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1. WO2020108678 - ELECTROMECHANICAL DRIVE ASSEMBLY FOR A MOTOR VEHICLE

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Elektromechanische Antriebsanordnunq

für ein Kraftfahrzeug

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor, einem Reduktionsgetriebe, das als Stirnradge triebe ausgeführt ist, und einem Achsdifferentialgetriebe, zur Verzweigung der über das Reduktionsgetriebe geführten Antriebsleistung auf eine erste und eine zweite Radantriebswelle.

Aus DE 10 2015 110 839 A1 ist eine derartige Antriebsanordnung bekannt. Das Stirn radgetriebe ist dort als zweistufig schaltbares Getriebe ausgeführt. Das Stirnradgetrie be weist eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle auf. Auf der Eingangswelle sit zen zwei Antriebsstirnräder, auf der Ausgangswelle sitzen zwei getriebene Stirnräder sowie ein zur Weiterführung der Leistung vorgesehenes Abtriebszahnrad. Das auf der Eingangswelle sitzende erste Antriebsstirnrad und das mit diesem in Eingriff stehende getriebene erste Stirnrad der Ausgangswelle realisieren ein erstes Übersetzungsver hältnis. Das auf der Eingangswelle sitzende zweite Antriebsstirnrad und das mit die sem in Eingriff stehende zweite Stirnrad der Ausgangswelle realisieren ein zweites Übersetzungsverhältnis. Das zweite Antriebsstirnrad ist mit der Eingangswelle über eine Kupplungseinrichtung schaltbar koppelbar. Die beiden auf der Ausgangswelle sitzenden und dabei getriebenen Räder sind über Freiläufe mit der Ausgangswelle gekoppelt, so dass die Ausgangswelle das jeweilige nicht lastführende, jedoch in glei cher Richtung mitlaufende, getriebene Rad überholen kann. Einer der Freiläufe ist da bei schaltbar überbrückbar.

Bei verbreiteten Getriebekonzepten mit Stirnradstufen werden die zu schaltenden Gänge, wie oben schon beschrieben, mit Hilfe von Kupplungen und Synchronisatio nen geschaltet. Um einen Gang während der Fahrt einlegen zu können, wird zunächst durch das Treten der Kupplung der Motor von der Eingangswelle des Getriebes kine matisch getrennt. Anschließend wird die Drehzahl der Eingangswelle unter Berück-

sichtigung des Zielübersetzungsverhältnisses auf die Drehzahl des gewählten Gangrades synchronisiert. Erst dann wird eine formschlüssige Verbindung der Ein gangswelle mit dem Rad des gewünschten Ganges herbeigeführt. Dieser Vorgang ist in automatisierten Getriebekonzepten für den Fahrkomfort nachteilig, da bei den Schaltvorgängen der Verbrennungsmotor vom Getriebe getrennt wird. Dementspre chend fließt temporär keine Leistung über das Getriebe. Es entsteht eine sogenannte Zugkraftunterbrechung, welche vom Fahrer als Längsdynamikschwingung wahrnehm bar ist. In manuell geschalteten Getrieben ist dieser Vorgang weniger kritisch, da der Fahrer selbst den Schaltvorgang veranlasst und der Zugkrafteinbruch mit dem vom Fahrer selbst abgewickelten Schaltvorgang kausal einhergeht. In automatisierten Ge triebekonzepten wird der Fahrer mehr oder weniger durch die schaltungsbedingten Längsdynamikschwingungen überrascht. Bei einem Doppelkupplungsgetriebe kann dieses Problem durch eine Überblendung des Schließens und des Öffnens der Kupp lungen vermieden werden. Diese Überblendung kann auch unter Last erfolgen sodass es zu keiner, oder zumindest nicht signifikanten Zugkraftunterbrechung kommt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromechanische Antriebseinrich tung zu schaffen, die sich durch einen robusten und kostengünstig realisierbaren Auf bau sowie ein vorteilhaftes mechanisches Schalt- und Betriebsverhalten auszeichnet.

Erfindungsgemäße Lösung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektromechanische An triebsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit:

- einem ersten Elektromotor mit einem ersten Stator und einem ersten Rotor,

- einem Reduktionsgetriebe, das als Stirnradgetriebe ausgeführt ist und eine Ein gangswelle sowie eine Ausgangswelle aufweist, wobei

- das Reduktionsgetriebe eine erste Stirnradstufe mit einem ersten Übersetzungsver hältnis und eine zweite Stirnradstufe mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis auf weist,

- die erste Stirnradstufe ein erstes Antriebsstirnrad und ein Abtriebsstirnrad aufweist,

- das erste Antriebsstirnrad auf der Eingangswelle sitzt und in das erste Abtriebsstirn rad eingreift, das auf der Ausgangswelle sitzt,

- die zweite Stirnradstufe ein zweites Antriebsstirnrad, eine Zwischenradanordnung und ein zweites Abtriebsstirnrad aufweist und dabei zur ersten Stirnradstufe gegen sinnig übersetzt,

- in der ersten Getriebestufe ein erster Freilauf vorgesehen ist,

- in der zweiten Getriebestufe ein zweiter Freilauf vorgesehen ist,

- der erste Freilauf bei Drehung der Eingangswelle in einer ersten Drehrichtung in ei nen Koppelungszustand gelangt,

- der zweite Freilauf bei Drehung der Eingangswelle in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung in einen Koppelungszustand gelangt,

- die Eingangswelle durch den ersten Elektromotor angetrieben wird,

- ein zweiter Elektromotor vorgesehen ist, der einen zweiten Rotor und einen zweiten Stator aufweist, und

