DE102006014514A1 - Antriebsstrang und Herstell- und Einbauverfahren - Google Patents

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Abstract

Es wird vorgeschlagen ein Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten angetriebenen Achse und mit einer zweiten angetriebenen Achse, wobei wenigstens eine der angetriebenen Achsen zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Antriebseinheiten zum Antrieb eines linken bzw. eines rechten Rades aufweist. Dabei sind die Antriebseinheiten über einen Rahmen miteinander verbunden und bilden mit diesem eine Baugruppe, die anstelle einer herkömmlichen Achsbaugruppe einbaubar ist (Fig. 1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten angetriebenen Achse, die mittels eines ersten Antriebsmotors antreibbar ist, und mit einer zweiten angetriebenen Achse, wobei die zweite angetriebene Achse zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Antriebseinheiten zum Antrieb eines linken bzw. eines rechten Rades aufweist.
  • Allgemein geht es um ein Projekt mit der Bezeichnung „EHA" (Elektrische Hinterachse). Hierbei handelt es sich um eine Antriebskomponente für Hybridfahrzeugs mit folgendem Aufbau:
    • – Die Vorderachse wird von einem Verbrennungsmotor angetrieben.
    • – Der Antrieb der Hinterachse erfolgt elektrisch, mit der Möglichkeit des Rekuperierens.
  • Im speziellen Fall soll ein konventionelles Fahrzeug (mit einer angetriebenen Achse) oder ein Allradfahrzeug zum Hybridfahrzeug umgerüstet werden. Die Allradfunktionalität soll hierbei geschaffen bzw. erhalten bleiben, nur das eine wie oben beschriebene Aufteilung des Antriebsstrangs erfolgt.
  • Die besondere Schwierigkeit ergibt sich aus dem zur Verfügung stehendem Bauraum in Verbindung mit den Anforderungen an Leistung, Drehzahl und Drehmoment.
  • Für den elektrischen Antrieb, bestehend aus Motor (Motoren), Getriebe (Getrieben) und Differenzial steht im wesentlichen der Bauraum des ursprünglich verwendeten Hinterachsdifferenzials (Achsbaugruppe) zur Verfügung. Von diesem Bauraum soll nicht abgewichen werden, da sonst unerwünschte Änderungen der umliegenden Bauteile und Baugruppen erforderlich würden.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Konzept, das die geforderten Anforderungen erfüllen kann. Das Konzept stellt sich in einer bevorzugten Ausführungsform wie folgt dar, wobei er findungsgemäß wenigstens eines der folgenden Merkmale realisiert wird:
    • – Der elektrische Antrieb besteht aus zwei (mechanisch) getrennten Systemen (Antrieben).
    • – Beide Antriebe sind baugleich und spiegelsymmetrisch zur Fahrzeuglängsachse angeordnet.
    • – Durch die getrennte Bauweise wird das mechanische Differential durch das „Elektrische Differenzial" ersetzt und somit Bauraum für Motor und Getriebe gewonnen
    • – Durch die getrennte Bauweise sind ESP und Sperrdifferenzialfunktionalitäten darstellbar.
    • – Die Motoren sind für maximales Drehmoment und bestmögliche Ausnutzung des Bauraums als Synchronmaschinen in Außenläuferbauweise konzipiert.
    • – Die Motoren verfügen für maximales Drehmoment und optimale Ausnutzung des Bauraums über eine gestufte Stator und Rotorbauweise.
    • – Der Stator ist wassergekühlt.
    • – Der Rotor ist luftgekühlt, da er gleichzeitig das Motorgehäuse darstellt und somit frei in der Umgebungsluft bzw. im Fahrtwind rotiert.
    • – Jeder Antrieb verfügt über ein eigenes, schaltbares Planetengetriebe, das mindestens drei Schaltstufen ermöglicht, nämlich eine Schaltstufe abhängig von der gewählten Übersetzung der Planetenstufe oder -stufen (z.B. 2,5 < i < 7), eine Schaltstufe i = 1 und eine Neutralstufe.
    • – Das Sonnenrad des Planetengetriebes ist treibend (Motor), der Planetenträger stellt den Abtrieb dar.
    • – Für optimale Bauraumausnutzung sind die Planetenträger gleichzeitig die Gehäuse der getriebeseitigen Gleichlaufgelenke der Antriebswellen.
    • – Beide Antriebe werden von einem gemeinsamen Hilfsrahmen aufgenommen, so dass sich eine Einheit ergibt, die wiederum über die bereits vorhandenen Anbindungspunkte mit dem Fahrschemel des Fahrzeugs verbunden wird.
  • Dies ist in den Figuren dargestellt.
