DE-102025002027-B3 - Antriebseinheit und Verfahren zum Betrieb

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit (1) zumindest umfassend zumindest zwei Antriebe (15), zumindest ein Gehäuse, darin zumindest angeordnet zumindest zwei, koaxial zur Hauptachse (2) angeordnete, Antriebseingangssegmente (3), wobei jedes Antriebseingangssegment (3) zumindest einen Drehmomentüberträger (6) besitzt, ein mehrgängiges Planetengetriebe, umfassend zumindest ein, koaxial zur Hauptachse (2) angeordnetes Planetengetriebe, umfassend zumindest ein Hohlrad (10), ein Trägerrad (8), ein Sonnenrad (7) und eine Abtriebswelle (11.5), und zumindest fünf mechanische Schaltelemente, wobei das Sonnenrad (7), das Trägerrad (8) oder das Hohlrad (10) drehfest mit der Abtriebswelle (11.5) verbunden ist und ein Verfahren zum Betrieb und zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses der Antriebseinheit (1)

Inventors

• Jim Mario Müller
• Andreas Tatus

Assignees

• Andreas Tatus

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20250613

Claims (12)

1. Antriebseinheit (1) zumindest umfassend - zumindest zwei Antriebe (15), - zumindest ein Gehäuse, darin zumindest angeordnet - zumindest zwei, koaxial zur Hauptachse (2) angeordnete, Antriebseingangssegmente (3), - wobei jedes Antriebseingangssegment (3) zumindest einen Drehmomentüberträger (6) besitzt, - ein mehrgängiges Planetengetriebe, umfassend - zumindest ein, koaxial zur Hauptachse (2) angeordnetes Planetengetriebe, umfassend zumindest - ein Hohlrad (10), - ein Trägerrad (8), - ein Sonnenrad (7) - und eine Abtriebswelle (11.5), - und zumindest fünf mechanische Schaltelemente, wobei das Sonnenrad (7), das Trägerrad (8) oder das Hohlrad (10) drehfest mit der Abtriebswelle (11.5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , dass jedem Drehmomentüberträger (6) und dem mit dem Drehmomentüberträger (6) verbundenen Antriebseingangssegment (3) jeweils zumindest ein Antrieb (15) zugeordnet ist, die zumindest zwei Antriebseingangssegmente (3), durch zumindest ein mechanisches Schaltelement miteinander koppelbar sind, jedes der zumindest zwei Antriebseingangssegmente (3), jeweils und getrennt voneinander mit zumindest jeweils einem Bestandteil zumindest eines Planetengetriebes des mehrgängigen Planetengetriebes, nämlich mit Hohlrad (10), Trägerrad (8) oder Sonnenrad (7), durch ein mechanisches Schaltelement drehfest koppelbar ist, wobei die zumindest zwei Antriebseingangssegmente (3) mit verschiedenen Bestandteilen zumindest eines Planetengetriebes des mehrgängigen Planetengetriebes, nämlich entweder mit Sonnenrad (7) und Trägerrad (8) oder mit Sonnenrad (7) und Hohlrad (10) oder mit Trägerrad (8) und Hohlrad (10), die nicht mit der Abtriebswelle (11.5) des Planetengetriebes des mehrgängigen Planetengetriebes verbunden sind, koppelbar sind, die zwei Bestandteile zumindest eines Planetengetriebes des mehrgängigen Planetengetriebes, welche nicht mit der Abtriebswelle (11.5) verbunden sind, nämlich entweder das Sonnenrad (7) und das Trägerrad (8) oder das Sonnenrad (7) und das Hohlrad (10) oder das Trägerrad (8) und das Hohlrad (10), jeweils durch zumindest ein mechanisches Schaltelement, das eine feste Verbindung mit dem Gehäuse aufweist, zumindest in einem Drehsinn blockierbar sind, die zumindest zwei Antriebe (15) der Antriebseingangssegmente (3) elektrisch betreibbar sind, die Antriebseinheit (1) zumindest ein elektronisches Hauptsteuergerät umfasst und die elektrisch betreibbaren Antriebe (15) der Antriebseingangssegmente (3) unabhängig voneinander sowohl zum Antrieb des mehrgängigen Planetengetriebes als auch im Zusammenspiel mit den mechanischen Schaltelementen und dem elektronischen Hauptsteuergerät zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses