DE19810592A1 - Elektrische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß Brennkraftmaschinen in Kraftfahr­ zeugen mittels einer Startvorrichtung gestartet wer­ den müssen, da sie nicht in der Lage sind von alleine anzulaufen. Zu diesem Zweck werden üblicherweise elektrisch betriebene Startermotoren eingesetzt, die über ein als sogenanntes Einrückrelais ausgebildetes Starterrelais mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Gleichzeitig wird zum Andrehen ein Ritzel des Startermotors mit einem üblicherweise auf einem Schwungrad der Brennkraftmaschine angebrachten Zahn­ kranz in Eingriff gebracht. Unmittelbar nach Errei­ chen des Selbstlaufes der Brennkraftmaschine muß der Startermotor ausgespurt werden, um einen erhöhten Verschleiß und eine starke Geräuschentwicklung zu vermeiden. Soll der Starter aus bestimmten Gründen in einem ständigen Eingriff bleiben, so muß er für einen Dauerbetrieb auch mit höheren Drehzahlen ausgelegt sein.

Ebenso ist bekannt, daß Kraftfahrzeuge mit einem Ge­ nerator ausgerüstet sind, der einerseits für eine Versorgung eines elektrischen Bordnetzes des Kraft­ fahrzeuges und andererseits für ein Laden der zur zusätzlichen Pufferung des elektrischen Bordnetzes und zum Betrieb des Startermotors notwendigen Span­ nungsquelle sorgt. Dieser Generator, auch als Licht­ maschine bezeichnet, wird üblicherweise mittels Zug­ mittel direkt über die Kurbelwelle der Brennkraft­ maschine angetrieben. Der Generator gibt seine Nenn­ leistung typischerweise bei einer mittleren Drehzahl ab, muß jedoch so dimensioniert sein, daß er auch schon bei Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine eine ausreichende elektrische Leistung abgeben kann, um bei längeren Standzeiten im Leerlauf eine Ent­ ladung der Spannungsquelle zu verhindern. Gleich­ zeitig jedoch muß er für die Maximaldrehzahl der Brennkraftmaschine ausgelegt sein und dabei noch eine ausreichende Kühlung erfahren. Die Kühlung bei höhe­ ren Drehzahlen erfolgt meist durch Luftventilation, die durch aufgebrachte Lüfterflügel unterstützt wird.

Soll eine elektrische Maschine wechselweise als Star­ ter wie auch als Generator betreibbar sein, stellt sich zunächst das Problem einer drehzahlmäßigen Aus­ legung. Beim Betrieb als Startermotor wird ein großes Anfahrdrehmoment sowie eine relativ hohe Leistung bei niedriger Drehzahl benötigt. Zur sicheren Übertragung einer solch großen Leistung wird zweckmäßigerweise eine Ankoppelung an einen Antriebsstrang der Brenn­ kraftmaschine mit einer Zahnradpaarung gewählt, die nach dem Starten der Brennkraftmaschine getrennt wird. Der Generator muß jedoch in der Lage sein, über einen weiten Drehzahlbereich eine ausreichende Lei­ stungsabgabe sicherzustellen, und dies, ohne bei Ma­ ximaldrehzahl einer Überhitzungsgefahr ausgesetzt zu sein. Soll der Generator für eine hohe elektrische Leistungsabgabe ausgelegt werden, wie sie für moderne Kraftfahrzeuge mit einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern wie Stell- und Servomotoren notwendig ist, stoßen herkömmliche Riementriebe an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit.

Die ältere Patentanmeldung DE 197 19 213.0 beschreibt eine elektrische Maschine, die über ein Planetenge­ triebe mit einer Getriebeeingangswelle eines Kraft­ fahrzeuges kuppelbar ist und die mit zwei verschiede­ nen Übersetzungsstufen sowohl als Startermotor zum Andrehen der Brennkraftmaschine als auch als Genera­ tor zur energetischen Versorgung eines elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeuges umschaltbar ist. Nach­ teilig ist hier jedoch die vorgesehene Umschaltung über einen mechanisch anzulenkenden Hebel über einen linearen Verstellweg sowie die ausschließlich axial wirkenden Reibflächen zur Blockierung eines Hohlrades des Planetengetriebes an dessen Gehäuse oder Plane­ tenträger. Diese Anordnung macht aufgrund der bei kleinen Radien nur mit hohem Anpreßdruck ausreichend sicher zu übertragenden Kräfte eine hohe Betätigungs­ kraft am Hebel und/oder eine voluminöse Bauweise des Planetengetriebes erforderlich. Nachteilig ist zudem bei der beschriebenen Ausführungsform, daß keine Selbsthemmung der Schaltstellungen im Planetengetrie­ be vorgesehen ist. Somit müssen die notwendigen hohen Betätigungskräfte zur Aufrechterhaltung einer ge­ wünschten Schaltstellung permanent aufgebracht wer­ den. Kleinere elektrisch betriebene Servomotoren eig­ nen sich somit nicht zur Aufbringung der Verstell­ kräfte. Statt dessen sind beispielsweise hydraulische Stellantriebe oder mechanische Stelleinrichtungen mit ausreichenden Hebelübersetzungen vonnöten, was einen konstruktiven Mehraufwand erfordert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den im Patentan­ spruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß durch wenigstens zwei Antriebsstellungen sowie eine Neutralstellung eines Planetengetriebes als Antriebs­ übersetzung für eine elektrische Maschine diese so­ wohl als Starter zum Andrehen der Brennkraftmaschine als auch als Generator zur Versorgung eines Bordspan­ nungsnetzes des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden kann. Die Anordnung der elektrischen Maschine mit dem vorgeschalteten Planetengetriebe, beispielsweise am Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges zwischen einer Kupplung und einem Schaltgetriebe, vorzugsweise an einer Getriebeeingangswelle, weist insbesondere den Vorteil auf, daß ohne aufwendige Vorrichtungen zum Ein- und Ausspuren eines herkömmlichen Starters die elektrische Maschine in ständigem Eingriff bleiben kann, und eine Steuerung des Planetengetriebes auf einfache Weise über die Motorsteuerung auf Grundlage fester Parameter vorgenommen werden kann.