  • Eine Antriebshälfte ist in 2 und 3 dargestellt. Die Fahrzeugmitte ist schematisch dargestellt, Hilfsrahmen und zweite Antriebshälfte sind in 3 nicht bzw. nicht vollständig zu sehen. Das Planetengetriebe ist nicht vollständig dargestellt; es fehlt in der Darstellung z.B. eine Schaltaktuatorik zum automatisierten Betätigen der Schaltmuffe.
  • In 4 sind zwei Antriebseinheiten spiegelbildlich an einem Rahmen gelagert, der mittels Befestigungspunkten an einem Chassis festlegbar ist. Die Rotordeckel 66 liegen einander unmittelbar gegenüber.
  • In 5 und 6 ist eine abgewandelte Ausführungsform einer Achsbaugruppe gezeigt.
  • Diese nutzt ebenfalls über einen gestuften Motor den Bauraum optimal aus. Bei dieser Variante steht für beide Räder nur ein Antriebsmotor zur Verfügung, der jedoch wie bei Variante-1 auch als Außenläufer ausgeführt ist. Zur Lagerung von Rotor, Stator und Getriebe wurde hier ein „Gehäuserahmen" entworfen. Hierbei handelt es sich um ein Gehäuse, das über einen geschlossenen Bereich zur Aufnahme des Getriebes (Planetenradsatz und Differenzial) verfügt, und einen offenen Bereich, der den Motor mit einem "Rahmen" umfasst und diesen freiliegend aufnimmt. Diese Bauweise zeichnet sich dadurch aus, dass sie in Fahrzeughochrichtung den Bauraum optimal für den Motor bzw. zur Erzeugung von Leistung und Drehmoment nutzt und die Gehäusestruktur überwiegend Bauraum in Fahrzeuglängsrichtung beansprucht.
  • Die sehr gute Bauraumausnutzung aufgrund der gestuften Motorbauweise und der Ausführung der Motoren als Außenläufer zeichnet sämtliche Varianten aus.
  • Insgesamt ist mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang (im folgenden EHA) wenigstens einer der folgenden Vorteile erzielbar:
    • – Die EHA vergrößert nicht die ungefederte (reifengefederte) Masse (wie dies beispielsweise bei Radnabenmotoren der Fall ist) und wirkt sich somit nicht nachteilig auf das Fahrverhalten aus.
    • – Alle fahrdynamischen Vorteile eines Radnabenantriebes sind auch mir der EHA darstellbar, ohne das die radnabentypischen Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
    • – Im Vergleich zu dezentralen Antrieben (z. B. Radnabenmotoren) ergeben sich weniger Verkabelungsaufwand und somit weniger EMV-Probleme.
    • – Eine (Wasser-) Kühlung ist deutlich einfacher zu realisieren als bei dezentralen Antrieben wie z. B. Radnabenantrieben.
    • – Durch die Neutralposition (Neutralgang N) ist ein Abkuppeln der Antriebseinheit vom Rad (Abtrieb) möglich. Bezogen auf die Antriebsräder lassen sich dadurch die Massenträgheitsmomente reduzieren, was sich u.a. positiv bei Bremsvorgängen mit ABS-Regelung oder Fahrzuständen mit ESP-Regelung auswirken kann. Radnabenantriebe ohne Getriebe, bzw. mit Getrieben ohne Schaltfunktion, bieten diese Möglichkeit nicht.
    • – Durch die Neutralposition (Neutralgang) existiert eine Sicherheit beim Versagen der Leistungselektronik.
    • – Eine ESP-Funktionalität ist durch Einzelradantrieb (Elektrisches Differenzial) antriebsseitig darstellbar (insbesondere bei der ersten Ausführungsform).
  • Figure 00070001

Claims (34)

  1. Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten angetriebenen Achse und mit einer zweiten angetriebenen Achse, wobei wenigstens eine der angetriebenen Achsen zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Antriebseinheiten zum Antrieb eines linken bzw. eines rechten Rades aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheiten über einen Rahmen miteinander verbunden sind und mit diesem eine Baugruppe bilden, die anstelle einer herkömmlichen Achsbaugruppe einbaubar ist.
  2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheiten jeweils eine elektrische Machine aufweisen.
  3. Antriebsstrang nach Anspruch 2 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen jeweils einen innenliegenden Stator und einen außenliegenden Rotor aufweisen.
  4. Antriebsstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor zur Fahrzeugmitte hin mit einer Ausgangswelle verbunden ist, die zur Fahrzeugaußenseite hin durch den Stator hindurch geführt ist.
  5. Antriebsstrang nach Anspruch 3 oder 4 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor und der Stator in axialer Richtung einen Abschnitt mit größerem Durchmesser und einen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser aufweisen.
  6. Antriebsstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt mit größerem Durchmesser zur Fahrzeugmitte hin angeordnet ist.