- der zweite Elektromotor über die Zwischenradanordnung kinematisch an die zweite Getriebestufe angekoppelt ist.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Antriebsanordnung zu schaffen, bei welcher mit hoher Dynamik und ohne signifikante Zugkraftunterbrechung durch Drehrichtungswechsel des ersten Elektromotors und temporäre Aktivierung des zwei ten Elektromotors das Übersetzungsverhältnis an die Fahrzeuggeschwindigkeit und den aktuellen Antriebsdrehmomentenbedarf angepasst werden kann. Durch den zwei ten Elektromotor kann im Rahmen eines Drehrichtungswechsels des ersten Elektro motors temporär die Antriebsleistung auf einem Niveau gehalten werden das den Leistungsbeitrag des ersten Elektromotors kompensiert. Die Leistungsabgabe des zweiten Elektromotors kann dabei deutlich über der zulässigen Permanentbelastung des zweiten Elektromotors liegen und die Dauer der Peak-Belastung beträgt üblicher weise weniger als zwei Sekunden. Der zweite Elektromotor kann auch zur Realisie rung einer Boostfunktion oder auch zur Realisierung einer Rückwärtsgangfunktion herangezogen werden.

Weiterhin kann über den zweiten Elektromotor ebenfalls eine Energierekuperation im Schubbetrieb des Fahrzeuges realisiert werden. Die Heranziehung der Zwischenrad-

anordnung für die Anbindung des zweiten Elektromotors ermöglicht auch die Nutzung der Übersetzung zwischen der Zwischenradanordnung und dem Abtriebsstirnrad zur Drehmomentenerhöhung.

Die Zwischenradanordnung kann aus einem einzigen Zwischenrad bestehen das in das zweite Antriebsstirnrad und das zweite Abtriebsstirnrad eingreift. Die Zwischen radanordnung kann auch aus zwei zueinander gleichachsig angeordneten Zwischen rädern bestehen die entweder direkt starr miteinander gekoppelt sind oder über den zweiten Freilauf miteinander unidirektional drehfest gekoppelt sind.

Die Antriebsanordnung kann so ausgelegt sein, dass diese eine der Übersetzungsstu fen als Übersetzungsstufe für den primär genutzten Standardbetrieb vorsieht. Die durch Drehrichtungsumkehr des Elektromotors aktivierbare andere Übersetzungsstufe kann dann entweder die Stufe für sehr hohe Fahrzeugendgeschwindigkeiten oder für sehr hohe Radantriebsdrehmomente sein.

Die Auswahl der jeweiligen Übersetzungsstufe kann von Zusatzinformationen abhän gig getroffen werden, sodass z.B. beim Anfahren aus dem Stand bei ansteigender Fahrbahn zunächst die Stufe mit der höheren Übersetzung durch eine elektronische Steuereinrichtung ausgewählt wird, wogegen in einer Phase mit weitgehend lastfreiem Segelbetrieb dann für den weiteren Antrieb die Motordrehrichtung gewählt wird, bei welcher die Übersetzungsstufe für hohe Fahrzeuggeschwindigkeiten den Leistungs transfer übernimmt. Der Wechsel der Übersetzungsstufe kann im Rahmen einer Fahr zeugbetriebsphase erfolgen, in welcher die Motorlast des ersten Motors temporär auch durch den zweiten Elektromotor aufgebracht werden kann, so dass der Leis tungseinbruch während des Drehrichtungswechsels des ersten Elektromotors zumin dest weitgehend durch den zweiten Elektromotor kompensiert werden kann, bis der erste Elektromotor wieder einen Leistungsbeitrag liefert. Der Schaltpunkt muss nicht auf eine bestimmte Motordrehzahl oder Fahrzeuggeschwindigkeit festgelegt sein, so kann z.B. ein Kriterium für das Schalten zwischen den Übersetzungsverhältnissen für einen relativ breiten Geschwindigkeitsbereich vorgesehen sein und das Schalten er folgt, wenn in diesem Bereich temporär eine bestimmte Lastanforderung nicht über schritten wird, wobei zusätzlich zur Kompensationswirkung des zweiten Elektromotors bei einem Hybridfahrzeug auch durch entsprechende Ansteuerung des Primärantriebs noch ein weiterer Leistungsbeitrag geliefert werden kann.

Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, dass das Fahrzeug ohne Mit nahme des Rotors des ersten Elektromotors einen Rollzustand einnimmt, wobei dann in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit bei Vorliegen einer Lastanforderung durch die Steuereinrichtung entschieden wird, mit welchem Übersetzungsverhältnis der Lastanforderung entsprochen werden soll und das gewünschte Übersetzungsver hältnis durch Einstellung der dieses Übersetzungsverhältnis generierenden Drehrich tung des ersten Rotors gewählt wird. Bei einem besonders hohen Drehmomentenbe-darf kann der zweite Elektromotor unterstützend aktiviert werden.

Der erste Rotor wird bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung nicht zwangswei se mitgeschleppt und bei Antrieb des Fahrzeuges durch einen Primärantrieb können dann beide Freiläufe lastfrei öffnen. Es ist weiterhin möglich, die Wahl des Überset zungsverhältnisses von fahrerseitig vorgenommenen Einstellungen abhängig zu ma chen. So ist es möglich, dem Fahrer im Bereich des Bedienumfeldes Eingabeeinrich tungen bereitzustellen, durch welche dieser z.B. einen bestimmten„Gang“ und damit eine bestimmte Drehrichtung des Motors wählen kann. Weiterhin kann er auch einen bestimmten Betriebsmodus, z.B. einen Sportbetriebsmodus wählen, bei welchem sich eine für das Beschleunigen optimierte Schaltcharakteristik ergibt, oder einen Energie sparmodus, in welchem der erste Elektromotor in einem hinsichtlich des Wirkungsgra des vorteilhaften Drehzahlbereich aktiv ist. Es ist auch möglich, die Unterstützungs charakteristik des zweiten Elektromotors von fahrerseitigen Einstellungen abhängig zu machen, so dass z.B. in einem Sportmodus der zweite Elektromotor nach der tempo rären Leistungskompensation einen zusätzlichen Schubbeitrag („Boost“) liefert.

