DE102009013875A1

DE102009013875A1 - Kraftfahrzeug-Antriebseinheit mit zwei Elektromotoren

Info

Publication number: DE102009013875A1
Application number: DE102009013875A
Authority: DE
Inventors: Uwe Klippert; Alwin Macht
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: DE102009013875B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit (1) zum Antrieb mindestens zweier Räder eines Kraftfahrzeugs, mit zwei Elektromotoren (2L, 2R), die jeweils eine Antriebswelle (3L, 3L', 3L*, 3L**, 3R, 3R', 3R*, 3R**) antreiben, mit zwei mit mindestens einem Rad des Kraftfahrzeuges zu koppelnden, längserstreckten Abtriebswellen (9L, 9R), die jeweils einer Antriebswelle (3L, 3L', 3L*, 3L**, 3R, 3R', 3R*, 3R**) eines Elektromotors (2L, 2R) zugeordnet sind und zwei Zahnradpaarungen, über die jeweils eine Abtriebswelle (9L, 9R) mit einer zugeordneten Antriebswelle (3L, 3L', 3L*, 3L**, 3R, 3R', 3R*, 3R**) in Wirkverbindung steht, so dass jede Abtriebswelle (9L, 9R) mittels der zugeordneten Antriebswelle (3L, 3L', 3L*, 3L**, 3R, 3R', 3R*, 3R**) zu einer Drehung um ihre Längsachse (M1; M2) antreibbar ist. Erfindungsgemäß sind die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') derart zueinander angeordnet, dass sich bei Drehung der einen Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L') und bei gleichzeitiger Drehung der anderen Antriebswelle (3R, 3R*, 3R**, 3R') die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') axial gegeneinander abstützen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine solche Antriebseinheit verfügt über zwei separate Elektromotoren und wird demgemäß üblicherweise als Doppelmotorantrieb bezeichnet. Jeweils einer der Elektromotoren treibt eine Antriebswelle an, die wiederum über mindestens eine Getriebestufe mit einer Abtriebswelle in Wirkkontakt steht. Die Abtriebswellen sind jeweils mit einem Rad eines Kraftfahrzeugs verbunden, um diese mit einem vorgegeben Drehmoment anzutreiben. Dabei liegen sich die unmittelbar von den Elektromotoren angetriebenen Antriebswellen im Allgemeinen koaxial gegenüber und die von den Antriebswellen über die mindestens eine Getriebestufe bzw. jeweils mindestens eine Zahnradpaarung angetriebenen Abtriebswellen verlaufen parallel zu den Antriebswellen.
Vorrangiges Ziel solcher Antriebe ist die Bauraum sparende Unterbringung zwei separat voneinander steuerbarer Elektromotoren, über die die zwei Abtriebswellen mit unterschiedlicher Drehzahl betrieben werden können.
Eine solche Antriebseinheit ist zum Beispiel der JP 2306828 A zu entnehmen. Diese beschreibt unter anderem eine Antriebseinheit mit zwei Elektromotoren, zwei von diesen Elektromotoren jeweils unmittelbar angetriebene Antriebswellen und zwei Abtriebswellen, wobei jeweils eine Abtriebswelle über eine Stirnradstufe mit einer zugeordneten Antriebswelle in Wirkkontakt steht und über diese um ihre Längsachse gedreht wird. Die Antriebswellen und Abtriebswellen verlaufen parallel zueinander und sind jeweils voneinander räumlich getrennt. Dementsprechend sind die Antriebswellen als auch die Abtriebswellen jeweils unabhängig voneinander gelagert.
Jeder Elektromotor der JP 2306828 A kann unabhängig von dem anderen Elektromotor eine ihm zugeordnete Abtriebswelle antreiben und derart an ihr ein bestimmtes Drehmoment zur Verfügung stellen. So kann über entsprechende Steuerung der beiden Elektromotoren eine zueinander unterschiedliche Drehzahl der beiden Abtriebswellen realisiert werden, die besonders hinsichtlich einer Kurvenfahrt des Kraftfahrzeuges von Vorteil ist, bei der die kurveninneren Räder des Kraftfahrzeuges langsamer drehen als die kurvenäußeren Räder des Kraftfahrzeuges. Eine derartige an die Fahrersituation angepasste Drehzahlregulierung wird bei aktuell auf dem Markt befindlichen Antriebskonzepten für Kraftfahrzeuge vornehmlich noch über ein Differentialgetriebe realisiert. Alternative Konzepte sehen einzelne Elektromotoren direkt als Radnabenantriebe unmittelbar an einem anzutreibenden Rad vor.
