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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, umfassend
- – eine Basis,
- – eine elektrische Maschine mit einem basisfesten Stator und einem radial innerhalb des Stators drehbaren Rotor, der auf einer Rotorwelle angeordnet ist, welche axial einerseits des Stators mittels eines Rotorwellenlagers an der Basis gelagert ist, und
- – ein der elektrischen Maschine axial andererseits des Stators benachbartes Planetengetriebe mit einer mit der Rotorwelle verbundenen Sonne, einem basisfesten Hohlrad und einem Steg, auf dem zum einen an der Sonne und zum anderen an dem Hohlrad abwälzende Planeten drehbar gelagert sind.
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Aus der
DE 10 2012 010 316 A1 ist eine elektromotorische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug bekannt mit einer hochdrehenden elektrischen Maschine und einem nachgeschalteten Reibrollen-Planetengetriebe als eine erste Übersetzungsstufe, dessen Steg die Sonne eines nachgeschalteten Zahnrad-Planetengetriebes trägt. Über die Lagerung der Rotorwelle an der Basis, insbesondere an einem Getriebegehäuse, offenbart die genannte Druckschrift keine Details. Gerade bei hochdrehenden elektrischen Maschinen ist jedoch die Lagerung der mit hoher Drehzahl rotierenden Rotorwelle eine Herausforderung.
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Die eingangs bereits genannte, gattungsbildende Druckschrift
DE 10 2011 076 524 A1 offenbart ein Konzept zur Erhöhung der maximal erreichbaren Drehzahl einer elektrischen Maschine, wobei die Lagerung der Rotorwelle an drei axial beabstandeten Lagerstellen vorgeschlagen wird. Dieses Konzept geht von der Resonanzfrequenz der Rotorwellen-Biegeschwingung als begrenzendem Faktor aus. Diese würde, so die genannte Druckschrift, im Wesentlichen durch den Abstand der beiderseits des Rotors positionierten Rotorwellen-Hauptlager bestimmt. Die Anordnung eines zusätzlichen Rotorwellenlagers soll die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung in einen höherfrequenten Bereich verschieben. Als ein Ausführungsbeispiel offenbart die Druckschrift die Anordnung eines als zusätzliches Rotorwellenlager wirkenden Planetengetriebes auf der der elektrischen Maschine abgewandten Seite eines der Rotorwellen-Hauptlager. Dieser Ansatz löst jedoch nicht das eigentliche Lagerungsproblem einer schnell drehenden Welle.
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Hochdrehzahlfeste Wellenlager müssen gegenüber Lagern langsam drehender Wellen konstruktiv und im Hinblick auf die verwendeten Materialien deutlich aufwendiger gefertigt sein und sind daher wesentlich teurer. Zudem benötigen Sie nicht unerheblichen axialen Bauraum.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Antriebseinheit kosten- und bauraumgünstiger zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Planetengetriebe als ein Reibrad-Planetengetriebe ausgebildet ist, dessen Planeten kraftschlüssig an seinem Hohlrad und seiner Sonne abwälzen, wobei axial zwischen dem Planetengetriebe und dem Rotor kein weiteres Rotorwellenlager angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Reibrad-Planetengetriebe mit basisfestem Hohlrad aufgrund der kraftschlüssigen Verbindung seiner Elemente ein extrem präzises und daher hochdrehzahltaugliches Lager seiner Sonnenwelle darstellt. Ein beim Stand der Technik verwendetes Zahnrad-Planetengetriebe ist hingegen nicht in der Lage, diese Funktion zu erfüllen. Zwar können auch mit einem Zahnrad-Planetengetriebe selbstverständlich Radialkräfte der Sonnenwelle abgestützt werden (hierauf beruht der Gedanke der Resonanzfrequenzverschiebung beim Stand der Technik). Aufgrund des notwendigen Spiels beim Zahneingriff und der unvermeidbaren Zahnverbiegung beim Betrieb erfolgt diese Radialkraftabstützung jedoch nicht mit hinreichender Präzision für hochdrehende elektrische Maschinen, d.h. insbesondere elektrische Maschinen mit Nenndrehzahlen von mehr als 30.000 U/min.
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Die Erfindung macht sich die erläuterte Erkenntnis dergestalt zunutze, dass eines der beim Stand der Technik erforderlichen Rotorwellen-Hauptlager durch das nachgeschaltete Planetengetriebe, nämlich in Form eines Reibrad-Planetengetriebes, ersetzt wird. Es verbleibt somit lediglich die Notwendigkeit eines einzigen hochdrehzahlfesten Rotorwellenlagers auf der getriebeabgewandten Seite der elektrischen Maschine. Zwischen elektrischer Maschine und Planetengetriebe muss jedoch überhaupt kein zusätzliches Lager vorgesehen sein. Hierdurch reduzieren sich die erforderlichen Kosten und es wird zudem erheblicher axialer Bauraum eingespart.