Der zweite Elektromotor kann auch zur Synchronisation der über die Freiläufe ge trennten Getriebeabschnitte herangezogen werden, insbesondere bei Einsatz von schaltbaren Überbrückungskupplungen auf welche noch eingegangen werden wird.

Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann einen Primärantrieb eines Kraftfahr zeuges bilden. Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung kann in vorteilhafter Weise auch einen Sekundärantrieb für ein Kraftfahrzeug bilden, während an der anderen Achse der Primärantrieb beispielsweise in Form eines Verbrennungsmotors oder einer weiteren elektrischen Maschine sitzt. Der Sekundärantrieb, oder wahlweise auch die gesamte Achse mit dem Sekundärantrieb, ist vorzugsweise optional abschaltbar (AWD-Disconnection, Hang-On-Kupplung).

Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass der erste Freilauf im ersten Antriebszahnrad angeordnet ist. Der zweite Freilauf ist dann vorzugsweise im zweiten Antriebszahnrad angeordnet. Die Freiläufe können als form- und/oder reibschlüssig koppelnde Freiläufe ausgebildet sein. Sie können so ausgebildet sein, dass die Flerbeiführung eines Koppelungszustands auch unter Wir kung von Zahnreaktionskräften und z.B. einer damit einhergehenden zumindest ge ringen axialen Verlagerung eines schräg verzahnten Antriebsrades unterstützt wird.

Die Antriebsanordnung ist weiterhin vorzugsweise derart ausgebildet, dass über die erste Stirnradstufe ein erstes Übersetzungsverhältnis realisiert wird, dessen Betrag größer ist als der Betrag eines zweiten Übersetzungsverhältnisses, das über die zwei te Stirnradstufe realisiert wird. In diesem Fall hat dann das erste Antriebszahnrad ei nen kleineren Kopfkreisdurchmesser als das zweite Antriebszahnrad. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Übersetzungsverhältnisse so abzustimmen, dass das erste Übersetzungsverhältnis betragsmäßig kleiner ist als das zweite. In diesem Falle hat dann das zweite Antriebszahnrad den kleineren Kopfkreisdurchmesser und die Über brückung der Abstände der Antriebswelle und der Abtriebswelle erfolgt durch jenen Zahnradzug, der durch die Zwischenradanordnung und das zweite Abtriebszahnrad gebildet wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Eingangs welle zur ersten Rotorachse gleichachsig ausgerichtet, oder wird direkt durch die erste Rotorwelle angetrieben, oder durch die erste Rotorwelle gebildet.

Alternativ zu der oben genannten Variante ist es auch möglich, die Antriebsanordnung so zu gestalten, dass auf der Eingangswelle ein Vorstufenrad sitzt, wobei dann dieses Vorstufenrad durch ein Antriebsritzel angetrieben wird, das auf der ersten Rotorwelle des Elektromotors sitzt. Es ist auch möglich, den ersten Elektromotor mit der Ein gangswelle über ein anderweitig aufgebautes Vorstufengetriebe, z.B. ein Planetenge- triebe zu koppeln. Letzteres kann dann vorzugsweise hinsichtlich seiner Zentralachse koaxial zur Eingangswelle angeordnet sein.

Bei einer Integration eines Achsdifferentialgetriebes direkt in die Antriebsanordnung können das erste und das zweite Abtriebsstirnrad oder zumindest eines dieser Zahn räder, direkt auf einem Umlaufgehäuse, d.h. auf dem Korb des Achsdifferentialgetrie bes sitzen. Die Eingangswelle und die Ausgangswelle sind vorzugsweise zueinander parallel ausgerichtet und das Achsdifferentialgetriebe kann direkt in dem Getriebege häuse der Antriebsanordnung aufgenommen sein.

Die Antriebsanordnung ist vorzugsweise dazu ausgelegt, in verbautem Zustand in ei nem Kraftfahrzeug so angeordnet zu sein, dass die Eingangswelle quer zur Fahr zeuglängsrichtung ausgerichtet ist. Die Antriebsanordnung bildet dabei vorzugsweise ein Achsantriebsmodul, das in einem Zwischenbereich zwischen einem linken und ei nem rechten Fahrzeugrad angeordnet ist. Soweit die Antriebsanordnung als Sekun därantrieb fungiert, sitzt sie dabei vorzugsweise im Bereich der vom Primärantrieb weiter beabstandeten Fahrzeugachse . Es ist möglich, Gehäuseabschnitte der An triebsanordnung als Anbindungsstellen für Radaufhängungsorgane zu nutzen. Das Gehäuse der Antriebsanordnung kann dabei als Vorder- oder Hinterachsträger fungie ren und z.B. Lagerstellen für Dreiecks- oder Querlenker, sowie auch für Federungsor gane, insbesondere Federbeine oder Torsionsfedern bereitstellen.

Bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung sind beide Getriebestufen mit gegen läufigen Freiläufen ausgestattet. Je nach Drehrichtung der ersten E-Maschine erfolgt der Kraftfluss entweder über den ersten Gang oder über den zweiten Gang und dabei über die Zwischenradanordnung zur Abtriebswelle. Durch die Drehrichtungsumkehr der ersten E-Maschine kann damit zwischen zwei Übersetzungen geschaltet werden.

Das Getriebe der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung umfasst eine Antriebswelle, eine Zwischenradanordnung, eine Abtriebswelle und Freiläufe oder Überholkupplun gen als vorzugsweise passive Schaltelemente.