Durch die neben den beiden Antriebsstellungen zusätz­ lich vorgesehene Neutralstellung kann auf einfache und effektive Weise, wahlweise in automatisierter Form, sowohl einer drohenden Überlastung der elektri­ schen Maschine vorgebeugt werden, als auch in be­ stimmten Betriebszuständen eine Verringerung des Energieverbrauches der Brennkraftmaschine durch ein­ faches Unterbrechen der Wirkverbindung erzielt wer­ den. Die Umschaltung des Planetengetriebes kann in effektiver Weise durch ein reibschlüssiges Festlegen eines Hohlrades entweder gegen einen Planetenträger oder gegen ein Gehäuse des Planetengetriebes erfol­ gen, wobei diese Umschaltung über ein mechanisches Schaltmittel bewirkt wird, das auf unterschiedliche Weise, beispielsweise hydraulisch oder elektromoto­ risch, angesteuert werden kann. So kann eine erste Endstellung eine Blockade des Hohlrades am Gehäuse, eine zweite Endstellung eine Blockierung des Hohl­ rades am Planetenträger vorsehen. In der Neutral­ stellung ist das Hohlrad frei drehbar, wodurch eine Wirkverbindung zwischen Antriebsstrang des Kraftfahr­ zeuges und elektrischer Maschine unterbrochen ist.

In vorteilhafter Weise sind die beiden End- bezie­ hungsweise Arbeitsstellungen des Planetengetriebes unterschiedlich übersetzt. So kann diese Übersetzung beispielsweise in der ersten Endstellung i = 5 betra­ gen und in der zweiten Endstellung i = 2. Dadurch kann beim Andrehen der Brennkraftmaschine ein hohes Moment bei niederen Drehzahlen übertragen werden. Beim regulären Lauf der Brennkraftmaschine dagegen läuft die elektrische Maschine mit hohen Drehzahlen und kann auf diese Weise eine hohe elektrische Aus­ gangsleistung liefern. Zudem ist auf diese Weise eine Umschaltung bei einer bestimmten Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine, beispielsweise bei 1.500 U/min, mög­ lich, womit eine ausreichende elektrische Versorgung des Bordnetzes auch bei länger anhaltenden Leerlauf­ drehzahlen sichergestellt ist.

Die mechanische Umschaltung des Planetengetriebes erfolgt zweckmäßigerweise über ein mit dem Schalthe­ bel des Kraftfahrzeuges gekoppeltes Stellglied, das wahlweise zusätzlich in Abhängigkeit verschiedener Betriebsparameter gesteuert werden kann. Um eine kom­ pakte Bauweise zu erzielen und gleichzeitig mit ge­ ringen Verstellkräften eine wirksame Blockierung des Hohlrades entweder am Gehäuse oder am Planetenträger zu erzielen, sind in einer bevorzugten Ausführungs­ form wenigstens zwei Bremsbacken vorgesehen, die das Hohlrad an dessen größtem Umfang radial von außen umgreifen. Auf diese Weise können bereits mit gerin­ gen Verstellkräften hohe Kräfte übertragen werden. Das mechanische Schaltmittel kann elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt sein - je nach vorhandener Fahrzeugausrüstung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie­ len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer elektrischen Ma­ schine mit vorgeschaltetem Planetenge­ triebe;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die elek­ trische Maschine entsprechend Fig. 1;

Fig. 3 eine Teil-Frontansicht auf einen Wirkmecha­ nismus zur Umschaltung des Planetenge­ triebes;

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht des Plane­ tengetriebes in einer ersten Stellung I;

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht des Plane­ tengetriebes in einer Stellung III;

Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht des Plane­ tengetriebes in einer zweiten Stellung II;

Fig. 7 eine schematische Perspektivansicht auf eine Variante der elektrischen Maschine;

Fig. 8 eine Schnittansicht der elektrischen Ma­ schine entsprechend Fig. 7;

Fig. 9 eine perspektivische Teilschnittansicht der elektrischen Maschine mit Planetengetriebe entsprechend Fig. 8;