der Antriebseinheit (1) benutzbar sind, die mechanischen Schaltelemente der zumindest fünf mechanischen Schaltelemente, durch welche die zumindest zwei Antriebseingangssegmente (3) mit den Bestandteilen des Planetengetriebes des mehrgängigen Planetengetriebes, die nicht mit der Abtriebswelle (11.5) verbunden sind, nämlich entweder das Sonnenrad (7) und das Trägerrad (8) oder das Sonnenrad (7) und das Hohlrad (10) oder das Trägerrad (8) und das Hohlrad (10), drehfest koppelbar sind, Sperrvorrichtungen (12) sind, wobei die zumindest zwei elektrisch betreibbaren Antriebe (15) der Antriebseinheit (1) im Zusammenspiel mit dem elektronischen Hauptsteuergerät zur Positionierung der formschlüssigen Sperrelemente (13b) und (13c) der Sperrvorrichtungen (12) benutzbar sind und wobei die zumindest zwei elektrisch betreibbaren Antriebe (15) der Antriebseinheit (1) im Zusammenspiel mit dem elektronischen Hauptsteuergerät zum Halten der Schaltposition der formschlüssigen Sperrelemente (13b) und (13c) der Sperrvorrichtungen (12) benutzbar sind.
2. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet , dass die mechanischen Schaltelemente der zumindest fünf mechanischen Schaltelemente, durch welche die zwei Bestandteile zumindest eines Planetengetriebes des mehrgängigen Planetengetriebes, welche nicht mit der Abtriebswelle (11.5) verbunden sind, blockierbar sind, Sperrvorrichtungen (12) sind.
3. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet , dass die zumindest fünf mechanischen Schaltelemente Sperrvorrichtungen (12) sind.
4. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass an der Abtriebswelle des mehrgängigen Planetengetriebes eine Verzögerungseinheit (26) angeordnet ist.
5. Verfahren zum Betrieb und zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses einer Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 , 2 , 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet , dass die elektrisch betreibbaren Antriebe (15) der Antriebseingangssegmente (3), unabhängig voneinander sowohl zum Antrieb des mehrgängigen Planetengetriebes als auch im Zusammenspiel mit den mechanischen Schaltelementen und dem elektronischen Hauptsteuergerät zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses der Antriebseinheit (1) benutzt werden, wobei die zumindest zwei elektrisch betreibbaren Antriebe (15) der Antriebseinheit (1) im Zusammenspiel mit dem elektronischen Hauptsteuergerät zur Positionierung der formschlüssigen Sperrelemente (13b) und (13c) der Sperrvorrichtungen (12) benutzbar sind und wobei die zumindest zwei elektrisch betreibbaren Antriebe (15) der Antriebseinheit (1) im Zusammenspiel mit dem elektronischen Hauptsteuergerät zum Halten der Schaltposition der formschlüssigen Sperrelemente (13b) und (13c) der Sperrvorrichtungen (12) benutzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , dass während des Schaltens einer Sperrvorrichtung (12) im Zuge der Änderung des Übersetzungsverhältnisses der Antriebseinheit (1) die Abtriebswelle des mehrgängigen Planetengetriebes durch zumindest einen der elektrisch betreibbaren Antriebe (15) der Antriebseinheit (1) angetrieben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurchgekennzeichnet, dass während des Schaltens einer Sperrvorrichtung (12) im Zuge der Änderung des Übersetzungsverhältnisses der Antriebseinheit (1) das mehrgängige Planetengetriebe durch von außerhalb des Gehäuses über die Abtriebswelle des mehrgängigen Planetengetriebes auf das mehrgängige Planetengetriebe wirkende Drehmomente zur Rekuperation angetrieben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 , 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet , dass die an der Abtriebswelle des mehrgängigen Planetengetriebes in Bezug