Bei einer ersten Variante sitzen auf der Antriebswelle zwei Zahnräder, welche jeweils über einen gegenläufigen Freilauf mit der Antriebswelle verbunden sind. Die Zahnrä- der auf der Abtriebswelle sind fest mit der Welle verbunden. Die Freiläufe der Gang paare sind dabei immer gegenläufig ausgeführt. So wird jeweils nur ein Zahnrad je Drehrichtung der E-Maschine angetrieben. Beim ersten Gang erfolgt der Kraftfluss di rekt vom Antriebsrad zum Abtriebsrad. Beim zweiten Gang erfolgt der Kraftfluss vom Antriebsrad über die Zwischenradanordnung zum Abtriebsrad. Die Zwischenradan ordnung kompensiert die Drehrichtungsumkehr der ersten E-Maschine und das Ab triebsrad wird damit wieder mit der richtigen Drehrichtung angetrieben. Somit ist ein Gangwechsel im Zuge einer Drehrichtungsumkehr der ersten E-Maschine möglich. Es wird hierzu in einer einfachsten Ausführungsform, keine weitere Schalteinrichtung be nötig, was die Kosten, den benötigten Bauraum und das Gewicht des Getriebes ver ringert. Es wird auch kein zusätzlicher Schaltaktuator benötigt. Der zweite Elektromo tor ist an die Zwischenradanordnung angebunden, und die Antriebsleistung des zwei ten Elektromotors wird von der zweiten Rotorwelle in die Zwischenradanordnung ein gekoppelt.

Die beiden Freiläufe sind so orientiert, dass in Abhängigkeit von der Drehrichtung der ersten Rotorwelle einer der Freiläufe lastfrei ist und der andere aktiv ein Drehmoment überträgt. Die Wälzlager befinden sich vorzugsweise neben den Freiläufen. Die Ab triebswelle ist vorzugsweise zugleich der Korb, der Steg oder das Umlaufgehäuse ei nes zur Leistungsverzweigung vorgesehenen Differentialgetriebes. Dieses Differenti algetriebe kann in besonders vorteilhafter Weise als Kegel- oder als Stirnraddifferenti al ausgebildet sein.

Die Übersetzungsverhältnisse der beiden Stufen können so abgestimmt sein, dass durch diese auch bestimmten Einsatzszenarien besonders vorteilhaft entsprochen werden kann, so kann die hoch übersetzende Stufe auf eine Wirkungsgradoptimie rung im innerstädtischen Betrieb, z.B. im Betrieb bei Fahrzeuggeschwindigkeiten bis 60 km/h ausgelegt sein und die geringer übersetzende Stufe für den Betrieb außer halb geschlossener Ortschaften. Vorzugsweise wird jene Stufe, welche die Zwischen radanordnung umfasst für den statistisch selteneren Anwendungsfall herangezogen, sodass die Leistungsführung über den zusätzlichen Zahneingriff der Zwischenradan ordnung in das Abtriebszahnrad seltener erfolgt als über die Stufe mit einem direkten Eingriff des Antriebszahnrades in das Abtriebszahnrad der Ausgangswelle.

Der zweite Elektromotor befindet sich in der zweiten Getriebestufe in einem Abschnitt der permanent mit der Ausgangswelle mitläuft. Der zweite Freilauf befindet sich im Bereich zwischen der Eingangswelle und dem Zwischenrad. Der zweite Elektromotor ist damit über den zweiten Freilauf von dem ersten Elektromotor getrennt und bei An trieb des Zwischenrades durch den zweiten Elektromotor kann der zweite Freilauf den zum ersten Elektromotor führenden Antriebsstrangabschnitt temporär lastfrei überho len. Der erste Elektromotor kann damit kein Gegenmoment gegen die Antriebsleistung des zweiten Elektromotors aufbauen, da in diesem Falle der zweite Freilauf öffnet.

Durch das erfindungsgemäße Konzept wird eine Leistungsüberblendung ermöglicht, welche den Antriebsleistungsabfall des ersten Elektromotors während eines Drehrich tungswechsels kompensiert, so dass für den Fahrer kein Zugkrafteinbruch erkennbar ist. Die Leistung des zweiten Elektromotors wird im Falle eines„Gangwechsels“ auf den aktuellen Leistungsbezug„kurz vor dem Schalten“ des ersten Elektromotors ab gestimmt. Die entsprechende Steuerung hierzu kann adaptiv ausgelegt sein und ins besondere Informationen zum allgemeinen Betriebszustand des Fahrzeuges berück sichtigen und den Leistungsbezug des zweiten Elektromotors anhand eines Modells einstellen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen den Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:

Figur 1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaues einer erfin dungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung gemäß einer ers ten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaues einer erfin dungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung ähnlich der An triebsanordnung nach Figur 1 , jedoch mit einer zusätzlichen schaltbaren Überbrückungskupplung

Figur 3 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaues einer erfin dungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung gemäß einer drit ten Ausführungsform der Erfindung wiederum ähnlich Figur 1 , wobei jedoch der erste Freilauf auf der Ausgangswelle sitzt;

Figur 4 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaues einer erfin dungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung gemäß einer vier ten Ausführungsform der Erfindung, mit einem in die Abtriebswelle integrier ten Achsdifferentialgetriebe, sowie zudem mit einem zwischen dem ersten Elektromotor und der Eingangswelle vorgesehenen Vorstufengetriebe, wo bei der zweite Freilauf in der Zwischenradanordnung sitzt

Figur 5 eine Übersichtsdarstellung zur Erläuterung der Aktivitäten der beiden Elekt romotoren, der Freiläufe und der Fahrzeuglängsbeschleunigung

Ausführliche Beschreibung der Figuren

Die Darstellung nach Figur 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug. Die Antriebsanordnung umfasst einen ersten Elektromotor E1 mit einem ersten Stator S1 und einem ersten Rotor R1. Die Antriebsanordnung umfasst weiter ein Reduktionsge triebe G, das als Stirnradgetriebe ausgeführt ist und eine Eingangswelle EW sowie ei ne Ausgangswelle AW aufweist.