Fig. 10a eine perspektivische Ansicht des Verstell­ ringes des Planetengetriebes;

Fig. 10b eine perspektivische Ansicht des Innen­ ringes des Planetengetriebes;

Fig. 11 eine perspektivische Teilschnittansicht des Planetengetriebes entsprechend Fig. 9 in Stellung I;

Fig. 12 eine perspektivische Teilschnittansicht des Planetengetriebes entsprechend Fig. 11 in Stellung III;

Fig. 13 eine perspektivische Teilschnittansicht des Planetengetriebes entsprechend Fig. 11 in Stellung II und

Fig. 14 eine schematische Draufsicht auf die elek­ trische Maschine entsprechend Fig. 7 im eingebauten Zustand.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist in einer Vollschnitt-Darstellung und in Fig. 2 in einer schematischen Draufsicht eine elektrische Maschine 20 dargestellt, die mit einem Planetengetriebe 1 wirkverbunden ist und mit diesem eine Baueinheit bildet. Ein Rotor 50 der elektrischen Maschine 20 ist in zwei Wälzlagern 51 und 52 in einem Gehäuse 54 gelagert. Die Wälzlager 51 und 52 sind in der Fig. 1 beispielhaft als Rillenkugellager ausge­ führt. Ebenso möglich ist jedoch die Verwendung von Kegelrollen- oder Vierpunktkugellagern oder ähnlichen Lagerbauformen. Das kleinere Wälzlager 52, im darge­ stellten Ausführungsbeispiel links eingezeichnet, stützt sich mit seinem Außenring in einem Sitz des Gehäuses 54 ab, das vorzugsweise zylindrisch ausge­ bildet ist. Auf die Bauart der elektrischen Maschine 20 soll hier nicht näher eingegangen werden. Für den vorliegenden Anwendungsfall ist in erster Linie wich­ tig, daß neben einem generatorischen auch ein motori­ scher Betriebsmodus möglich ist. Die elektrische Ma­ schine 20 soll zum Andrehen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges in der Lage sein und bei lau­ fender Brennkraftmaschine als Generator ein elektri­ sches Bordnetz versorgen. Daher muß die elektrische Maschine 20 im motorischen Betrieb über ein hohes Anfahrdrehmoment verfügen können und im generatori­ schen Betrieb über einen möglichst hohen Wirkungsgrad über weite Drehzahlenbereiche verfügen.

An dem im Wälzlager 52 gelagerten Wellenende gegen­ überliegenden Ende des Rotors 50 ist dieser in einem stärker dimensionierten Wälzlager 51 gelagert. An diesem Ende ist der Rotor 50 der elektrischen Maschi­ ne 20 zudem mit einer Verzahnung versehen, die ein zentrales Sonnenrad 56 des Planetengetriebes 1 bil­ det. Das Planetengetriebe 1 ist fest verbunden mit der elektrischen Maschine 20, das heißt, ein Gehäuse 12 des Planetengetriebes 1 ist fest verschraubt und/oder verblockt mit dem Gehäuse 54 der elektri­ schen Maschine 20. Der Rotor 50 mit dem Sonnenrad 56 sowie alle im folgenden beschriebenen rotierenden Teile des Planetengetriebes 1 sind koaxial zu einer Drehachse 53 angeordnet. Das Sonnenrad 56 kämmt mit wenigstens drei oder mehr Planetenrädern, die im fol­ genden als Planeten 58 bezeichnet sind. Die Planeten 58 sind frei drehbar gelagert, axial nicht verschieb­ lich und an einem Planetenträger 18 befestigt. Dieser Planetenträger 18 ist wiederum fest verbunden mit einer Planetenträgerwelle 19 beziehungsweise mit die­ ser einteilig ausgeführt, die wiederum mit einem An­ triebsstrang des Kraftfahrzeuges wirkverbunden ist. Eine bevorzugte Position dieser Wirkverbindung ist beispielsweise eine Getriebeeingangswelle, das heißt bei einem Antriebsstrang mit manuellem Wechselgetrie­ be und manuell betätigter Kupplung zwischen diesen beiden Bauteilen.

Der Planetenträger 18 ist als kurze Welle ausgeführt, wobei das im dargestellten Ausführungsbeispiel rechts liegende Wellenende als Planetenträgerwelle 19 be­ zeichnet ist. Die Planetenträgerwelle 19 ist einem hohlwellenartigen Absatz 28 über ein Nadellager 22 gelagert. Der Absatz 28 ist einteilig mit einem Hohl­ rad 9 des Planetengetriebes 1 ausgeführt. Zwischen dem Absatz 28 und der dagegen verdrehbaren Planeten­ trägerwelle 19 ist eine Dichtung 25.1, beispielsweise ein Wellendichtring, eingesetzt. Das Hohlrad 9 kann sich entweder frei drehen kann oder ist, über Schalt­ mittel betätigt, entweder axial gegen den Planeten­ träger 18 oder radial gegen ein Gehäuse 12 des Plane­ tengetriebes 1 festlegbar. Durch diese drei Möglich­ keiten, das Hohlrad 9 in seiner Relativdrehbewegung zu beeinflussen, sind gleichzeitig drei mögliche Schaltstellungen des Planetengetriebes 1 definiert. Zur axialen Festlegung des Hohlrades 9 gegen den Pla­ netenträger 18 weisen diese Teile jeweils eine paral­ lel zueinander stehende konzentrische Anlagefläche auf, wobei wahlweise auf einer dieser beiden Anlage­ flächen oder auch auf beiden ein Bremsbelag 29 vorge­ sehen ist.

