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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Antriebsmaschine, mit einer Schaltkupplung und mit einem Getriebe, wobei die Antriebsmaschine eine Rotorwelle aufweist und das Getriebe mit einer koaxial zur Rotorwelle auf einer Zentralachse angeordneten Getriebewelle versehen ist und wobei wenigstens zwei Maschinenelemente des Getriebes relativ zueinander um die Zentralachse mittels Radiallagern rotierbar auf der Getriebewelle radial gelagert sind.
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Hintergrund der Erfindung
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In
DE 10 2011 007 266 A1 ist eine Antriebsvorrichtung beschrieben, welche mit einer elektrischen Antriebsmaschine, mit einer Schaltkupplung und mit einem Getriebe versehen ist. Die elektrische Antriebsmaschine weist eine Rotorwelle auf und das Getriebe ist mit einer koaxial zur Rotorwelle auf einer Zentralachse angeordneten Getriebewelle versehen. Wenigstens zwei Maschinenelemente des Getriebes sind relativ zur Getriebewelle und relativ zueinander um die Zentralachse rotierbar auf der Getriebewelle radial gelagert. Wenigstens eines der Maschinenelemente ist ein Element der Schaltkupplung. Die Rotorwelle ist mit zwei Kugellagern drehbar in einem Gehäuse des Elektromotors gelagert.
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Es gibt weitere Antriebsvorrichtungen mit elektrischen Antriebsmaschinen, in denen die Schaltkupplung eine Synchronkupplung ist. Die Elemente der Schaltkupplung und auch damit verbundenen Verzahnungsträger wie Kupplungskörper oder Zahnräder werden mittels Schrägkugellagern zentriert und gegeneinander vorgespannt. Das hat den Vorteil, dass die Anordnung sehr steif wird und genau arbeitet.
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So zeigt z. B.
DE 10 2011 078 774 A1 ein Verteilergetriebe, das in einer Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Antriebsmaschine verwendet werden kann. Das Getriebe ist mit ineinander geschachtelten Getriebewellen versehen, die als Planetenträger ausgeführt sind und auf denen weitere Maschinenelemente, z. B. Planetenträger und Hohlräder, relativ zueinander um die Zentralachse des Getriebes rotierbar radial gelagert sind. Ein in ein Gehäuse installiertes Kugellager ist ein Festlager einer Getriebewelle. Die Maschinenelemente sind mittels Axiallagern axial aneinander abgestützt und mit paarweise wirkenden Schrägkugellagern rotierbar gegeneinander vorgespannt.
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Anordnungen mit Schrägkugellagern sind auch aus Wandler-Automatikgetrieben bekannt.
EP 1 186 803 A2 zeigt ein derartiges Automatikgetriebe. Die zentral angeordnete Getriebewelle ist an einem als Kugellager ausgebildeten Festlager in einem Gehäuse des Getriebes gelagert. Relativ zueinander rotierbare Maschinenelemente wie Zahnräder und Kupplungsteile sind radial und axial an einer Lagerstelle an der Getriebewelle abgestützt. Die Lagerstelle weist ein zweireihiges Schrägkugellager auf, dessen Kugelreihen axial gegeneinander vorgespannt sind.
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Schrägkugellager sind in derartigen Anwendungen aber nur begrenzt einsetzbar, weil diese vergleichsweise geringe Tragzahlen aufweisen. Um hohe Tragzahlen aufnehmen zu können, müssen diese ausreichend groß dimensioniert sein. Große Schrägkugellager beanspruchen dementsprechend mehr Bauraum, der die Gesamtkonstruktion teurer macht oder der nicht zur Verfügung steht.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung zu schaffen, die die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist.
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Die Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Maschinenelemente sind axial aneinander abgestützt. Die Rotorwelle und die Getriebewelle sind gemeinsam an einer ersten Lagerstelle mittels wenigstens eines Festlagers in einem Gehäuse der Antriebsvorrichtung um die Zentralachse der Antriebsvorrichtung rotierbar gelagert und axial an dem Gehäuse abgestützt.