Das Reduktionsgetriebe G umfasst eine erste Stirnradstufe GS1 mit einem ersten Übersetzungsverhältnis i1 und eine zweite Stirnradstufe GS2 mit einem zweiten und dabei gegensinnigen Übersetzungsverhältnis i2. Die erste Stirnradstufe GS1 weist ein erstes Antriebsstirnrad S1A und ein erstes Abtriebsstirnrad S1 B auf. Das erste An triebsstirnrad S1A sitzt auf der Eingangswelle EW und greift in das erste Abtriebsstirn rad S1 B ein, das auf der Ausgangswelle AW sitzt.

Die zweite Stirnradstufe GS2 weist ein zweites Antriebsstirnrad S2A, eine Zwischen radanordnung S2Z und ein zweites Abtriebsstirnrad S2B auf. Das zweite Antriebsstirn rad S2A sitzt auf der Eingangswelle EW und greift dabei in das Zwischenrad Z1 der Zwischenradanordnung S2Z ein. Das Zwischenrad Z1 greift radial von außen her in das zweite Abtriebsstirnrad S2B ein, das auf der Ausgangswelle AW sitzt.

Bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist zwischen der Eingangswelle EW und dem ersten Antriebsstirnrad S1A ein erster Freilauf FR1 vorgesehen. Zudem ist zwischen der Eingangswelle EW und dem zweiten Antriebsstirnrad S2A ein zweiter Freilauf FR2 vorgesehen. Der erste Freilauf FR1 gelangt in einer ersten Drehrichtung der Eingangswelle EW in einen Koppelungszustand und der zweite Freilauf FR2 ge langt in einer der ersten Drehrichtung der Eingangswelle EW entgegengesetzten Drehrichtung in einen Koppelungszustand.

Der erste Freilauf FR1 ist im ersten Antriebszahnrad S1A angeordnet. Der zweite und dabei zum ersten Freilauf FR1 gegensinninge Freilauf FR2 ist im zweiten Antriebs zahnrad S2A angeordnet. Über die erste Stirnradstufe GS1 wird ein erstes Überset zungsverhältnis i1 realisiert, dessen Betrag bei diesem Ausführungsbeispiel größer ist als der Betrag des zweiten Übersetzungsverhältnisses i2, das über die zweite Stirn radstufe GS2 realisiert wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Eingangswelle EW zur Rotorachse X des ers ten Elektromotors E1 gleichachsig ausgerichtet und die Eingangswelle EW wird hier bei direkt durch die erste Rotorwelle RW1 angetrieben oder auch direkt durch die ers te Rotorwelle RW1 gebildet.

Die Antriebsanordnung umfasst einen zweiten Elektromotor E2. Der zweite Elektromo tor E2 ist über dessen zweite Rotorwelle RW2 an das Zwischenrad Z1 angekoppelt. Der zweite Elektromotor E2 kann leistungsmäßig kleiner ausgelegt sein als der erste Elektromotor E1 und dabei so dimensioniert sein, dass durch diesen, Lasteinbrüche während des Drehrichtungswechsels des ersten Elektromotors kompensiert werden können. Vorzugsweise ist der zweite Elektromotor E2 auch so ausgelegt, dass über diesen eine für einen Rückwärtsgang ausreichenden Antriebsleistung bereitstellbar ist. Es ist möglich, zwischen dem zweiten Elektromotor E2 und dem Zwischenrad Z1 eine Kupplungseinrichtung vorzusehen, durch welche der zweite Elektromotor E2 von dem Zwischenrad Z1 selektiv abkoppelbar ist. Diese Kupplungseinrichtung kann im Zu sammenspiel mit dem zweiten Rotor R2 des zweiten Elektromotors E2 realisiert sein, indem dieser beispielsweise bei Aktivierung des zweiten Stators S2 eine Axialverlage rung vollführt und damit eine Kupplung betätigt.

Die Darstellung nach Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, die als Vor der- oder Hinterachs-Antriebseinheit in das Kraftfahrzeug eingebunden werden kann.

Für diese Antriebsanordnung gelten die Ausführungen zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 sinngemäß. Diese zweite Ausführungsform umfasst zusätzlich eine Überbrü ckungskupplung UK, zur Überbrückung des ersten Freilaufes FR1 derart, dass im Rahmen eines Schubbetriebs des Kraftfahrzeuges über das erste Antriebsstirnrad S1A ein Leistungstransfer (Rekuperation) in die Eingangswelle EW bewerkstelligbar ist. Diese Überbrückungskupplung ermöglicht es, den ersten Elektromotor E1 auch für den Rückwärtsgang zu nutzen und damit auch eine den zweiten Elektromotor E2 er forderlichenfalls unterstützende Rückwärtsgangfunktion.

Die Überbrückungskupplung UK ist hier beispielhaft als formschlüssig koppelnde Klauenkupplung ausgeführt und koppelt in eingerücktem Zustand das erste Antriebs stirnrad S1A torsionsstarr mit der Eingangswelle EW. Die Überbrückungskupplung UK wird über eine Aktuatoreinrichtung OP in einen geforderten Schaltzustand verbracht. Die Aktuatoreinrichtung OP wird über eine Steuereinrichtung C angesteuert welche auch den ersten Elektromotor E1 und den zweiten Elektromotor E2 ansteuert und die Drehzahlen der Eingangswelle EW und der Ausgangswelle AW berücksichtigt. Der zweite Elektromotor E2 ist auch hier über dessen zweite Rotorwelle RW2 an das Zwi schenrad Z1 angekoppelt.

