstufen 1G, 2G, 3G der Elektrogetriebe 16 gemäß den 7 bis 9 gezeigt.
  • Zum Einlegen der ersten Gangstufe 1G sind das zweite Schaltelement C und das dritte Schaltelement D zu schließen.
  • Die zweite Gangstufe 2G wird durch Schließen des ersten Schaltelements B und des dritten Schaltelements D eingerichtet.
  • Die dritte Gangstufe 3G wird durch Schließen des ersten Schaltelements B und des zweiten Schaltelements C eingerichtet.
  • Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
  • In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen. Ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs 12 kann beispielsweise in Form eines Computerprogramms realisiert werden, das auf einem Steuergerät für den Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 ausgeführt wird. Ein Computerprogramm kann auf einem nichtflüchtigen Datenträger gespeichert/vertrieben werden, beispielsweise auf einem optischen Speicher oder auf einem Halbleiterlaufwerk (SSD). Ein Computerprogramm kann zusammen mit Hardware und/oder als Teil einer Hardware vertrieben werden, beispielsweise mittels des Internets oder mittels drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationssysteme.
  • Bezugszeichen
    • 10
    Kraftfahrzeug
    12
    Kraftfahrzeug-Antriebsstrang
    14
    elektrische Antriebsmaschine
    16
    Elektrogetriebe
    18
    Hybrid-Antrieb
    20
    Energiespeicher
    22
    Rotor
    24
    Getriebeeingangswelle
    26
    Reduziergetriebe
    28
    Schaltgetriebe
    30
    Trägerwelle
    32
    Differential
    34
    erste Ausgangswelle
    36
    zweite Ausgangswelle
    38
    Schaltmatrix
    40
    freie Welle
    42
    Schaltgabel
    44
    Schaltmatrix
    B-D
    Schaltelemente
    RS1
    erster Planetenradsatz
    RS2
    zweiter Planetenradsatz
    S
    Differentialsperre

Claims (14)

  1. Elektrogetriebe (16) für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit: einer Getriebeeingangswelle (24) zum Wirkverbinden des Elektrogetriebes (16) mit einer elektrischen Antriebsmaschine (14) des Kraftfahrzeugs (10); einem Reduziergetriebe (26) zum Reduzieren einer Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine (14); einem Schaltgetriebe (28) zum Einrichten von Gangstufen umfassend einen ersten Planetenradsatz (RS1) und einen zweiten Planetenradsatz (RS2); einer ersten Ausgangswelle (34) und einer zweiten Ausgangswelle (36) zum Übertragen von Antriebsleistung aus dem Elektrogetriebe (16); und mehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen (B, C, D) zum Einlegen der Gangstufen; wobei ein Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes (RS1) antriebswirksam mit einem Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes (RS2) verbunden ist, ein Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes (RS1) antriebswirksam mit einem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes (RS2) verbunden ist; und das Elektrogetriebe (16) genau drei Schaltelemente (B, C, D) umfasst.
  2. Elektrogetriebe (16) nach Anspruch 1, wobei die Schaltelemente (B, C, D) zwei Bremsen (C, D) und eine Kupplung (B) umfassen, wobei ein ungekoppeltes Sonnenrad mittels der Kupplung (B) mit der Antriebswelle verbindbar und mittels einer ersten Bremse (C) festsetzbar ist; und ein ungekoppeltes Hohlrad mittels einer zweiten Bremse (D) festsetzbar ist; die Schaltelemente (B, C, D) eine Bremse (D) und zwei Kupplungen (B, C) umfassen, wobei eine freie Welle (40) über eine erste Kupplung (C) mit einem ungekoppelten Hohlrad verbindbar ist; die freie Welle (40) über eine zweite Kupplung (B) mit einem ungekoppelten Sonnenrad verbindbar ist; und die freie Welle (40) über eine Bremse (D) festsetzbar ist; oder die Schaltelemente (B, C, D) zwei Bremsen (B, C) umfassen, wobei über eine erste Bremse (C) ein ungekoppeltes Hohlrad festsetzbar ist und über eine zweite Bremse (B) ein ungekoppeltes Sonnenrad festsetzbar ist.
  3. Elektrogetriebe (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mit dem Elektrogetriebe (16) zwei Reduziergänge und ein Direktgang einrichtbar sind.
  4. Elektrogetriebe (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Planetenradsatz (RS1) und der zweite Planetenradsatz (RS) radial geschachtelt sind; und ein Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes (RS1) und ein Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes (RS2) einteilig ausgeführt sind.
  5. Elektrogetriebe (16) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Kupplungen (B, C, D) als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sind.
  6. Elektrogetriebe (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Elektrogetriebe (16) abtriebsseitig ein Differential (32) umfasst, oder ein achsparallel oder koaxial angeordnetes Reduziergetriebe in Form eines 2-Steg-5-Wellen-Getriebes mit integriertem Differential (32) umfasst.
  7. Elektrogetriebe (16) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Elektrogetriebe (16) eine Differentialsperre (S) umfasst.
  8. Elektrogetriebe (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Elektrogetriebe (16) eine Gesamtspreizung von größer als 2 aufweist.
  9. Elektrogetriebe (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Gangsprung zwischen zwei benachbarten Gangstufen kleiner als 2 ist.
  10. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) für ein Kraftfahrzeug (10), mit: einem Elektrogetriebe (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche; und einer elektrischen Antriebsmaschine (14), die antriebswirksam mit der Getriebeeingangswelle (24) verbunden ist.
  11. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach Anspruch 10, wobei die elektrische Antriebsmaschine (14) als Synchronisier-Mittel während einer Schaltung im Elektrogetriebe (16) ansteuerbar ist.
  12. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Elektrogetriebe (16) mit einer ersten Kraftfahrzeugachse antriebswirksam verbindbar ist, eine zweite Kraftfahrzeugachse mit einem weiteren Hybrid-Antrieb (18) verbindbar ist; und die elektrische Antriebsmaschine (14) durch einen generatorisch betriebenen weiteren Hybrid-Antrieb (18) mit Leistung versorgbar ist, um einen seriellen Fahrmodus einzurichten; und/oder als Stützkraftmittel ansteuerbar ist, um eine Stützkraft bei Schaltungen im weiteren Hybrid-Antrieb (18) aufrechtzuerhalten.
  13. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 12.
  14. Kraftfahrzeug mit: einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 12; und einem Energiespeicher (20) zum Speichern von Energie zum Versorgen der elektrischen Antriebsmaschine (14).
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