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Die Getriebewelle ist an einer zweiten Lagerstelle mittels wenigstens eines Loslagers radial in dem Gehäuse um die Zentralachse rotierbar gelagert und axial gegenüber dem Gehäuse frei. Die Maschinenelemente sind mittels des Loslagers axial zwischen dem Loslager und dem Gehäuse um die Zentralachse rotierbar eingespannt und gegeneinander mit Axiallagern abgestützt. Das Loslager ist axial an dem Gehäuse abgestützt. Das Loslager ist ein Schräglager, mit dem die Getriebewelle zwar radial an dem Gehäuse gelagert ist, dem gegenüber die Getriebewelle aufgrund eines Schiebesitzes in dem Innenring des Schräglagers aber frei axial beweglich ist. Die Getriebewelle ist deshalb trotz Schräglageranordnung an einer Lagerstelle axial frei. Die Lagerstellen, zwischen denen die Maschinenelemente eingespannt sind, sind auf beiden Seiten durch Axiallager gebildet. Das eine Axiallager ist in eine axiale Richtung axial an dem Schräglager und das andere Axiallager in eine entgegengesetzte axiale Richtung an dem Gehäuse abgestützt. Unter Gehäuse ist ein gemeinsames Gehäuse der Antriebsvorrichtung oder ein zusammengesetztes Gehäuse zu verstehen, das an der einen Seite ein Gehäuse des Elektromotors und an der anderen Seite ein Gehäuse des Getriebes ist.
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Wie schon im Kapitel ”Hintergrund der Erfindung” beschrieben wurde, weisen Schrägkugellager oder Kugellager relativ geringe Tragfähigkeiten auf. Radialkugellager werden dementsprechend groß dimensioniert und beanspruchen viel Bauraum und sind aufgrund ihrer Größe und des damit verbundenen Materialeinsatzes relativ teuer.
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In der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind die Maschinenelemente fest axial zwischen den Teilen des Gehäuses axial gelagert und radial auf der Getriebewelle und/oder Rotorwelle mittels Radiallagern gelagert. Die Radiallager sind axial frei und vorzugsweise Nadellager, die wenig radialen Bauraum beanspruchen und trotzdem hohe Tragzahlen aufweisen. Die Axiallager sind vorzugsweise Axialnadellager, die wenig axialen Bauraum beanspruchen aber hohe Tragfähigkeiten aufweisen. Die Getriebewelle ist aufgrund der Radiallager zumindest innerhalb erforderlicher Spiele und Ausgleichsbewegungen gegenüber den Maschinenelementen axial verschiebbar und an dem Loslager auch gegenüber dem Gehäuse axial frei. Dementgegen sind die Maschinenelemente aufgrund der axialen Einspannung kippsteif und axial spielfrei angeordnet. Radial sind die Maschinenelemente auf der Getriebewelle abgestützt. Die radialen Belastungen werden deshalb an der Festlagerstelle und an der Loslagerstelle der Getriebewelle von dem Gehäuse aufgenommen. Die Getriebewelle und damit auch das Festlager der Getriebewelle sind jedoch von den Wirkungen der auf die Maschinenelemente wirkenden axialen Belastungen frei. Das Festlager nimmt lediglich einen Anteil der auf die Getriebewelle wirkenden radialen Belastungen und weitere an der Getriebewelle wirkende Radiallasten auf. Das Festlager kann deshalb kostengünstig als Kugellager ausgeführt sein. Das Loslager der Getriebewelle, das das Schrägkugellager ist, nimmt sowohl die radialen Belastungen der Getriebewelle, also auch die Anteile der auf die Maschinenelemente wirkenden Radiallasten, auf. Darüber hinaus werden auch die in Richtung des Schräglagers gerichteten axialen Belastungen auf die Maschinenelemente von dem Schräglager aufgenommen. Das Schräglager ist also beides, ein Loslager für die Getriebewelle und ein Festlager für die Maschinenelemente. Unter Loslager sind die Lager zu verstehen, die eine Welle radial abstützen, axial jedoch nicht. Festlager sind die Lager einer Welle, mit denen die Welle radial und axial abgestützt ist.