Die Darstellung nach Figur 3 zeigt eine dritte Variante der erfindungsgemäßen elekt romechanischen Antriebsanordnung. Bei dieser Ausführungsform ist, abweichend von

den Varianten nach den Figuren 1 und 2, der erste Freilauf FR1 im ersten Abtriebs zahnrad S1 B angeordnet. Der zweite Freilauf FR2 ist - wie bei den Ausführungsbei spielen nach den Figuren 1 und 2 - im zweiten Antriebszahnrad S2A angeordnet. Über die erste Stirnradstufe GS1 wird ein erstes Übersetzungsverhältnis i1 realisiert, des sen Betrag bei diesem Ausführungsbeispiel größer ist, als der Betrag des zweiten Übersetzungsverhältnisses i2, das über die zweite Stirnradstufe GS2 realisiert wird. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den Figuren 1 und 2 sinngemäß. Der zweite Elektromotor E2 ist auch hier an das Zwischenrad Z1 der Zwischenradanordnung S2Z angekoppelt und damit permanent mit der Ausgangswelle AW antriebsverbunden.

Die Darstellung nach Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, die wiede rum als Vorder- oder Flinterachs-Antriebseinheit in ein Kraftfahrzeug eingebunden werden kann.

Diese Antriebsanordnung umfasst wiederum einen ersten Elektromotor E1 mit einem ersten Stator S1 und einem ersten Rotor R1 sowie ein Reduktionsgetriebe G, das als Stirnradgetriebe ausgeführt ist und eine Eingangswelle EW sowie eine Ausgangswelle AW aufweist. Das Reduktionsgetriebe G umfasst auch hier eine erste Stirnradstufe GS1 mit einem ersten Übersetzungsverhältnis i1 und eine zweite Stirnradstufe GS2 mit einem zweiten und zudem gegensinnigen Übersetzungsverhältnis i2. Die erste Stirnradstufe GS1 weist ein erstes Antriebsstirnrad S1A und ein erstes Abtriebsstirn rad S1 B auf. Das erste Antriebsstirnrad S1 A sitzt auf der Eingangswelle EW und greift in das erste Abtriebsstirnrad S1 B ein, das auf der Ausgangswelle AW sitzt.

Die zweite Stirnradstufe GS2 weist ein zweites Antriebsstirnrad S2A, eine Zwischen radanordnung S2Z und ein zweites Abtriebsstirnrad S2B auf. Die Zwischenradanord nung S2Z bildet hier ein Zwischenradpaar, das aus einem ersten und aus einem zwei ten Zwischenrad Z1 , Z2 besteht. Das zweite Antriebsstirnrad S2A sitzt auf der Ein gangswelle EW und greift dabei in das erste Zwischenrad Z1 des Zwischenradpaares S2Z ein. Das zweite Zwischenrad Z2 des Zwischenradpaares S2Z greift radial von außen her in das zweite Abtriebsstirnrad S2B ein, das auf der Ausgangswelle AW sitzt.

Bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist zwischen der Eingangswelle EW und dem ersten Antriebsstirnrad S1A ein erster Freilauf FR1 vorgesehen. Zudem ist zwischen dem ersten Zwischenrad Z1 und dem zweiten Zwischenrad Z2 ein zweiter Freilauf FR2 vorgesehen. Der erste Freilauf FR1 gelangt in einer ersten Drehrichtung der Eingangswelle EW in einen Koppelungszustand, und der zweite Freilauf FR2 ge langt bei Drehung der Eingangswelle EW in einer der ersten Drehrichtung entgegen gesetzten Drehrichtung in einen Koppelungszustand.

Das erste Zwischenrad Z1 und das zweite Zwischenrad Z2 bilden gemeinsam die Zwischenradanordnung S2Z, die nachfolgend auch als Zwischenradpaar bezeichnet wird. Die beiden Zwischenräder Z1 , Z2 sind zueinander gleichachsig axial benachbart angeordnet und die zweite Freilaufeinrichtung FR2 ist zwischen diesen beiden Zwi schenrädern Z1 , Z2 so angeordnet, dass die Zwischenräder Z1 , Z2 in eine Richtung ein Drehmoment übertragen können, bei Belastung in Gegenrichtung jedoch entkop pelt sind, so dass kein Drehmoment zwischen den Zwischenrädern Z1 , Z2 übertragen wird. Der zweite Freilauf FR2 kann insbesondere als Klemmkörperfreilauf ausgeführt sein und axial zwischen den Zwischenrädern Z1 , Z2 angeordnet sein.

Der erste Freilauf FR1 ist im ersten Antriebszahnrad S1 A angeordnet. Der zweite Frei lauf FR2 ist im Zwischenradpaar S2Z angeordnet. Über die erste Stirnradstufe GS1 wird ein erstes Übersetzungsverhältnis realisiert, dessen Betrag größer ist als der Be trag eines zweiten Übersetzungsverhältnisses, das über die zweite Stirnradstufe GS2 realisiert wird.