Über ein Lager 17, das ausreichend dimensioniert sein muß, um axiale und radiale Kräfte aufnehmen zu kön­ nen, ist der Absatz 28 des Hohlrades 9 in einem In­ nenring 16 so fixiert, daß das Hohlrad 9 und der In­ nenring 16 frei gegeneinander verdrehbar, aber axial und radial fixiert sind. Der Innenring 16 ist mit wenigstens einem radial nach außen ragenden Stift 13 versehen, der in einem Querloch 21 im Gehäuse 12 aus­ schließlich in axialer Richtung entlanggleiten kann. Der Innenring 16 kann sich somit nicht verdrehen, ist jedoch axial leicht verschieblich in einem Gleitsitz in einem Lagerschild 24 gelagert, der stirnseitig mit dem Gehäuse 12 verbunden ist und gleichzeitig dessen Deckel bildet.

Erkennbar ist weiterhin ein Verstellring 5, der an seinem äußeren Umfang in einem Gleitsitz im Gehäuse 12 und im Lagerschild 24 drehbar und axial fest ge­ führt ist. Am Verstellring 5 ist eine schiefe Ebene 6 am inneren Umfang vorgesehen, die jedoch erst in Fig. 3 in ihrer Funktion verdeutlicht wird. Ein Hebel 7 ist mit einem Bremsbacken 8 verbunden, der je nach Stellung des Verstellringes 5 radial auf den äußeren Umfang des Hohlrades 9 zu drücken vermag. Weiterhin ist eine Durchführung des Stiftes 13 durch den Ver­ stellring 5 in einer hier nicht näher erkennbaren Kulissenlaufbahn 14 für den Stift 13 vorgesehen. Zur Abdichtung der elektrischen Maschine 20 gegen das vorzugsweise mit einer Schmierölfüllung versehene Planetengetriebe 1 ist eine erste Dichtung 25 vorge­ sehen, die in einen Sitz in einer mit dem Hohlrad 9 verbundenen Trennwand 62 zwischen Sonnenrad 56 und der rechten Lagerung des Rotors 50 eingelegt ist und auf einer Dichtfläche des Rotors 50 anliegt. Diese Dichtung 25 kann beispielsweise als Wellendichtring ausgeführt sein. Um eine einwandfreie Montage zu er­ möglichen, ist die Rotorwelle zuerst zu montieren, anschließend die Dichtung 25 einzulegen und dann erst das Sonnenrad 56 auf die Rotorwelle zu fixieren. Die zweite Dichtung 25.1 sorgt für die Abdichtung der als Abtriebswelle des Planetengetriebes 1 fungierenden Planetenträgerwelle 19 nach außen und umschließt zu diesem Zweck den vorderen Teil der Planetenträgerwel­ le 19 und dichtet sie gegen den Absatz 28 des Hohlra­ des 9 ab.

Fig. 2 verdeutlicht eine außen auf den Verstellring 5 aufgebrachte Verzahnung eines Zahnkranzes 4, die mit einem Ritzel 3 eines zur elektrischen Maschine 20 achsenparallel angeordneten elektrischen Motors 2 wirkverbunden ist. Durch wenige Ritzelumdrehungen des elektrischen Motors 2 kann der Verstellring 5 um ei­ nen festen Winkel verdreht werden, wodurch eine Über­ setzungsänderung des Planetengetriebes 1 bewirkbar ist. Erkennbar in der Draufsicht gemäß Fig. 2 ist weiterhin der radial nach außen durch das Querloch 21 aus dem Gehäuse 12 ragende Stift 13, der in der schrägen Kulissenlaufbahn 14, hier in unterbrochener Linie gezeichnet, im Verstellring geführt wird und die axiale Verschiebung des Hohlrades 9 gegen den Planetenträger 18 ermöglicht.

Der Stift 13 ist fest im Innenring 16 fixiert. Auf­ grund der sich nur um einen kleinen Weg in axialer Richtung erstreckenden Führung des Querlochs 21 kann sich der Stift 13 und damit der Innenring 16 nicht in Umfangsrichtung verdrehen. Eine Verdrehung in Um­ fangsrichtung ist nur für den Verstellring 5 möglich, soweit dies die Verzahnung des Zahnkranzes 4 zuläßt. Da die sich über einen ungefähr der Länge der Verzah­ nung des Zahnkranzes 4 entsprechenden Weg in Umfangs­ richtung erstreckende Kulissenlaufbahn 14 an einem Ende, in der gezeigten Darstellung nach unten weisen­ den Ende, eine axiale Neigung in Richtung zur elek­ trischen Maschine 20 aufweist, wird der Stift 13 so­ wie der mit diesem fest verbundene Innenring 16 bei einer Verdrehung des Verstellringes 5 in axialer Richtung verschoben.