Die in der JP 2306828 A beschriebene Antriebseinheit ist in soweit nachteilig, da hier bei größeren Drehzahlen auftretende Lagerkräfte in den Antriebs- bzw. Abtriebswellen über separate und entsprechend dimensionierte Lager aufgenommen werden müssen. Ebenso sind der Schaffung einer kompakten Antriebseinheit enge Grenzen gesetzt, da die beiden Abtriebswellen und die beiden Antriebswellen jeweils vollständig voneinander mechanisch entkoppelt untergebracht werden müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und eine kompakte Antriebseinheit bereitzustellen, die insbesondere hinsichtlich der auftretenden Lagerkräfte in den unmittelbar von den Elektromotoren angetriebenen Antriebswellen und in den Abtriebswellen optimiert ist.
Diese Aufgabe wird mit der Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist eine Antriebseinheit zum Antrieb mindestens zweier Räder eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, die zwei Elektromotoren, mindestens zwei längserstreckte und mit je einem Rad zu koppelnde Abtriebswellen und mindestens zwei Zahnradpaarungen aufweist. Die Elektromotoren treiben jeweils eine der Antriebswellen an, denen jeweils eine der Abtriebswellen zugeordnet ist. Einer, jeweils zur Abgabe eines Drehmomentes vorgesehenen Abtriebswelle und einer zugehörigen Antriebswelle ist weiterhin eine Zahnradpaarung zugeordnet, so dass jede Abtriebswelle jeweils über eine Zahnradpaarung mit der zugehörigen Antriebswelle eines Elektromotors in Wirkverbindung steht, um um ihre Längsachse gedreht zu werden. Erfindungsgemäß sind die beiden Antriebswellen derart zueinander angeordnet, dass sich die beiden Antriebswellen wenigstens bei Drehung der einen Antriebswelle und bei gleichzeitiger Drehung der anderen Antriebswelle axial gegeneinander abstützen.
Es wird mit anderen Worten eine Antriebseinheit bereitgestellt, bei der sich die beiden, jeweils von einem zugeordneten Elektromotor unmittelbar angetriebene Antriebswellen gegeneinander entlang ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung abstützen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung können die beiden Antriebswellen darüber hinaus bei den durch die Elektromotoren verursachten Drehungen um ihre Längsachsen zueinander unterschiedliche Drehzahlen aufweisen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die jeweils von einem zugeordneten Elektromotor unmittelbar angetriebenen Antriebswellen in zueinander gleichläufige Drehrichtungen von ihren Elektromotoren um ihre Längsachsen gedreht werden können. In einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass die beiden Antriebswellen zueinander gleichläufig gedreht werden können. Auch die den Antriebswellen zugehörigen Abtriebswellen können zueinander gleichläufige oder zueinander gegenläufige Drehrichtungen aufweisen.
In jedem Fall sind erfindungsgemäß die beiden Antriebswellen derart zueinander angeordnet, dass sich die beiden Antriebswellen wenigstens bei Drehung der einen Antriebswelle in eine erste Drehrichtung und bei gleichzeitiger Drehung der anderen Antriebswelle in eine zweite Drehrichtung axial gegeneinander abstützen, unabhängig davon, ob die erste Drehrichtung zur zweiten Drehrichtungen gleichläufig oder gegenläufig ist.
Es wird mit anderen Worten eine Antriebseinheit bereitgestellt, bei der sich die beiden, jeweils von einem zugeordneten Elektromotor unmittelbar angetriebene Antriebswellen gegeneinander entlang ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung abstützen, selbst wenn die beiden Antriebswellen mit zueinander unterschiedlicher Drehzahl und/oder zueinander gegenläufiger Drehrichtungen von ihren Elektromotoren um ihre Längsachsen gedreht werden.
Bei erfindungsgemäßer Gestaltung der Antriebseinheit ist zumindest ein durch die Elektromotoren und die beiden Antriebswellen sowie die damit verbundenen Zahnräder gebildeter Antriebskern der Antriebseinheit auf engstem Raum unterzubringen. Aufgrund der axialen Abstützung der beiden Antriebswellen gegeneinander können axiale Lager kleiner dimensioniert oder ausgespart werden, die ansonsten die entsprechenden axialen, in den beiden Antriebswellen auftretenden und in Richtung der anderen Antriebswelle wirkenden Kräfte bzw. Kraftkomponenten aufnehmen müssten.