Die Antriebsanordnung umfasst ebenfalls einen zweiten Elektromotor E2. Der zweite Elektromotor E2 ist über dessen zweite Rotorwelle RW2 an das zweite Zwischenrad Z2 angekoppelt. Der zweite Elektromotor E2 kann leistungsmäßig kleiner ausgelegt sein als der erste Elektromotor E1 und dabei so dimensioniert sein, dass durch die sen, Lasteinbrüche während des Drehrichtungswechsels des ersten Elektromotors E1 kompensiert werden können. Vorzugsweise ist der zweite Elektromotor E2 auch so ausgelegt, dass über diesen eine für einen Rückwärtsgang ausreichenden Antriebs leistung bereitstellbar ist. Es ist möglich, zwischen dem zweiten Elektromotor E2 und dem Zwischenrad Z2 eine Kupplungseinrichtung vorzusehen, durch welche der zweite Elektromotor E2 von dem Zwischenrad Z2 selektiv abkoppelbar ist. Diese Kupplungs einrichtung kann im Zusammenspiel mit dem Rotor R2 des zweiten Elektromotors E2 realisiert sein, indem dieser beispielsweise bei Aktivierung des zweiten Stators S2 ei ne Axialverlagerung vollführt und damit eine Kupplung betätigt. Der zweite Elektromo tor E2 kann zwischen dem ersten und dem zweiten Antriebsstirnrad S1A, S2A ange ordnet sein. Vorzugsweise befindet sich der zweite Elektromotor wie dargestellt, auf der dem Achsdifferential AD abgewandten Seite des zweiten Zwischenrades Z2, so dass der zweite Stator S2 sich in Richtung zum benachbarten Fahrzeugrad RW hin erstreckt.

Abweichend von den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 , 2 und 3 ist bei die sem Ausführungsbeispiel die Eingangswelle EW zur Rotorachse X des ersten Elekt romotors E1 nicht gleichachsig ausgerichtet, sondern zu dieser parallel versetzt. Die Eingangswelle EW wird indirekt unter Einbindung eine Vorstufe GS3 angetrieben. Die Vorstufe GS3 umfasst ein Stirnrad S3A das direkt durch die erste Rotorwelle RW1 angetrieben wird, und weist zudem ein Stirnrad S3B auf, das auf der Eingangswelle EW sitzt und mit dem Stirnrad S3A in Eingriff steht.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist nunmehr ein Achsdifferentialgetriebe AD, das der Verzweigung der Antriebsleistung auf eine linke und eine rechte Radantriebs welle WSL, WSR dient derart in die Antriebsanordnung eingebunden, dass dessen Umlaufgehäuse ADFI als Abtriebswelle AW und Träger der beiden Abtriebszahnräder S1 B, S2B fungiert. Das Achsdifferentialgetriebe AD ist vorzugsweise als Kegel- oder als Stirnraddifferentialgetriebe ausgebildet. Das Umlaufgehäuse ADFI ist zur Rotor achse X gleichachsig angeordnet. Die erste Rotorwelle RW1 ist als Flohlwelle ausge führt und ein Abschnitt der Radantriebswelle WSL ist koaxial durch die erste Rotorwel le RW1 hindurchgeführt. Die Radantriebswellen WSL, WSR sind hier beispielhaft als Gelenkwellen dargestellt. Es ist auch möglich, die Antriebsanordnung als Starrachs modul auszubilden, dann kann auf die angedeuteten Gelenke verzichtet werden.

Die Eingangswelle EW und die Ausgangswelle AW sind zueinander parallel ausge richtet. Die Antriebsanordnung ist dazu ausgelegt, in verbautem Zustand in einem Kraftfahrzeug so angeordnet zu sein, dass die Eingangswelle EW quer zur Fahr-

zeuglängsrichtung ausgerichtet ist. Dabei kann die Antriebsanordnung ein Achsan-triebsmodul bilden, das in einem Zwischenbereich zwischen einem linken und einem rechten Fahrzeugrad LW, RW angeordnet ist.

Die Freiläufe FR1 , FR2 gelangen in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors R des ersten Elektromotors E1 in einen Koppelungs- oder in einen Freilaufzustand. Die Freiläufe FR1 , FR2 können als reib- und/oder formschlüssig koppelnde Freiläufe oder Überholkupplungen ausgebildet sein. Es ist möglich, die Freiläufe FR1 , FR2 auch im Zusammenspiel mit einer axialen Verlagerbarkeit der Stirnräder zu realisieren, so können z.B. die Freiläufe FR1 , FR2 so ausgebildet sein, dass diese zunächst als reib schlüssig koppelende Strukturen die ihnen zugeordneten Zahnräder mitnehmen, wo bei dann aufgrund von Zahnreaktionskräften, z.B. Axialkräften einer entsprechend ausgelegten Schrägverzahnung, die Zahnräder axial verlagert werden und dann auch noch einen formschlüssigen Koppelungszustand mit ihrer Antriebswelle einnehmen. Flierdurch ergibt sich ein besonders hohes Drehmomentübertragungsvermögen und eine Entlastung der reibschlüssig koppelnden Freiläufe.

Weiterhin ist es möglich, das bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel vor gesehene und der Drehrichtungsumkehr dienende Zwischenradpaar S2Z als axial länger gestrecktes Zahnradpaar auszubilden und dieses dabei derart in die An triebsanordnung einzubinden, dass das zweite Zwischenrad Z2 ebenfalls in das erste Abtriebszahnrad S1 B eingreift. Auf das zweite Abtriebszahnrad S2B kann dann ver zichtet werden. Es ist weiterhin möglich, das erste und das zweite Abtriebszahnrad S1 B, S2B baugleich auszuführen und über das Zwischenradpaar S2Z dann den Zahn radzug zum zweiten Antriebszahnrad S2A zu schließen, wobei das zweite Antriebs zahnrad S2A dann vorzugsweise einen kleineren Kopfkreisdurchmesser aufweist als das erste Antriebszahnrad S1A. In diesem Falle wird dann das betragsmäßig größere Übersetzungsverhältnis über die zweite Stirnradstufe GS2 bewerkstelligt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es auch in vorteilhafter Weise mög lich, die beiden Stirnradstufen GS1 , GS2 so auszulegen, dass auch die Achse X2 des Zwischenrades S2Z in der durch die Achsen XEW, XAW der Eingangswelle EW und der Abtriebswelle EW definierten Achsebene zu liegen kommt. Diese Maßnahme ist

insbesondere für die Realisierung des hier nicht dargestellten Getriebegehäuses in Wannenbauweise von besonderem Vorteil.