Der Innenring 16 ist an seinem äußeren Umfang in dem mit dem Gehäuse 12 stirnseitig fest verbundenen La­ gerschild 24 derart geführt, daß er spiel- und ver­ kippfrei axial verschieblich ist. An seinem inneren Umfang ist der Innenring 16 über das axiale und ra­ diale Kräfte aufnehmende Wälzlager 17 mit dem Hohlrad 9 verbunden, das zu diesem Zweck den hohlwellenarti­ gen Absatz 28, mit geringerem Durchmesser als das Hohlrad 9 selbst, aufweist. Über den mit einer axia­ len Kraft beaufschlagbaren Innenring 16 und das axial auf dem Absatz 28 festgelegte Wälzlager 17 kann somit das Hohlrad 9 axial verschoben werden und vermag da­ durch stirnseitig gegen den Planetenträger 18 zu drücken, wodurch eine gegenseitige Blockade erzielbar ist. Für das Wälzlager 17 eignet sich beispielsweise ein Kugel-, Kegelrollen- oder Vierpunktlager, das ausreichende axiale und radiale Kräfte übertragen kann. Diese Arbeitsstellung des Planetengetriebes 1 wird im folgenden mit einer Stellung I bezeichnet.

Fig. 3 zeigt in einem Teilschnitt III-III aus Fig. 1 eine weitere Funktion des Verstellringes 5. Gleiche Teile wie in den vorangegangenen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Erkennbar in dieser Draufsicht ist die außen am Umfang des Verstellringes 5 aufgebrachte Verzahnung 4, die es ermöglicht, den Verstellring in seinem Gleitsitz im Gehäuse 12 um einen bestimmten Winkel zu verdrehen. Dies erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel durch den als Servomotor wirken­ den elektrischen Motor 2, dessen angetriebenes Ritzel 3 in Wirkverbindung mit der Verzahnung 4 steht.

An seinem inneren Umfang ist der Verstellring 5 mit wenigstens zwei schiefen Ebenen 6 versehen, jeweils ein Abschnitt mit sich stetig verringerndem Radius, der bei einer Verdrehung des Verstellringes 5 nach rechts auf einen Kopf 7.1 eines Hebels 7 drückt und den in einem gehäusefest gelagerten Drehpunkt 7.2 nach innen, das heißt in Richtung der Drehachse 53, verschwenkt. Zur Erzielung einer degressiven Wirkung kann sich der Radius der schiefen Ebene 6 anfangs stärker und zum Ende hin schwächer verjüngen. Auf diese Weise wird über den anfänglichen Verstellweg ein größerer Hub der Hebel 7 erzielt. Gegen Ende der Verstellung werden die Hebel nur noch um einen sehr geringen Weg an das Hohlrad 9 angedrückt, woraus eine Kraftübersetzung resultiert. Am Kopf 7.1 des Hebels 7 ist drehbar ein bogenförmiger Bremsbacken 8 befe­ stigt, der an seiner Innenseite mit einem Bremsbelag 15 versehen ist. Diese Innenseite folgt der Kontur des äußeren Umfanges des Hohlrades 9 und kann dieses somit abbremsen beziehungsweise vollständig blockie­ ren.

Um bei freigegebenem Hebel 7, das heißt bei nach links verdrehtem Verstellring 5, den Bremsbacken 8 aufgrund von Schwer- oder wechselnden Beschleuni­ gungskräften nicht unkontrolliert auf dem Hohlrad 9 schleifen zu lassen, drückt eine Feder 26 den Hebel 7 zur schiefen Ebene 6, das heißt vom Hohlrad 9 weg. Die Bogenlänge der schiefen Ebene 6 entspricht zweck­ mäßigerweise der durch die Bogenlänge der Verzahnung des Zahnkranzes 4 vorgegebenen Verstellung des Ver­ stellringes 5. Zweckmäßigerweise sind am Verstellring 5 wenigstens zwei, sich symmetrisch gegenüberste­ hende, schiefe Ebenen 6 mit den zugehörigen Hebeln 7 mit Bremsbacken 8 und Bremsbelag 15 vorgesehen. Ebenso möglich sind jedoch auch drei oder mehr ent­ sprechende Blockiereinrichtungen, jeweils im gleichen Abstand zueinander.

Die Funktion des Planetengetriebes 1 mit seinen drei möglichen Schaltstellungen I, II, III wird anhand der folgenden Fig. 4, 5 und 6 näher beschrieben. Er­ kennbar in diesen Figuren ist eine beispielhafte An­ zahl von vier Planeten 58. Zur Sicherstellung einer eindeutigen Festlegung der Planeten 58, des Hohlrades 9 und des Sonnenrades 56 sind wenigstens drei Plane­ ten 58 notwendig. Wahlweise können auch mehr als drei oder vier Planeten, möglichst gleichmäßig am Umfang verteilt, Verwendung finden, wobei jedoch zunehmende Reibungsverluste durch mehr miteinander im Eingriff stehende Zahnräder zu berücksichtigen sind.