auf den Kraftfluss vor und nach der Verzögerungseinheit (26) mittels der Sensoreinheiten des elektronischen Hauptsteuergerätes ermittelten Drehmomente durch das elektronische Hauptsteuergerät benutzt werden, um Drehmoment- und Drehzahldifferenzen und deren zeitlichen Versatz in Bezug auf den Kraftfluss vor und hinter der Verzögerungseinheit (26) zu ermitteln und unter Zuhilfenahme dieser Informationen die Schaltzeiten der Sperrvorrichtungen (12) und damit auch die für die Änderung des Übersetzungsverhältnisses der erfindungsgemäßen Antriebseinheit (1) erforderliche Zeit zu verringern.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 , 6 , 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet , dass von einem elektrischen Leiter am Gehäuse induktiv auf einen elektrischen Leiter an einer drehbaren Welle der Antriebseinheit (1) eine elektrische Energiemenge übertragen wird, zumindest um auf dieser drehbaren Welle eine Sperrvorrichtung (12) elektrisch zu betreiben, durch welche eine drehfeste Verbindung zwischen zwei drehbaren Wellen der Antriebseinheit (1) herstellbar ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet , dass von einem elektrischen Leiter an einer drehbaren Welle der Antriebseinheit (1), in welchem induktiv eine Spannung erzeugt wird, über einen weiteren, mit diesem elektrischen Leiter elektrisch verbundenen, elektrischen Leiter induktiv auf einen elektrischen Leiter an einer weiteren drehbaren Welle der Antriebseinheit (1) eine elektrische Energiemenge übertragen wird, zumindest um auf dieser drehbaren Welle eine Sperrvorrichtung (12) elektrisch zu betreiben, durch welche eine drehfeste Verbindung zwischen zwei drehbaren Wellen der Antriebseinheit (1) herstellbar ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 , dadurch gekennzeichnet , dass der Übertragungsweg für die zum Betrieb der Sperrvorrichtungen (12) elektrisch oder nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion übertragene Energiemenge gleichermaßen für die bidirektionale Kommunikation zwischen elektronischem Hauptsteuergerät und zumindest den elektronischen Steuergeräten der Sperrvorrichtungen (12), welche eine drehfeste Verbindung zwischen zwei drehbaren oder sich drehenden Wellen der Antriebseinheit (1) herstellen können, benutzt wird.
12. Verwendung der Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 , 2 , 3 oder 4 zum Antrieb von Kraft-, Schienen-, Luft- und Wasserfahrzeugen, oder als Generator für Wind- oder Wasserkraftanlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit 1 gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher definierten Art und weiterhin ein Verfahren zum Betrieb dieser Antriebseinheit 1 gemäß Patentanspruch 5. Es sind nach Stand der Technik elektrische Maschinen, wie beispielsweise Elektromotoren und Elektrogeneratoren, bekannt. Aufgabe von Elektromotoren ist es, elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln. Sie setzen eine elektrische Leistung in eine mechanische Leistung um. Diese mechanische Leistung wird mit einem bestimmten Drehmoment bei einer bestimmten Umdrehungszahl an der Abtriebswelle bereitgestellt. Elektrogeneratoren werden hingegen eingesetzt, um eine mechanische Leistung in eine elektrische Leistung umzusetzen. Elektrische Maschinen sind in verschiedenen Baugrößen, mit verschiedener Leistung bekannt. Sie umfassen nach dem Stand der Technik zumeist mindestens einen Stator und mindestens einen Rotor. Der Rotor wird unter Nutzung von Anziehungs- und Abstoßungskräften, die mehrere Magnetfelder zwischen Stator und Rotor aufeinander ausüben, in eine Drehbewegung versetzt. Der Stator oder der Rotor besitzt Permanentmagnete und der andere Bestandteil elektrische Spulen, oder Stator und Rotor besitzen elektrische Spulen. Es