WO2020007676A1

WO2020007676A1 - Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene achse eines kraftfahrzeugs

Info

Publication number: WO2020007676A1
Application number: PCT/EP2019/066954
Authority: WO
Inventors: Paul Lenz; Andreas GROSSL; Werner HECHBERGER; Maik WÖRL; Marco DI SARNO; Frank Seemann; Cong REN; Kai BORNTRÄGER
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2021-01-03
Also published as: DE102018210948A1

Abstract

Es wird eine Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, umfassend eine Elektromaschine (EM) und ein der Elektromaschine (EM) in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb nachgeschaltetes schaltbares Getriebe (1), wobei das Getriebe (1) als Automatgetriebe oder als automatisiertes Getriebe in Vorgelegebauweise ausgeführt ist und zumind est vier Gangstufen aufweist, wobei die Antriebsvorrichtung (1) über eine Stirnradstufe (6) oder eine Planetenstufe an ein Differential (7) zur Verteilung des Antriebmomentes auf die Räder (22) einer Achse (8) oder an ein Längsdifferential (23) zur Verteilung des Antriebmomentes auf zwei Achsen (8, 8') des Fahrzeugs gekoppelt ist.

Description

Antriebsvorrichtunq für zumindest eine elektrisch anqetriebene Achse

eines Kraftfahrzeugs

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, bei leichten und mittelschweren Bussen und LKWs elektrisch angetriebene Achsen einzusetzen, wohingegen bei mittel- schweren und schweren LKWs für Offroad/Teiloffroad Anwendungen konventio- nelle Antriebe verwendet werden. Die bekannten elektrisch angetriebenen Achsen können eine oder zwei Getriebestufen aufweisen, wobei die zweistufigen elektrisch angetriebenen Achsen schaltbar ausgeführt sein können.

Durch das Vorsehen von maximal zwei Gangstufen kann sich die Zugkraft im An- fahrbereich bei hoher Beladung als zu gering erweisen. Zudem kann aufgrund der geringen Spreizung des eingebauten Getriebes eine gewünschte Endgeschwin- digkeit nicht erreicht werden. Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten elektrisch angetriebenen Achsen besteht darin, dass im Rekuperati- onsmodus die Leistung im unteren Geschwindigkeitsbereich begrenzt ist, da die Drehzahl der als Antrieb dienenden Elektromaschine nicht hochgehalten werden kann.

Aus der DE 10 2012 017 352 B4 ist eine Antriebsvorrichtung für eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs bekannt, umfassend eine antreibende Elektromaschine, ein Übersetzungsgetriebe und ein Differential, welches über Ab- triebswellen auf die angetriebenen Räder des Kraftfahrzeugs abtreibt, wobei das Übersetzungsgetriebe durch zwei miteinander gekoppelte Umlaufgetriebe gebildet ist, die über zwei Schaltelemente in zwei Übersetzungsstufen umschaltbar sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteran- sprüchen hervor.

Demnach wird eine Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, welche eine Elektromaschine und ein der Elektromaschine in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb nachgeschaltetes schaltbares Getriebe mit zumindest vier Gangstufen aufweist, welches über eine Stirnradstufe oder eine Planetenstufe an ein Differential zur Verteilung des Antriebmomentes auf die Räder einer Achse oder an ein Längsdifferenzial zur Verteilung des Antriebmo- mentes auf zwei Achsen des Fahrzeugs gekoppelt ist.

Das schaltbare Getriebe ist vorzugsweise als Automatgetriebe oder als automatisier- tes Getriebe in Vorgelegebauweise ausgeführt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Getriebe in Vorgelegebauweise eine Getriebeeingangswelle, eine koaxial zur Getriebeein- gangswelle angeordnete Abtriebswelle, eine erste Vorgelegewelle und eine zweite Vorgelegewelle, wobei die Getriebeeingangswelle über eine erste Stirnradstufe und ein erstes Schaltelement mit der ersten Vorgelegewelle schaltbar koppelbar ist, über eine zweite Stirnradstufe und ein zweites Schaltelement mit der zweiten Vorgelege- welle schaltbar koppelbar ist und über ein drittes Schaltelement mit der Abtriebswelle lösbar drehfest verbindbar ist.

Das erste, zweite und dritte Schaltelement können als form- oder reibschlüssige Schaltelemente ausgeführt sein.