Eine erfindungsgemäße Antriebseinheit kann basierend auf dem dargestellten Wirkprinzip als Antrieb eines Elektrofahrzeugs eingesetzt werden, der durch die gegenseitige Abstützung der Antriebswellen extrem kompakt ausgelegt werden kann. Hierfür wird die erfindungsgemäße Antriebseinheit vorzugsweise mittig zwischen den Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs positioniert und treibt mit einer Abtriebswelle jeweils ein Antriebsrad an. Gegebenenfalls kann noch eine Gelenkwelle, insbesondere eine Kardanwelle, Gleichlaufwelle oder Doppelgelenkwelle, zwischen der Abtriebswelle und dem zugeordneten Rad des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, um auch größere Drehmomente auf die sich (z. B. infolge von Straßenunebeneinheiten) relativ zu der fahrzeugfesten Antriebseinheit bewegenden und/oder versetzt angeordneten Räder zu übertragen.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit kann sowohl als einziger Antrieb eines Kraftfahrzeugs oder als (zuschaltbarer) Hilfsantrieb eingesetzt werden. Auch kann vorgesehen sein, dass eine Abtriebswelle mehr als ein Rad des Kraftfahrzeugs antreibt.
Eine axiale Abstützung der beiden Antriebswellen im Betrieb der Antriebseinheit wird in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung über eine Paarung schräg verzahnter Zahnräder erreicht, wobei eine Abtriebswelle jeweils über eine Paarung von mindestens zwei schräg verzahnten Zahnrädern mit der zugeordneten Antriebswelle eines Elektromotors in Wirkverbindung steht. Über die Schrägverzahnung der im Betrieb in die erste und zweite Drehrichtung angetriebenen Zahnräder werden in die Antriebswellen Axialkräfte entlang ihrer Längsachse eingeleitet. Über die erfindungsgemäße axiale Abstützung der beiden Antriebswellen gegeneinander können diese Axialkräfte von einer Antriebswelle jeweils in die andere Antriebswelle eingeleitet werden und zumindest teilweise einander entgegenwirken, so dass die resultierenden, von unter Umständen vorgesehenen (Axial-)Lagern aufzunehmenden Kräfte reduziert werden oder sogar null sind. So lässt sich über eine symmetrische Ausbildung der Antriebseinheit ein Kraftausgleich schaffen, bei dem die aufgrund der Schrägverzahnung in den Zahnrädern der beiden Antriebswellen und auf die beiden Antriebswellen wirkenden Axialkräfte einander direkt entgegenwirken.
In einer Ausführungsform stützen sich die beiden Antriebswellen über ihre einander gegenüberliegenden Stirnseiten axial gegeneinander ab. Mit anderen Worten die Enden der beiden Antriebswellen sind zur Abstützung einander zugewandt. Selbstverständlich ist alternativ auch eine Abstützung außerhalb der Stirnseiten der beiden Antriebswellen möglich, bei dem beispielsweise explizit hierfür vorgesehene Stützbereiche der beiden Antriebswellen an deren Umfang bzw. entlang deren Mantelflächen an einander liegen.
Es wird aber bevorzugt, dass sich derartige Stützbereiche für die axiale Abstützung der beiden Antriebswellen an den einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Antriebswellen befinden, um die Antriebseinheit möglichst kompakt halten zu können und die axiale Abstützung in konstruktiv relativ einfacher Weise herzustellen.
Für ein unmittelbares Anliegen der Antriebswellen aneinander und gleichzeitiger Bereitstellung der Möglichkeit, dass sich die beiden Antriebswellen mit zueinander unterschiedlicher Drehzahl drehen können, müssen die aneinander anliegenden Stützbereiche der Antriebswellen relativ hochwertig bearbeitet sein oder sie können mit einem entsprechenden reibungsmindernden Schichtmaterial versehen sein, um die Reibung zwischen den beiden rotierenden Antriebswellen möglichst gering zu halten.
Eine hierzu deutlich kostengünstigere Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den beiden Antriebswellen ein Fluid angeordnet ist, über das sich die beiden Antriebswellen axial gegeneinander abstützen. Hierbei wird unter einem Fluid sowohl ein (teilweise) gasförmiges als auch (teilweise) flüssiges Medium verstanden. Über das zwischen den beiden Antriebswellen befindliche Fluid wird somit ein Gleitfilm zur Verfügung gestellt, der zwar einerseits eine axiale Abstützung der Antriebswellen gegeneinander gestattet, aber andererseits gleichzeitig eine Relativdrehung, d. h. eine Drehung mit zwei zueinander unterschiedlichen Drehzahlen der beiden rotierenden Antriebswellen, reibungsmindernd bzw. nahezu reibungsfrei gestattet.