gibt weiterhin Ausführungen, bei welchen das umlaufende Magnetfeld des Rotors durch magnetisierbare Eisenkerne mit Polen erzeugt wird. Solche Motoren werden als Reluktanzmotoren bezeichnet. Magnetisierbare Eisenkerne mit Polen werden in der Literatur auch als Blechpakete bezeichnet. Es ist bekannt, dass ein Zusammenhang zwischen den Größen: Leistung der elektrischen Maschine, der Umdrehungszahl ihrer Ab- oder Antriebswelle und dem Drehmoment an ihrer An- oder Abtriebswelle besteht. Um Drehmomente zu wandeln, kommen mechanische Getriebe zum Einsatz. Es sind mechanische Getriebe bekannt, welche die Umdrehungszahl zwischen ihrer Antriebswelle und ihrer Abtriebswelle umwandeln. Dabei wird ein bestimmtes Drehmoment bei einer bestimmten Umdrehungszahl der jeweiligen Welle in ein anderes bestimmtes Drehmoment mit einer anderen bestimmten Umdrehungszahl der jeweils anderen Welle umgewandelt und für den entsprechenden Anwendungsfall bereitgestellt. Es sind weiterhin auch mechanische Getriebe in Form von mehrgängigen Planetengetrieben bekannt. Es sind Planetengetriebe bekannt, welche aus einem Sonnenrad, einem Hohlrad und einem Planetenträger, auch als Trägerrad bezeichnet, mit einem oder mehreren daran befestigten Planetenrädern aufgebaut sind. Weiterhin sind als mehrgängige Planetengetriebe auch zusammengesetzte Planetengetriebe bekannt, welche aus mehreren Planetengetrieben aufgebaut sind. Dabei gibt es Ausführungen bei welchen mehrere Planetengetriebe drehfest gekoppelt sind. Die Schaltung der Gänge, also die Änderung des Übersetzungsverhältnisses, innerhalb der mehrgängigen Planetengetriebe erfolgt nach Stand der Technik über verschiedenartige mechanische Schaltelemente. Mechanische Schaltelemente sind in der Getriebetechnik aus verschiedenen kraftschlüssigen oder formschlüssigen Verbindungselementen aufgebaut. Formschlüssige Verbindungselemente können dabei auch kraftbeaufschlagt sein. Als auf Kraftschluss der Verbindungselemente basierende mechanische Schaltelemente sind zum Beispiel Bremsen, Kupplungen, zum Beispiel in Form von Reibkupplungen, oder radial ausgebildete Überholkupplungen, auch in Funktion von Rücklaufsperren oder auch Freiläufen, Rücklaufsperren, deren Sperrrichtung für einen Kraftschluss hinsichtlich des Drehsinns umkehrbar ist oder die abschaltbar sind, Überholkupplungen die abschaltbar sind bekannt. Auf Formschluss basierende Ausführungen der genannten mechanischen Schaltelemente bestehen zum Beispiel aus Verbindungselementen wie Klauen, Zähnen, Stiften oder Bolzen und Aussparungen. Diese können je nach Ausführung auch kraftbeaufschlagt sein. Mechanische Schaltelemente, speziell Sperrvorrichtungen, aufgebaut aus solchen, optional kraftbeaufschlagten, formschlüssigen Verbindungselementen, im Weiteren in dieser Patentschrift auch als Sperrelemente bezeichnet, sind unter anderem in EP 1 820 251 B1, EP 3 744 998 A1 oder auch EP 1 958 314 B1 offenbart. Mechanische Schaltelemente können dabei pneumatisch, hydraulisch, mechanisch oder auch elektrisch geschaltet werden. Dies kann auch durch einen Aktuator erfolgen. Es sind zum Beispiel elektrisch betriebene Schaltklauen bekannt. Ein Beispiel hierfür ist in DE 10 2022 122 486 A1 beschrieben. Technisch auf ähnlichen Prinzipien aufgebaut, werden in der Patentliteratur in EP 3 748 185 B1 auch elektromagnetische Zahnkupplungen oder auch elektromagnetische Klauenkupplungen beschrieben. Zudem sind Kombinationen aus elektrischen Maschinen und mehrgängigen Planetengetrieben bekannt. Derartige Kombinationen, bei welchen das mehrgängige Planetengetriebe ganz oder teilweise innerhalb des Rotors der elektrischen Maschine liegt, sind zum Beispiel aus DE 10 2007 021 359 B4, DE 44 07 714 C1, DE 10 2012 210 242 A1 und DE 10 2020 106 248