Hierbei sind gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung auf der ersten Vorgelegewelle oder auf der Abtriebswelle ein erstes und ein zweites schaltbares Losrad angeordnet, die zur Bildung einer einem Gang des Getriebes zugeordneten Radstufe jeweils mit einem auf der Abtriebswelle bzw. der ersten Vorgelegewelle angeordneten ersten und zweiten Festrad kämmen, wobei auf der zweiten Vorgelegewelle ein drittes Fest- rad angeordnet ist, welches zur Bildung einer einem Gang des Getriebes zugeordne- ten Radstufe mit einem auf der Abtriebswelle angeordneten vierten Festrad kämmt.

Durch ein derartig ausgeführtes Getriebe sind vier Gänge realisierbar, wobei durch Hinzufügen weiterer Losrad-Festrad-Paare weitere Radstufen realisierbar sind, die jeweils weiteren Gängen zuordenbar sind. Beispielsweise kann auf der ersten Vorge- legewelle ein zusätzliches schaltbares Losrad angeordnet sein, welches zur Bildung einer einem weiteren, fünften Gang des Getriebes zugeordneten Radstufe mit einem zusätzlichen auf der Abtriebswelle angeordneten Festrad kämmt.

Gemäß der Erfindung ist die Abtriebswelle über eine dritte Stirnradstufe oder eine Planetenstufe an ein Differential zur Verteilung des Antriebmomentes auf die Räder einer Achse oder an ein Längsdifferenzial zur Verteilung des Antriebmomentes auf zwei Achsen des Fahrzeugs gekoppelt.

Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird auf einfache und kostengünstige Wei- se eine Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt, welche es ermöglicht, die Steigfähigkeit der Fahrzeuge optimal auf den jeweiligen Einsatzfall anzupassen. Zudem kann die Elektromaschine bei kompakter Ausführung immer im optimalen Wirkungsgrad- bereich betrieben werden.

In vorteilhafter Weise kann im Schubbetrieb durch Rekuperation Energie optimal wieder gewonnen werden, da die Drehzahl der Elektromaschine auch im niedrigen Geschwindigkeitsbereich durch Schalten einer niedrigen Gangstufe hochgehalten werden kann, wodurch die Leistung der Elektromaschine nicht beschränkt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. In diesen stellen dar:

Figur 1 : Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfin- dungsgemäßen Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Ach- se eines Kraftfahrzeugs; Figur 2: Eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs nach Figur 1 zur Veranschauli- chung des Kraftflusses bei geschaltetem ersten Gang;

Figur 3: Eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs nach Figur 1 zur Veranschauli- chung des Kraftflusses bei geschaltetem zweiten Gang;

Figur 4: Eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs nach Figur 1 zur Veranschauli- chung des Kraftflusses bei geschaltetem dritten Gang;

Figur 5: Eine schematische Darstellung der Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs nach Figur 1 zur Veranschauli- chung des Kraftflusses bei geschaltetem vierten Gang; und

Figur 6: Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfin- dungsgemäßen Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Ach- se eines Kraftfahrzeugs.

Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf Figur 1 umfasst eine Antriebsvorrich- tung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeugs eine Elektromaschine EM und ein der Elektromaschine EM in Kraftflussrichtung im Zugbe- trieb nachgeschaltetes schaltbares Getriebe 1 mit zumindest vier Gangstufen, wobei das Getriebe 1 über eine Stirnradstufe 6 an ein Differential 7 zur Verteilung des An- triebmomentes auf die Räder einer Achse 8 des Fahrzeugs gekoppelt ist.

Die Elektromaschine EM ist hierbei quer zur Fahrtrichtung angeordnet.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist das Getriebe 1 als Automatgetriebe oder als automatisiertes Getriebe in Vorgelegebauweise ausgeführt und umfasst eine Getrie- beeingangswelle 2, eine koaxial zur Getriebeeingangswelle 2 angeordnete Ab- triebswelle 5, eine erste Vorgelegewelle 3 und eine zweite Vorgelegewelle 4. Die Getriebeeingangswelle 2 ist über eine erste Stirnradstufe 9 und ein erstes

Schaltelement 10 mit der ersten Vorgelegewelle 3 schaltbar koppelbar, über eine zweite Stirnradstufe 11 und ein zweites Schaltelement 12 mit der zweiten Vorgele- gewelle 4 schaltbar koppelbar und über ein drittes Schaltelement 13 mit der Ab- triebswelle 5 lösbar drehfest verbindbar. Durch diese Anordnung wird die axiale Bau- länge der Antriebsvorrichtung reduziert.