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Das Schräglager weist vorzugsweise zumindest einen Außenring, einen Innenring und zwischen den Ringen angeordnete Wälzkörper auf. Es ist auch denkbar, dass anstelle eines Außenrings auch eine Außenlaufbahn für die Wälzköper direkt an dem Gehäuse ausgebildet ist. Das Schräglager ist mit dem Außenring gegenüber dem Gehäuse radial und axial abgestützt. Die Getriebewelle ist in dem Innenring des Schräglagers gegenüber dem Innenring und einem Außenring axialbeweglich und über den Innenring, die Wälzkörper und den Außenring radial an dem Gehäuse abgestützt. Das Schräglager ist beispielsweise ein Kegelrollenlager oder ist vorzugsweise ein Schrägkugellager.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Maschinenelemente axial zwischen dem Innenring des Schräglagers und dem Gehäuse eingespannt sind. Dabei liegt eines der Maschinenelemente entweder direkt axial an dem Innenring an, so dass dieses mit den Drehzahlen des Innenringes mit dreht, oder ein Maschinenelement ist über ein Axiallager, vorzugweise über ein Axialnadellager, an dem Innenring abgestützt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Maschinenelemente zwischen dem Innenring und einem Lagerring einer dritten Lagerstelle axial eingespannt sind. Die dritte Lagerstelle weist ein gegen das Gehäuse abgestütztes erstes Axiallager auf. Der Lagerring ist vorzugsweise eine Axialscheibe eines Axialnadellagers.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Maschinenelemente mittels Axiallagern, vorzugsweise mittels Axialnadellagern, gegeneinander abgestützt sind. Das/die Axiallager, mit dem/denen eines der Maschinenelemente gegen den Innenring des Loslagers abgestützt ist, sowie das Schräglager weisen die Zentralachse der Antriebsvorrichtung als gemeinsame Rotationsachse und Teilkreise auf, die untereinander gleich sind. Teilkreise sind gedachte Kreise, die die Rolllinien von Wälzkörpern des Schrägkugellagers oder des zweiten Axiallagers mittig schneidende gedachte Kreise sind. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass Axialkräfte nicht über ”Umwege” also Kröpfungen usw. geleitet werden sondern axial geradlinig und die Anordnung deshalb von daraus resultierenden Kippmomenten frei gehalten ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eines der Maschinenelemente ein Element einer Schaltkupplung ist und wenigstens ein zweites Maschinenelement der Maschinenelemente ein Zahnrad und/oder ein Planetenträger ist. Elemente der Schaltkupplungen sind beispielsweise verschiebbar auf der Getriebewelle angeordnete Kupplungsverzahnungen und Schaltmuffenträger, die rotationsfest mit der Getriebewelle verbunden und über eine Schaltmuffe der Schaltkupplung mit dem zweiten Maschinenelement reib/oder formschlüssig in Eingriff bringbar sind.
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Beschreibung der Zeichnung
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Schemas beschrieben. Das Schema zeigt längs in einem Halbschnitt entlang seiner Zentralachse ZA eine Antriebsvorrichtung 1 mit einer elektrischen Antriebsmaschine 2, mit einer Schaltkupplung K und mit einem Getriebe 3. Die elektrische Antriebsmaschine 2 weist einen Rotor R, einen Stator S und eine Rotorwelle RW auf. Das Getriebe 3 ist mit einer koaxial zur Rotorwelle RW auf der Zentralachse ZA angeordneten Getriebewelle GW versehen. Die Getriebewelle GW und die Rotorwelle RW sind drehstarr miteinander verbunden und gemeinsam um ZA rotierbar.
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Das Getriebe 3 weist zwei Planetentriebe PT1 und PT2 auf. Ein erster Planetentrieb PT1 ist mit einem ersten Sonnenrad SOI, mit ersten Planeten PLI und mit einem ersten Hohlrad HOI versehen. Die ersten Planeten PLI, von denen nur einer bildlich dargestellt ist, sitzen mit radialem Abstand zur Zentralachse ZA rotierbar an einem ersten Planetenträger PTTI und stehen im Zahneingriff mit dem ersten Sonnenrad SOI sowie mit dem ersten Hohlrad HOI, wobei das erste Hohlrad HOI zum Gehäuse GEH fest ist. Das Gehäuse GEH ist ein- oder mehrteilig ausgeführt und nimmt die Baugruppen der Antriebsvorrichtung 1 auf.