Fig. 4 zeigt das Planetengetriebe in einer ersten Schaltstellung I. Der Verstellring 5 ist hierbei in der gezeigten Ansicht nach links verdreht, womit die beiden am Innendurchmesser des Verstellringes 5 be­ findlichen, in Umfangsrichtung sich verjüngenden schiefen Ebenen 6 verdreht werden, jeweils auf den Kopf 7.1 der Hebel 7 drücken und dabei die Bremsbac­ ken 8 mit den Bremsbelägen 15 außen auf das Hohlrad 9 des Planetengetriebes 1 drücken. Das Hohlrad 9 wird damit blockiert, und die Drehzahl des Rotors 50 ist untersetzt zur Drehzahl der Planetenträgerwelle 19.

Fig. 5 zeigt die Schaltstellung III des Planetenge­ triebes 1. Durch Drehen des verstellbaren Ringes 5 nach rechts wird die Schaltstellung I aufgehoben, die Stifte 13 werden zu diesem Zeitpunkt in radialer Richtung nicht verschoben. Da sich die Stifte an ei­ nem Punkt des Verfahrweges befinden, wo die durch die Kulissenebene 14 vorgegebene Stiftlaufbahn im Ver­ stellring 5 nur eine Umfangsrichtung zuläßt, drehen sie durch. Da nun die beiden Bremsbeläge 15 freilie­ gen, ist die Stellung "neutral" erreicht. Das Hohlrad 9 kann sich, angetrieben von den Planeten 58, frei drehen, da es weder gegen das Gehäuse 12 noch gegen den Planetenträger 18 festgelegt ist. Auf den Rotor 50 wirkt somit kein Antriebsmoment - er kann frei auslaufen.

Fig. 6 zeigt das Planetengetriebe 1 in der weiteren Schaltstellung II. Hierbei ist der Verstellring 5 vollständig nach rechts verdreht, wodurch die Stifte 13 an den Punkt des Verfahrweges gelangen, wo auch die axiale Verschiebung des Innenringes 16 beginnt. Die Bewegung der Stifte 13 wird in der bogenförmig angeordneten Kulissenlaufbahn 14 im Verstellring 5 fortgeführt, wobei auch eine Selbsthemmung möglich ist. Das heißt, bei stehendem elektrischen Motor 2 wird die jeweils erreichte Schaltstellung I, II oder III auch ohne zusätzliche Haltekräfte beibehalten. Das Hohlrad wird nun durch den mit den Stiften 13 im Verstellring 5 geführten Innenring über das Wälzlager 17 in Richtung Planetenträger 18 bewegt. Dadurch kommt es zum Festhalten des Innenringes 16 mit der Planetenträgerwelle 19 mittels Bremsbelag 29 an der Innenstirnfläche des Hohlraumes 9. Durch die Lagerung im Wälzlager 17 kann der Innenring 16 ausschließlich axiale Bewegungen machen. Die Drehzahl des Rotors 50 entspricht hierbei der Drehzahl des Planetenträgers 18.

Die Fig. 7 und 8 zeigen in einer schematischen Perspektivansicht (Fig. 7) und in einem Vollschnitt (Fig. 8) eine Variante der elektrischen Maschine 2 mit wirkverbundenem Planetengetriebe 1. Gleiche Teile wie in den vorangegangenen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Bei im wesentlichen gleichen Aufbau wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist jedoch ein wesent­ licher Unterschied, nämlich die anders angebaute elektrische Maschine 2, gut erkennbar. Diese als Ser­ vomotor zur Umschaltung des Planetengetriebes 1 fun­ gierende elektrische Maschine 2 ist in dieser Ausfüh­ rungsform mit ihrer Drehachse senkrecht zur Drehachse 53 des Planetengetriebes 1 angeordnet und wirkt über einen Schneckentrieb 3.1 anstatt über ein Ritzel 3 auf einen modifizierten Verstellring 5.1.

Fig. 8 zeigt die elektrische Maschine 20 mit wirk­ verbundenem Planetengetriebe 1 entsprechend Fig. 7 in einer Vollschnittansicht. Da bei dieser Variante gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungs­ form im wesentlichen nur die Betätigung des Verstell­ ringes 5.1 sowie die axiale Krafteinleitung auf das Hohlrad 9 über einen modifizierten Innenring 16.1 ab­ gewandelt ist, der übrige Aufbau jedoch nahezu unver­ ändert bleibt, soll im folgenden nur auf die modifi­ zierten Teile sowie deren Funktion näher eingegangen werden.