Auf der ersten Vorgelegewelle 3 sind ein erstes und ein zweites Losrad 14, 15 ange- ordnet, die zur Bildung einer einem Gang des Getriebes zugeordneten Radstufe i _ 1 , i_3 jeweils mit einem auf der Abtriebswelle 5 angeordneten ersten und zweiten Fest- rad 16, 17 kämmen, wobei auf der zweiten Vorgelegewelle 4 ein drittes Festrad 18 angeordnet ist, welches zur Bildung einer einem Gang des Getriebes zugeordneten Radstufe i_2 mit einem auf der Abtriebswelle 5 angeordneten vierten Festrad 19 kämmt.

Das erste Losrad 14 ist mit der ersten Vorgelegewelle 3 mittels eines vierten Schalt- elementes 20 lösbar drehfest verbindbar, wobei das zweite Losrad 15 mit der ersten Vorgelegewelle 3 mittels eines fünften Schaltelementes 21 lösbar drehfest verbindbar ist. Das vierte und fünfte Schaltelement 20, 21 sind vorzugsweise als formschlüssige Schaltelemente, insbesondere als Synchronisierungen ausgeführt und können zu einem Doppelschaltelement mit gemeinsamer Aktuatorik zusammengefasst sein.

Das in Figur 1 dargestellte Getriebe weist vier Gangstufen auf. Der erste Gang wird durch Schließen des ersten und vierten Schaltelementes 10, 20 geschaltet, wodurch die durch das erste Losrad 14 und das erste Festrad 16 gebildete Radstufe i_1 in den Kraftfluss geschaltet wird. Der entsprechende Kraftfluss ist in Figur 2 anhand des Pfeiles veranschaulicht. In Figuren 2-6 sind Räder des Fahrzeugs mit dem Bezugs- zeichen 22 bezeichnet.

Der zweite Gang wird durch Schließen des zweiten Schaltelementes 12 geschaltet, wodurch die durch das dritte und vierte Festrad 18, 19 des Getriebes gebildete Rad- stufe i_2 in den Kraftfluss geschaltet wird, wie anhand des Pfeiles in Figur 3 veran- schaulicht. Der dritte Gang wird durch Schließen des ersten und fünften Schaltelementes 10, 21 geschaltet, wodurch die durch das zweite Losrad 15 und das zweite Festrad 17 des Getriebes gebildete Radstufe i_3 in den Kraftfluss geschaltet wird. Der entsprechen- de Kraftfluss ist in Figur 4 anhand des Pfeiles veranschaulicht.

Gemäß der Erfindung wird der bei dem gezeigten Beispiel als Direktgang ausgelegte vierte Gang durch Schließen des dritten Schaltelementes 13 geschaltet, wodurch die Elektromaschine EM mit der Abtriebswelle 5 drehfest verbunden wird, wie in Figur 5 anhand des Pfeiles veranschaulicht. Die Rückwärtsgänge 1 -4 können durch Dreh- zahlumkehr der Elektromaschine EM realisiert werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können das erste und zweite schaltbare Losrad 14, 15 auf der Abtriebswelle 5 angeordnet sein, wobei das erste und zweite Festrad auf der ersten Vorgelegewelle 2 angeordnet sind.

Im Rahmen einer Weiterbildung kann auf der ersten Vorgelegewelle 3 ein zusätzli- ches mittels eines weiteren Schaltelementes schaltbares Losrad angeordnet sein, welches zur Bildung einer einem weiteren, fünften Gang des Getriebes zugeordneten Radstufe mit einem zusätzlichen auf der Abtriebswelle 5 angeordneten Festrad kämmt.

Die in Figur 6 dargestellte Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetrie- bene Achse eines Kraftfahrzeugs unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Figur 1 dadurch, dass das Getriebe 1 über eine Stirnradstufe 6 an ein Längsdifferen- tial 23 zur Verteilung des Antriebmomentes auf zwei Achsen 8, 8‘ des Fahrzeugs ge- koppelt ist. Die Elektromaschine EM ist hierbei vorzugsweise längs zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs angeordnet. Bezuaszeichen