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Der zweite Planetentrieb PT2 ist mit einem zweiten Sonnenrad SOII, zweiten Planeten PLII und mit einem zweiten Hohlrad HOII versehen. Die zweiten Planeten PLII, von denen nur einer bildlich dargestellt ist, sitzen mit radialem Abstand zur Zentralachse ZA rotierbar an einem zweiten Planetenträger PTTII und stehen im Zahneingriff mit dem zweiten Sonnenrad SOII und dem zweiten Hohlrad HOII, wobei das zweite Hohlrad HOII zum Gehäuse GEH fest ist.
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Die Schaltkupplung K ist aus Kupplungsverzahnungen K1 und K2 sowie einer Schaltmuffe SM oder einem ähnlich gestalteten Element 9 der Schaltkupplung K gebildet. Die Schaltmuffe SM weist eine Kupplungsverzahnung K3 auf, die mit den Kupplungsverzahnungen K1 und K2 korrespondiert. Weiterhin ist die Schaltmuffe SM mit einer Verzahnung K4 versehen, die mit einer Kupplungsverzahnung K5 korrespondiert.
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Das Maschinenelement 8 ist ein Kupplungskörper der Schaltkupplung K und ist drehfest mit der Getriebewelle GW aber axial verschiebbar auf dieser angeordnet. Die Kupplungsverzahnung K1 sitzt fest an dem zweiten Planetenträger PTTII oder ist mit diesem formschlüssig wirkverbunden. Die zweite Kupplungsverzahnung K2 ist an dem Kupplungskörper ausgebildet oder formschlüssig mit diesem verbunden.
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Der zweite Planetenträger PTTII und das Stirnrad SRI sind relativ zueinander und zur Getriebewelle GW um die Zentralachse ZA rotierbar radial auf der Getriebewelle GW gelagert. Die Getriebewelle GW ist gegenüber den Maschinenelementen 5, 6, 7, 8 des Getriebes 3, also gegenüber dem Stirnrad SR1, gegenüber der Kupplungsverzahnung K2, gegenüber dem ersten Planetenträger PTTI und gegenüber dem zweiten PTTII axial frei. Das Maschinenelement 5 ist das Stirnrad SR1. Das Maschinenelement 6 ist der Planetenträger PTT2. Das Maschinenelement 7 ist der Planetenträger PTT1 und das Maschinenelement 8 ist der schon erwähnte Kupplungskörper der Kupplung K.
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Die Rotorwelle RW sowie die Getriebewelle GW sind gemeinsam an einer ersten Lagerstelle (II) mittels wenigstens eines Festlagers 10 an einem Gehäuse GEH der Antriebsvorrichtung 1 um die Zentralachse ZA der Antriebsvorrichtung 1 rotierbar gelagert und axial an dem Gehäuse GEH in beide axiale Richtungen abgestützt. Das Festlager ist ein Kugellager. Das Gehäuse GEH kann in diesem Fall ein Lagerschild 11 der elektrischen Antriebsmaschine 2 sein. Die Getriebewelle GW ist an einer zweiten Lagerstelle I mittels wenigstens eines Loslagers 12 radial an dem Gehäuse GEH um die Zentralachse ZA rotierbar gelagert und axial gegenüber dem Gehäuse GEH frei beweglich.
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Das Loslager 12 ist ein Schräglager, das als Schrägkugellager ausgebildet ist und einen Außenring 13, als Kugeln 14 ausgebildete Wälzkörper und einen Innenring 15 aufweist. Schräglager sind in der Regel vorgespannt und damit axiale Festlager. Die Getriebewelle GW sitzt jedoch mit einem Schiebesitz axial beweglich in dem Innenring 15. Dementsprechend ist erfindungsgemäß das Schräglager für die Getriebewelle GW ein Loslager 12. Die Maschinenelemente 5, 6, 7, 8 sind axial zwischen dem Loslager 12 und dem Gehäuse GEH um die Zentralachse ZA rotierbar eingespannt. Das Loslager 12 ist über den Außenring 13 axial an dem Gehäuse GEH abgestützt. Die Maschinenelemente 5, 6, 7, 8 sind mittels Radiallagern 22, 23, 24 bzw. 25 auf der Getriebewelle GW gelagert. Die Radiallager 22, 23, 24 und 25 sind Nadellager und Loslager, so dass die Getriebewelle GW gegenüber den Maschinenelementen 5, 6, 7 und 8 axial verschiebbar ist.