Die Verstellung des Planetengetriebes 1 erfolgt durch eine Betätigung des elektrischen Motors 2, der über seinen mit der Verzahnung 4 im Eingriff stehenden Schneckentrieb 3.1 den Verstellring 5.1 verdrehen kann. Die radiale Blockierung des Hohlrades 9 über die mit dem Verstellring 5.1 verbundenen wenigstens zwei Bremsbacken 8 funktioniert auf die gleiche Weise wie oben beschrieben. Die axiale Festlegung des Pla­ netenträgers 18 gegen das Hohlrad 9 ist jedoch bei dieser Variante modifiziert, da hierbei kein in einer Kulissenlaufbahn geführter Stift vorgesehen ist, son­ dern miteinander axial korrespondierende Wirkflächen im Verstellring 5.1 und im Innenring 16.1. Diese Wirkflächen bestehen aus wenigstens zwei axial ange­ ordneten Erhebungen 30 im Verstellring 5.1, die mit entsprechend passenden wenigstens zwei axial angeord­ neten schiefen Ebenen 31 im Innenring 16.1 derart zusammenwirken, daß bei einer Verdrehung des Ver­ stellringes 5.1 der Innenring 16.1 eine axiale Ver­ schiebung des Hohlrades 9 gegen den Planetenträger 18 erfahren kann. Zu diesem Zweck ist eine direkte axiale Anlage des Innenringes 16.1 an eine entspre­ chende Fläche des Hohlrades 9 vorgesehen, so daß das Wälzlager 17 in dieser Ausführungsform im wesent­ lichen nur für die radiale Festlegung und Abstützung des Innenringes 16.1 gegen den Absatz 28 des Hohl­ rades 9 sorgen muß. Wie zur Fig. 1 bereits beschrie­ ben, ist der Absatz 28 über Nadellager 22 auf der Planetenträgerwelle 19 gelagert.

Fig. 9 zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht der elektrischen Maschine 20 mit Planetengetriebe 1 entsprechend Fig. 8. Neben den bereits zur Fig. 8 beschriebenen Bauteilen ist hier zusätzlich einer von wenigstens zwei Stiften 41 erkennbar, die für eine axiale Zwangsführung des Verstellringes 5.1 sorgen und damit in den Stellungen I und III für die Frei­ gängigkeit des Hohlrades 9 sorgen und verhindern, daß dieses unkontrolliert mit dem Planetenträger 18 schleifen kann. Das Hohlrad 9 bleibt beim Umschalten von der Stellung II zunächst stehen und folgt nicht dem Axialhub des Innenringes 16.1, wodurch es leicht mit dem Planetenträger 18 schleifen kann. Um dies zu verhindern, sind am Außendurchmesser des Verstellrin­ ges 5.1 in axialer Richtung wenigstens zwei mit den Stiften 41 korrespondierende schiefe Ebenen 40 vorge­ sehen, an denen die Stifte 41 entlanggleiten und so­ mit das Hohlrad 9 vom Planetenträger 18 wegziehen.

Fig. 10a zeigt den Verstellring 5.1 in einer per­ spektivischen Ansicht. Gut erkennbar sind hier die beiden radialen schiefen Ebenen 6 sowie die wenig­ stens zwei in axialer Richtung wirkenden Erhebungen 30 an seiner kreisrunden flachen Innenseite. Für eine symmetrische Belastung des Verstellringes 5.1 müssen sich die Erhebungen 30 möglichst genau gegenüberste­ hen, das heißt um einen Winkel von 180° versetzt sein. Ebenso möglich sind jedoch drei, vier oder mehr Erhebungen 30, die entsprechend gleichmäßig über den Kreisumfang verteilt sein sollten.

Fig. 10b zeigt den modifizierten Innenring 16.1 mit den schiefen Ebenen 31, die jeweils mit den Erhebun­ gen 30 im Verstellring 5.1 korrespondieren, sowie einer außen radial angebrachten Paßfeder 33 bezie­ hungsweise einem Stift. Dieser Stift beziehungsweise diese Paßfeder 33 gleitet in einer passenden Führung im Gehäuse 12 beziehungsweise im Lagerschild 24 und verhindert eine Verdrehung des Innenringes 16.1, der somit nur axial verschieblich ist.

Fig. 11 zeigt die Schaltstellung I in einer Teil­ schnittansicht. Gut erkennbar ist hier die axiale Freigängigkeit der gegeneinander verschieblichen, aus dem Hohlrad 9 mit dem darauf fest aufgebrachten Bremsbelag 29 und dem Planetenträger 18 gebildeten, axialen Kupplung. Weiterhin ist in dieser Ansicht eine auf der runden flachen Seite des Innenringes 16.1 aufgebrachte schiefe Ebene 31 erkennbar, die ge­ gen eine entsprechende Erhebung 30 im Verstellring 5.1 drücken kann, sobald der Verstellring in entspre­ chende Position gedreht wird.

Fig. 12 zeigt in einer perspektivischen Teilschnitt­ ansicht die neutrale Schaltstellung III des Plane­ tengetriebes 1.

Fig. 13 zeigt die Schaltstellung II des Planetenge­ triebes 1. Erkennbar ist hierbei die geschlossene axiale Kupplung.

Fig. 14 zeigt eine schematische Draufsicht auf die elektrische Maschine 20 entsprechend Fig. 7 im ein­ gebauten Zustand. Der Ausgang, das heißt die Plane­ tenträgerwelle 19 des Planetengetriebes 1, ist hier­ bei mit dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges wirk­ verbunden. Erkennbar in der dargestellten Aus­ führungsform ist ein Schaltgetriebe 27 des Kraft­ fahrzeuges, mit dessen Eingangswelle die Planeten­ trägerwelle 19 senkrecht wirkverbunden ist. Dies kann beispielsweise durch eine Kegelzahnradpaarung oder eine Stirnverzahnung mit Tellerrad erfolgen.