1 Antriebsvorrichtung

Getriebeeingangswelle

erste Vorgelegewelle

zweite Vorgelegewelle

5 Abtriebswelle

6 Stirnradstufe

7 Differential

8 Achse

9 erste Stirnradstufe

10 erstes Schaltelement

11 zweite Stirnradstufe

12 zweites Schaltelement

13 drittes Schaltelement

14 erstes Losrad

15 zweites Losrad

16 erstes Festrad

17 zweites Festrad

18 drittes Festrad

19 viertes Festrad

20 viertes Schaltelement

21 fünftes Schaltelement

22 Rad

23 Längsdifferential

EM Elektromaschine

i_1 Rad stufe

i_2 Rad stufe

i 3 Rad stufe

Claims

Patentansprüche

1. Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraft- fahrzeugs, umfassend eine Elektromaschine (EM) und ein der Elektromaschine (EM) in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb nachgeschaltetes schaltbares Getriebe (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (1 ) als Automatgetriebe oder als auto- matisiertes Getriebe in Vorgelegebauweise ausgeführt ist und zumindest vier Gang- stufen aufweist, wobei die Antriebsvorrichtung (1 ) über eine Stirnradstufe (6) oder eine Planetenstufe an ein Differential (7) zur Verteilung des Antriebmomentes auf die Räder (22) einer Achse (8) oder an ein Längsdifferential (23) zur Verteilung des An- triebmomentes auf zwei Achsen (8, 8‘) des Fahrzeugs gekoppelt ist.

2. Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraft- fahrzeugs nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (1 ) eine Getriebeeingangswelle (2), eine koaxial zur Getriebeeingangswelle (2) angeordnete Abtriebswelle (5), eine erste Vorgelegewelle (3) und eine zweite Vorgelegewelle (4) umfasst, wobei die Getriebeeingangswelle (2) über eine erste Stirnradstufe (9) und ein erstes Schaltelement (10) mit der ersten Vorgelegewelle (3) schaltbar koppelbar, über eine zweite Stirnradstufe (11 ) und ein zweites Schaltelement (12) mit der zwei- ten Vorgelegewelle (4) schaltbar koppelbar und über ein drittes Schaltelement (13) mit der Abtriebswelle (5) lösbar drehfest verbindbar ist.

3. Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraft- fahrzeugs nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Vorgele- gewelle (3) ein erstes und ein zweites Losrad (14, 15) angeordnet sind, die zur Bil- dung einer einem Gang des Getriebes zugeordneten Radstufe (i _ 1 , i_3) jeweils mit einem auf der Abtriebswelle (5) angeordneten ersten und zweiten Festrad (16, 17) kämmen, wobei auf der zweiten Vorgelegewelle (4) ein drittes Festrad (18) angeord- net ist, welches zur Bildung einer einem Gang des Getriebes zugeordneten Radstu- fe (i_2) mit einem auf der Abtriebswelle (5) angeordneten vierten Festrad (19) kämmt, wobei das erste Losrad (14) mittels eines vierten Schaltelementes (20) mit der ersten Vorgelegewelle (3) lösbar drehfest verbindbar ist und wobei das zweite Losrad (15) mittels eines fünften Schaltelementes (21 ) mit der ersten Vorgelegewelle (3) lösbar drehfest verbindbar ist.

4. Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraft- fahrzeugs nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte und fünfte Schaltelement (20, 21 ) als formschlüssige Schaltelemente ausgeführt und zu einem Doppelschaltelement mit gemeinsamer Aktuatorik zusammengefasst sind.

5. Antriebsvorrichtung für zumindest eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraft- fahrzeugs nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (1) vier Gangstufen aufweist, wobei der erste Gang durch Schließen des ersten und vier- ten Schaltelementes (10, 20) geschaltet wird, wodurch die durch das erste Los- rad (14) und das erste Festrad (16) gebildete Radstufe (i_1 ) in den Kraftfluss ge- schaltet wird, wobei der zweite Gang durch Schließen des zweiten Schaltelementes (12) geschaltet wird, wodurch die durch das dritte und vierte Festrad (18, 19) des Getriebes (1 ) gebildete Radstufe (i_2) in den Kraftfluss geschaltet wird, wobei der dritte Gang durch Schließen des ersten und fünften Schaltelementes (10, 21) ge- schaltet wird, wodurch die durch das zweite Losrad (15) und das zweite Festrad (17) des Getriebes (1 ) gebildete Radstufe (i_3) in den Kraftfluss geschaltet wird und wo- bei der als Direktgang ausgelegte vierte Gang durch Schließen des dritten Schalt- elementes (13) geschaltet wird, wodurch die Elektromaschine (EM) mit der Ab- triebswelle (5) drehfest verbunden wird