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Die Maschinenelemente 5, 6, 7, 8 sind axial zwischen dem Innenring 15 und einem Lagerring 16 eines Wälzlagers einer dritten Lagerstelle V axial eingespannt. Die dritte Lagerstelle V weist ein axial gegen das Gehäuse GEH abgestütztes Axiallager 17 auf und der Lagerring 16 ist eine Axialscheibe des Axiallagers 17.
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Der erste Planetenträger PTTI ist mittels des Axiallagers 17 an dem Gehäuse GEH gelagert und in eine axiale Richtung an dem Gehäuse GEH abgestützt. Zwischen dem ersten Planetenträger PTT1 und dem zweiten Sonnenrad SOII besteht eine axial- und rotationsfeste Verbindung. In die andere axiale Richtung ist der erste Planetenträger PTTI über das Sonnenrad II und ein Axiallager 18 an dem zweiten Planetenträger PTT2 abgestützt und drehbar gelagert. Der zweite Planetenträger PTTII ist über ein Axiallager 19 axial an dem Element 8 der Schaltkupplung K abgestützt. Das Element 8 ist in die eine axiale Richtung mittels des Axiallagers 19 an dem zweiten Planetenträger PTTII und in die andere Richtung mit einem Axiallager 20 an dem Stirnrad SR1 drehbar abgestützt. Das Stirnrad SR1 ist axial zwischen dem Axiallager 20 und einem Axiallager 21 eingespannt. Das Axiallager 21 ist mit einer Axialscheibe axial an dem Innenring 15 axial abgestützt.
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Die Axiallager
17,
18,
19,
20 und
21 sowie das Loslager
12 weisen die Zentralachse ZA als gemeinsame Rotationsachse auf. Die Axiallager
19,
20 und
21 sowie das Loslager
12 weisen untereinander im Durchmesser gleiche Teilkreise auf. Die Teilkreise sind in Radialebenen um die Zentralachse ZA gelegte Kreise mit dem Radius RT, welche die jeweilige Rolllinie
14a,
18a,
19a,
20a oder
21a bzw.
12a des jeweiligen Axiallagers
18,
19,
20 und
21 und des Schrägkugellagers mittig schneiden. Bezugszeichen
| 1 | Antriebsvorrichtung | GEH | Gehäuse |
| 2 | Antriebsmaschine | GW | Getriebewelle |
| 3 | Getriebe | HOI | erstes Hohlrad |
| 4 | nicht belegt | HOII | zweites Hohlrad |
| 5 | Maschinenelement | K | Kupplung |
| 6 | Maschinenelement | K1 | Kupplungsverzahnung |
| 7 | Maschinenelement | K2 | Kupplungsverzahnung |
| 8 | Maschinenelement | K3 | Kupplungsverzahnung |
| 9 | Element der Schaltkupplung | K4 | Kupplungsverzahnung |
| 10 | Festlager | K5 | Kupplungsverzahnung |
| 11 | Lagerschild | | |
| 12 | Loslager | KL | Kugellager |
| 12a | Rolllinie | N | Neutralstellung |
| 13 | Außenring | PLI | erster Planet |
| 14 | Kugel | PLII | zweiter Planet |
| 15 | Innenring | PTI | erster Planetentrieb |
| 16 | Lagerring | PLII | zweiter Planet |
| 17 | Axiallager | PTI | erster Planetentrieb |
| 18 | Axiallager | PTII | zweiter Planetentrieb |
| 18a | Rolllinie | PTII | erster Planetenträger |
| 20 | Axiallager | PTIII | zweiter Planetenträger |
| 20a | Rollinie | R | Radius |
| 21 | Axiallager | RW | Rotorwelle |
| 22 | Radiallager | S | Stator |
| 23 | Radiallager | SM | Schaltmuffe |
| 24 | Radiallager | ZA | Zentralachse |
| 25 | Radiallager | | |