  7. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheiten jeweils ein Getriebe zur Einrichtung von wenigstens zwei Übersetzungsstufen aufweisen.
  8. Antriebsstrang nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe wenigstens einen Planetenradsatz aufweist.
  9. Antriebsstrang nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe genau einen Planetenradsatz aufweist.
  10. Antriebsstrang nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sonnenrad des Planetenradsatzes mit einer Ausgangswelle der elektrischen Maschine verbunden ist.
  11. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenträger des Planetenradsatzes mit einer Antriebswelle verbunden ist.
  12. Antriebsstrang nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger ein Gehäuse eines Gleichlaufgelenkes der Antriebswelle bildet.
  13. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 8–12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenträger des Planetenradsatzes zur Einrichtung einer ersten Übersetzungsstufe mittels einer ersten Kupplung mit einem Hohlrad des Planetenradsatzes verbindbar ist.
  14. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 8–13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad des Planetenradsatzes zur Einrichtung einer zweiten Übersetzungsstufe mittels einer zweiten Kupplung mit einem Gehäuse der Antriebseinheit verbindbar ist.
  15. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 8–15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad des Planetenradsatzes mit einer Hohlwelle verbunden ist, in der eine Ausgangswelle der elektrischen Maschine drehbar gelagert ist.
  16. Antriebsstrang nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle an ihrem Außenumfang drehbar an dem Stator gelagert ist.
  17. Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten angetriebenen Achse und mit einer zweiten angetriebenen Achse, wobei wenigstens eine der angetriebenen Achsen eine angetriebene Achsbaugruppe zum Antrieb eines linken bzw. eines rechten Rades aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsbaugruppe eine elektrische Maschine und einen Rahmen aufweist, an dem die elektrische Maschine gelagert ist, und dass die angetriebene Achsbaugruppe anstelle einer herkömmlichen Achsbaugruppe einbaubar ist.
  18. Antriebsstrang nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschine einen innenliegenden Stator und einen außenliegenden Rotor aufweist.
  19. Antriebsstrang nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor und der Stator in axialer Richtung einen Abschnitt mit größerem Durchmesser und einen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser aufweisen.
  20. Antriebsstrang nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt mit größerem Durchmesser zur Fahrzeugmitte hin angeordnet ist.
  21. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 18–21, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsbaugruppe ein Getriebe zur Einrichtung von wenigstens zwei Übersetzungsstufen aufweist.
  22. Antriebsstrang nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe wenigstens einen Planetenradsatz aufweist.
  23. Antriebsstrang nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe genau einen Planetenradsatz aufweist.
  24. Antriebsstrang nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sonnenrad des Planetenradsatzes mit einer Ausgangswelle der elektrischen Maschine verbunden ist.
  25. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 23–25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenträger des Planetenradsatzes mit einem Eingangsglied eines Differenzials verbunden ist.
  26. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 23–26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenträger des Planetenradsatzes zur Einrichtung einer ersten Übersetzungsstufe mittels einer ersten Kupplung mit einem Hohlrad des Planetenradsatzes verbindbar ist.
  27. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 23–27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad des Planetenradsatzes zur Einrichtung einer zweiten Übersetzungsstufe mittels einer zweiten Kupplung mit einem Gehäuse der Antriebseinheit verbindbar ist.
  28. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1–28, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen ein Gehäuse zur Aufnahme eines Planetenradsatzes zur Übersetzungsänderung sowie eines Differenzials aufweist.
  29. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1–29, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen die elektrische Maschine(n) umgibt, wobei der Rotor freiliegt.
  30. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1–30, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
  31. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1–31, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen die elektrische Maschine(n) umgibt.
  32. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1–32, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mittels einer Fluidversorgungseinrichtung fluidgekühlt ist.
  33. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1–33, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor luftgekühlt ist, vorzugsweise durch den Fahrtwind.
  34. Verfahren zum Herstellen und Einbauen einer angetriebenen Achsbaugruppe an Stelle einer mechanischen Achsbaugruppe eines Kraftfahrzeuges, um eine allradgetrieben Hybridvariante des Kraftfahrzeuges zu schaffen, das in einer Basisvariante die mechanische Achsbaugruppe aufweist, insbeondere zur Bildung eines Antriebsstranges nach einem der Ansprüche 1–34, mit den Schritten: Bereitstellen wenigstens einer Antriebseinheit; verbinden der wenigstens einen Antriebseinheit mit einem Träger zur Bildung einer angetriebenen Achsbaugruppe; und Anschließen des Trägers an Befestigungspunkten eines Chassis des Kraftfahrzeuges, die bei der Basisvariante zur Befestigung der mechanischen Achsbaugruppe dienen.
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