Soweit das Getriebegehäuse in Topfbauweise realisiert wird, kann die Achse X2 des Zwischenradpaare S2Z auch zur vorstehend gennannten Ebene parallel versetzt sein. Die Eingangswelle EW und die Ausgangswelle AW, insbesondere wenn diese das Achsdifferentialgetriebe AD trägt, werden dann vorzugsweise von einander entgegen gesetzten Seiten in das Getriebegehäuse eingesteckt. Der Abschluss des Getrie begehäuses auf der Seite des Elektromotors E1 kann durch einen Anschlussflansch des Elektromotors bewerkstelligt werden oder auch durch einen Gehäuseabschnitt der das Vorstufengetriebe GS3 in sich trägt.

Im weiten Sinne besteht die Erfindung in einer elektromechanischen Antriebsanord nung für ein Kraftfahrzeug mit zwei gegensinnig übersetzenden Stirnradstufen die pa rallele Leistungstransferwege mit abweichenden und gegensinnigen Übersetzungs verhältnissen bilden, wobei diese Stirnradstufen unter Einbindung derart abgestimmt orientierter Freiläufe lastführend sind, dass durch die Wahl der Drehrichtung des ers ten Elektromotors das für den Leistungstransfer zum Getriebeausgang hin wirksame Übersetzungsverhältnis selektierbar ist und über den zweiten Elektromotor auch in ei ner Phase des Drehrichtungswechsels des Rotors des ersten Elektromotors die An triebsanordnung ein hinreichendes Antriebsmoment an der Ausgangswelle bereitstel len kann.

Die Darstellung nach Figur 5 veranschaulicht die Funktionsweise der erfindungsge mäßen Antriebsanordnung in Verbindung mit fünf Betriebsphasen PH1 , PH2, PH3, PH4 und PH5. In der Betriebsphase PH1 dreht der Antriebsmotor E1 in positiver Dreh richtung und erzeugt die Antriebsleistung. Der erste Freilauf FR1 in der ersten Gang stufe GS1 greift und überträgt die Antriebsleistung über die erste Gangstufe GS1 auf die Ausgangswelle AW. Im Anschluss gelangt die Antriebsleistung über die Aus gangswelle AW und von dort auf das Achsdifferential AD.

In der Betriebsphase PH2 kann abhängig vom Leistungsbedarf parallel dazu der An triebsmotor E2 ein weiteres Antriebsmoment erzeugen, welches direkt über die Zwi schenradanordnung S2Z und das Differenzial AD auf die Räder übertragen wird.

Soll nun der Gang geschalten werden, d.h. das Antriebsmoment des ersten Motors E1 über die zweite Gangstufe GS2 übertragen werden, so muss zunächst das Moment am ersten Antriebsmotor E1 reduziert werden. Es erfolgt eine Reduzierung der Zug kraft am Rad, welche aber durch den zweiten Antriebsmotor E2 zumindest teilweise kompensiert werden kann. Dieser Zusammenhang ist in der Betriebsphase PH3 ver anschaulicht.

In der Betriebsphase PH4 erfolgt eine Drehrichtungsumkehr am Antriebsmotor E1. Der erste Freilauf FR1 der ersten Gangstufe GS1 öffnet. Gleichzeitig schließt der ge genläufig orientierte Freilauf FR2 in der zweiten Gangstufe GS2. Das Antriebsmoment des ersten Motors E1 kann nun über die zweite Gangstufe GS2 übertragen werden.

Optional kann nun in der Betriebsphase PH weiterhin der Antriebsmotor E2 verwendet oder nicht mehr verwendet werden.

Soweit die erforderliche Antriebsleistung ausschließlich über den nunmehr in Gegen richtung rotierenden ersten Elektromotor E1 aufgebracht werden soll, wird in der Be triebsphase PFI5 der zweite Elektromotor E2 nicht mehr weiter angesteuert und die Leistung des ersten Elektromotors E1 über den zweiten Freilauf FR2 durch die zweite Getriebestufe GS2 geführt.

In dem in die Darstellung eingebundenen Diagramm ME veranschaulicht das oberste Graphenpaar das Drehmoment des ersten Elektromotors E1 (Volllinie) und des zwei ten Elektromotors E2 (Strichlinie).

Im darunterliegenden Diagramm RPM sind die Drehzahlen der Rotorwellen darge stellt. Dort zeigt die Volllinie die Drehzahlzunahme der Rotorwelle des zweiten Elekt romotors E2, die Strichlinie den Drehzahlverlauf der Rotorwelle des ersten Elektromo tors. Der Nulldurchgang der Drehzahl der Rotorwelle des ersten Elektromotors E1 er folgt in Phase PH3.

Der Graph a (Strichlinie) veranschaulicht qualitativ die Längsbeschleunigung eines Kraftfahrzeuges das mit einer entsprechenden Antriebseinrichtung ausgestattet ist.

Der Graph MFR Zeigt das von den Freiläufen FR1 , FR2 übertragene Drehmoment. Die Volllinie zeigt dabei das Drehmoment im ersten Freilauf FR1 und die Strichlinie das Drehmoment das vom zweiten Freilauf FR2 übertragen wird. Wie erkennbar, liegt in der Phase PFI3 an keinem der Freiläufe FR1 , FR2 ein Drehmoment an. Der vollstän dig fehlende Leistungsbeitrag des ersten Elektromotors E1 wird in dieser Phase PH3 vollständig durch den zweiten Elektromotor E2 kompensiert.

Durch dieses Getriebekonzept wird eine unterbrechungsfreie Schaltung gewährleistet, da zu jedem Zeitpunkt ein Antriebsmoment an den Rädern anliegt. Die E-Motoren können optional temporär in Überlast betrieben werden, um somit den Komfort weiter hin zu steigern.