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Man beachte, dass die hochdrehende Rotorwelle am Planetengetriebe endet. Jenseits des Planetengetriebes erstreckt sich der aufgrund der Getriebeübersetzung wesentlich langsamer drehende Steg (die Begriffe „Steg“ und „Sonne“ werden hier sowohl für die zugeordneten Räder bzw. Rollen als auch die zugeordneten Wellen verwendet). Dieser ist günstigerweise mit einem eigenen Lager, dem Steglager, gegen die Basis zu lagern. Aufgrund der wesentlich geringeren Drehzahl des Stegs im Vergleich zur Rotorwelle kann das Steglager jedoch deutlich einfacher und damit kostengünstiger und bauraumsparender ausgestaltet werden als ein Rotorwellenlager.
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Das Steglager ist bevorzugt auf der der elektrischen Maschine abgewandten Seite des Planetengetriebes angeordnet. Hierdurch wird die Länge der schnell drehenden Rotorwelle minimiert, was im Hinblick auf Biegeschwingungen vorteilhaft ist. Es ist alternativ oder zusätzlich jedoch auch möglich, den Steg elektromaschinenseitig als die Rotorwelle koaxial umgreifende Hohlwelle zu gestalten und diese gegen die Basis zu lagern. Auch ein solches Steglager müsste lediglich für die niedrigen Drehzahlen des Stegs ausgelegt sein.
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Bevorzugt ist der Steg mit einem auf der der elektrischen Maschine abgewandten Seite des Steglagers angeordneten Zahnrad verbunden, welches als Eingangsrad einer nachgeschalteten Getriebeeinheit wirkt. Beispielsweise kann dieses Zahnrad die Sonne eines nachgeschalteten Zahnrad-Planetengetriebes sein. Hierdurch wird die Ausbildung einer speziellen Wellenkupplung zur Ankopplung nachgeschalteter Wellen vermieden.
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Das erfindungsgemäß vorgesehene Reibrad-Planetengetriebe kann auf unterschiedliche Weise ausgestaltet und dimensioniert sein – je nach der gewünschten bzw. erforderlichen Übersetzungsleistung. Ist eine besonders hohe Standübersetzung gewünscht, kann es günstig sein, die Planeten des Reibrad-Planetengetriebes als Stufenplaneten auszubilden. Insbesondere hat es sich als günstig erwiesen, die erste Stufe größeren Durchmessers an der Sonne und die zweite Stufe kleineren Durchmessers am Hohlrad abwälzen zu lassen. Sind hingegen kleinere Übersetzungen gewünscht, können auch ungestufte Planeten Einsatz finden.
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Zur Übertragung von Drehmomenten im Reibrad-Planetengetriebe bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad ist die Dimensionierung der Anpresskräfte der Kontaktflächen der einzelnen Getriebeelemente aneinander von Bedeutung. Dem Fachmann sind hier unterschiedliche Ansätze bekannt. Bei einem besonders einfachen und kostengünstigen Ansatz ist das Hohlrad als untermaßiger Reibring ausgestaltet. Eine solche Ausgestaltung hat jedoch aufgrund fehlender Flexibilität im Hinblick auf unterschiedliche Drehzahlen und Drehmomente Wirkungsgradnachteile. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher bevorzugt vorgesehen, dass das Planetengetriebe mit einer Anpressvorrichtung zur Erzeugung einer in Kontaktflächen-Normalenrichtung gerichteten Anpresskraft zwischen den Planeten einerseits und dem Hohlrad und/oder der Sonne andererseits ausgestattet ist. Hier kommen drehmomentproportionale Anordnungen, beispielsweise Kugelrampenanordnungen, hydrostatische und/oder Federvorspannungs-Mechanismen infrage.
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Neben der Drehzahlfestigkeit von Wellenlagern ist auch ihre Dichtigkeit bei hohen Drehzahlen zum Teil problematisch. Es ist daher besonders bevorzugt, die elektrische Maschine als eine nasslaufende elektrische Maschine auszugestalten. Dies eröffnet die Möglichkeit, die elektrische Maschine im selben Gehäuse wie das benachbarte Reibrad-Planetengetriebe, welches in jedem Fall eine Ölschmierung und -kühlung benötigt, anzuordnen. Eine Abdichtung der schnell drehenden Rotorwelle ist daher höchstens auf Seiten des Rotorwellenlagers erforderlich. Getriebeseitig kann hingegen auf eine Abdichtung der Rotorwelle verzichtet werden. Die Dichtung kann vielmehr in Bereiche langsam drehender Wellen, beispielsweise des Stegs des Reibrad-Planetengetriebes und damit in den Bereich des Steglagers verschoben werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit in einer ersten Ausführungsform und
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2 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit in einer zweiten Ausführungsform.
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit 10. Diese umfasst eine als Getriebegehäuse 12 ausgebildete Basis. In dem Getriebegehäuse 12 ist eine elektrische Maschine 14 mit einem gehäusefesten Stator 141 und einem dazu drehbaren Rotor 142 angeordnet. Der Rotor 142 ist auf einer Rotorwelle 16 fixiert. Denkbar ist jedoch auch eine schaltbare Kopplung des Rotors 142 mit der Rotorwelle 16.