Claims (19)

1. Elektrische Maschine, insbesondere zum Starten einer Brennkraftmaschine und zur Spannungsversorgung eines Bordspannungsnetzes eines Kraftfahrzeuges, wo­ bei die elektrische Maschine mit einem Planetenge­ triebe wirkverbunden ist, über das die elektrische Maschine mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist, und wobei die elektrische Maschine durch Umschalten des Planetengetriebes zwischen einem gegenüber einem Gehäuse des Planetengetriebes blockierten Hohlrad einerseits und dem gegenüber einem umlaufenden Plane­ tenträger blockierten Hohlrad andererseits zwischen einem Motorbetrieb und einem Generatorbetrieb um­ schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwi­ schen einem feststehenden Gehäuseteil und dem Hohlrad (9) angeordnetes mechanisches Schaltmittel über ein Antriebsmittel in Umfangsrichtung verstellbar ist und in einer ersten Endstellung (I) das Hohlrad (9) bloc­ kiert und in einer zweiten Endstellung (II) das Hohl­ rad (9) am Planetenträger (18) blockiert.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Planetengetriebe (1) zusätzlich zu den wenigstens zwei Antriebsstellungen (I, II) eine Neutralstellung (III) aufweist, in der Hohlrad (9) und Planetenträger (18) frei umlaufen können.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Planetengetriebe (1) in der ersten Endstellung (I) eine höhere Übersetzung als in der zweiten Endstellung (II) aufweist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Übersetzung in der ersten End­ stellung (I) vorzugsweise i = 5 : 1 beträgt.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Übersetzung in oder zweiten End­ stellung (II) vorzugsweise i = 2 : 1 beträgt.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Planetengetriebe (1) über das Antriebsmittel mechanisch umschaltbar ist.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Planetengetriebe (1) über ein mit einem Stellglied eines Schaltgetriebes (27) ge­ koppeltes, extern betätigbares, mechanisches Schalt­ mittel betätigbar ist.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das mechanische Schaltmittel zur Umschaltung des Planetengetriebes (1) ein Verstell­ ring (5, 5.1) ist.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Verstellring (5, 5.1) einen Abschnitt mit einer Verzahnung (4) aufweist, die mit einem verdrehbaren Ritzel (3) oder einem Schnecken­ trieb (3.1) wirkverbunden ist.

10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Endstellung (I) das Hohlrad (9) mittels Reib­ kraft blockierbar ist.

11. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Endstellung (II) das Hohlrad (9) mittels Reibkraft am Planetenträger (18) blockierbar ist.

12. Elektrische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Getrieberäder (9, 56, 58) des Planetengetriebes (1) permanent im Eingriff miteinan­ der stehen.

13. Elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Planetengetriebe (1) zur reib­ schlüssigen Verbindung von Hohlrad (9) und Planeten­ träger (18) ein Bremsbelag (29) vorgesehen ist.

14. Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellring (5, 5.1) mit einer Innenseite in Umfangsrichtung wenigstens eine nach innen gerichtete schiefe Ebene (6) aufweist, über die sich ein Bremsbacken (8) abstützt und radial nach innen gegen den Außenumfang des Hohlrades (9) andrückbar ist.

15. Elektrische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsbacken (8) sich über einen Hebel (7) abstützt.

16. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellring (5) eine Kulissenlaufbahn (14) in Umfangsrichtung mit an einem Ende axialer Neigung aufweist, in die ein an einem Innenring (16) radial nach außen ragender Stift (13) hineinragt, wobei der nicht drehbare Innenring (16) über die Kulissenführung (14) vom Stift (13) axial verschiebbar ist und über ein Wälzlager (17) das Hohlrad (9) stirnseitig gegen den Planetenträger (18) zu drücken vermag.

17. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellring (5) wenigstens eine weitere, in Axialrichtung anstei­ gende Erhebung (30) aufweist, die mit einer weiteren, in Axialrichtung komplementär ansteigenden schiefen Ebene (31) am Innenring (16) derart zusammenwirkt, daß sie beim Verstellen des Verstellringes (5) in der zweiten Endstellung (III) das Hohlrad (9) axial gegen die Stirnseite des Planetenträgers (18) zu drücken vermag.

18. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trische Maschine (20) derart über das Planetengetrie­ be (1) an einen Antriebsstrang der Brennkraftmaschine ankoppelbar ist, daß zum Synchronisieren des Schalt­ getriebes (27) die Übersetzungsstufen im Planetenge­ triebe (1) und damit das Massenträgheitsmoment der elektrischen Maschine (20) entsprechend der gewünsch­ ten Drehzahlanpassung des Antriebsstranges wählbar ist.

19. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mecha­ nische Schaltmittel mechanisch, elektromagnetisch, hydraulisch und/oder pneumatisch betätigbar ist.