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Einerseits der elektrischen Maschine 14, links in 1, ist die Rotorwelle mittels eines hochdrehzahlfesten Rotorwellenlagers 18 gegen das Gehäuse 12 gelagert. Um zu verdeutlichen, dass sowohl der konstruktive Aufwand als auch der Bauraum- und Kostenaufwand für ein derartiges, hochdrehzahlfestes Rotorwellenlager 18 erheblich ist, ist das Bauteil in 1 überproportional groß dargestellt.
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Andererseits der elektrischen Maschine 14, d.h. rechts in 1, ist ein Reibrad-Planetengetriebe 20 innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet. Die Sonne 201 des Planetengetriebes 20 ist als ein auf der Rotorwelle 16 fixiertes Reibrad ausgebildet. Das Hohlrad 202 des Planetengetriebes 20 ist als ein gehäusefester Reibring ausgebildet. Der Steg 203 des Planetengetriebes 20 trägt einen Satz Planetenrollen 204, die einerseits an der Sonne 201 und andererseits am Hohlrad 202 abwälzen. In 1 nicht dargestellt ist eine Anpressvorrichtung, die eine vorzugsweise drehmomentabhängige Anpresskraft in Normalenrichtung der Kontaktflächen zwischen den Planeten 204 und der Sonne 201 bzw. den Planeten 204 und dem Hohlrad 202 erzeugt. Dem Fachmann sind hier jedoch verschiedene Realisierungsmöglichkeiten bekannt.
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Der Steg 203 ist mittels eines Steglagers 22 gegen das Gehäuse 12 gelagert. Aufgrund der Übersetzung des Planetengetriebes 20 rotiert der Steg 203 deutlich langsamer als die Rotorwelle 16, sodass das Steglager nicht als hochdrehzahlfestes Lager, sondern konstruktiv einfacher sowie bauraum- und kostengünstiger ausgestaltet sein kann. Um dies zu verdeutlichen ist das Steglager 22 kleiner gezeichnet als das Rotorwellenlager 18.
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An seinem distalen Ende trägt der Steg 203 ein Zahnrad 24, welches als Eingangselement eines in 1 nicht weiter dargestellten, nachgeschalteten Getriebeelementes, beispielsweise als Sonne eines nachgeschalteten Zahnrad-Planetengetriebes, dienen kann.
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Bei der dargestellten Ausführungsform umgibt das Gehäuse 12 lediglich die elektrische Maschine 14 und das Reibrad-Planetengetriebe 20. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, das Gehäuse auch auf weitere, nicht dargestellte Getriebeelemente zu erweitern und diese in das Gehäuse 12 zu integrieren. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, bei einem Kraftfahrzeugantrieb sämtliche Elemente des Antriebsstrangs bis zu einer Differenzialstufe in das Gehäuse 12 zu integrieren und lediglich die Ausgangswellen der Differenzialstufe, d.h. die Achsschenkel, mittels gedichteter Lager die Wandung des Gehäuses 12 durchsetzen zu lassen. Dies ist insbesondere deshalb günstig, weil die Ausgangswellen der Differenzialstufe typischerweise diejenigen Wellen mit der niedrigsten Drehzahl im gesamten Antriebsstrang darstellen. Entsprechend einfach ist ihre Lagerung und Abdichtung. Gleichwohl wird eine Lagerung des Stegs 203 mittels eines Steglagers 22 erforderlich sein.
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2 zeigt eine Variante der Antriebseinheit 10 von 1, bei der die Planeten 204 des Planetengetriebes 20 als Stufenplaneten ausgebildet sind. Eine erste Stufe, die einen größeren Durchmesser aufweist, wälzt dabei an der Sonne 201 ab, während eine zweite Stufe 204b, die einen kleineren Durchmesser aufweist, am Hohlrad 202 abwälzt. Durch die Verwendung gestufter Planeten 204 kann im Planetengetriebe 20 eine größere Übersetzung erzielt werden, sodass die Drehzahl des Stegs 203 relativ zur Drehzahl der Rotorwelle 16 noch geringer ist als bei der Ausführungsform von 1. Entsprechend kann das Steglager 22 noch einfacher gestaltet sein.
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Im Übrigen kann vollumfänglich auf das oben zu 1 gesagte verwiesen werden.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist die spezielle Ausgestaltung von der Antriebseinheit
10 nachgeschalteten Elementen eines Antriebsstrangs weitgehend frei wählbar. Als besonders vorteilhafte Anwendung kann ein Übersetzungs- und Ausgleichsgetriebe gem. der
DE 10 2012 010 316 A1 angesehen werden, wobei das Planetengetriebe
20 in der in der genannten Druckschrift offenbarten Form ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebseinheit
- 12
- Gehäuse
- 14
- elektrische Maschine
- 141
- Stator von 14
- 142
- Rotor von 14
- 16
- Rotorwelle
- 18
- Rotorwellenlager
- 20
- Planetengetriebe
- 201
- Sonne von 20
- 202
- Hohlrad von 20
- 203
- Steg von 20
- 204
- Planet von 20
- 204a
- erste, größere Stufe von 204
- 204b
- zweite, kleinere Stufe von 204
- 22
- Steglager
- 24
- Zahnrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011076524 A1 [0002, 0004]
- DE 102012010316 A1 [0003, 0029]