Anstelle oder ergänzend zu einem Fluid kann zwischen den beiden Antriebswellen der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ein Stützelement vorgesehen sein, relativ zu dem wenigstens eine der beiden Antriebswellen drehbar ist. Ein derartiges Stützelement gestattet als zwischen den beiden Antriebswellen befindliches Bauteil eine axiale Kraftübertragung zwischen den beiden Antriebswellen. Aufgrund der Tatsache, dass das Stützelement maximal mit einer der beiden Antriebswellen drehfest verbunden ist, bleiben die beiden Antriebswellen mit zueinander unterschiedlichen Drehzahlen rotierbar und leiten dementsprechend keine radialen Kräfte von einer Antriebswelle an die andere Antriebswelle über das Stützelement weiter.
In einer Ausführungsvariante ist das Stützelement zwischen den beiden Antriebswellen derart angeordnet, dass die beiden Antriebswellen jeweils relativ zu dem Stützelement drehbar sind und nur axiale Kräfte über das Stützelement von beiden Antriebswellen übertragen werden können. Mit anderen Worten keine der beiden Antriebswellen ist drehfest mit dem zwischen ihnen angeordneten Stützelement verbunden. Vielmehr wäre es in einer solchen Ausführungsvariante denkbar, dass die beiden Antriebswellen jeweils nur mit ihren Stirnseiten in einer ihnen zugeordneten Aufnahme des Stützelements anliegen, um eine axiale Abstützung gegeneinander zu realisieren.
Alternativ oder ergänzend kann es selbstverständlich auch bei der Verwendung eines Stützelements vorgesehen sein, dass sich zwischen dem Stützelement und einem Stützbereich der jeweiligen Antriebswelle ein Fluid befindet, um eine eventuell auftretende Reibung zwischen dem Stützelement und einer Antriebswelle bzw. beiden Antriebswellen zu verringern.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung unmittelbar aneinander anliegender Antriebswellen oder aneinander anliegender Abschnitte eines Stützelements und einer relativ zu dem Stützelement drehbaren Antriebswelle lassen sich über eine so genannte Kugel-Pfannen-Paarung realisieren. Bei einer derartigen Kugel-Pfannen-Paarung greift ein gewölbter Abschnitt eines der beiden aneinander anliegenden Bauteile (erste Antriebswelle und zweite Antriebswelle oder Antriebswelle und Stützelement) in eine vorzugsweise zu der Wölbung komplementäre Aufnahme des anderen Bauteils ein. Während dementsprechend der gewölbte Abschnitt des einen Bauteils als „Kugel” in Richtung des anderen Bauteils hervorsteht, ist die Aufnahme des anderen Bauteils als „Pfanne” eine nach innen, d. h. von dem mit der Wölbung versehenden Bauteils weg, gewölbte, beispielsweise napfförmige Aussparung.
Über eine derartige Kugel-Pfannen-Paarung ist in relativ einfacher konstruktiver Weise eine axiale Kraftübertragung zwischen zwei einander anliegender Antriebswellen oder einer in einem Stützelement anliegenden Antriebswelle über das Stützelement in die andere Antriebswelle möglich. Hierfür weist beispielsweise eine Antriebswelle an ihrer Stirnseite einen gewölbten, in Längserstreckungsrichtung der Antriebswelle vorstehenden Abschnitt auf, der in eine dafür vorgesehene Pfanne bzw. Aussparung der anderen Antriebswelle oder des Stützelements eingreift. Über die Anlage des gewölbten Abschnitts an einer hierzu komplementären gekrümmten Anlagefläche als Negativform zu der Oberfläche des gewölbten Abschnitts innerhalb der Aussparung sind dann wenigstens in Längserstreckungsrichtung auftretende (axiale) Kräfte übertragbar. Die in einer derart definierten Kugel-Pfannen-Paarung aneinander anliegenden Bauteile können vergleichsweise frei relativ, z. B. auch mit einem Achs- oder Winkelversatz, zueinander angeordnet werden und gestatten auch bei unterschiedlichen Drehrichtungen und/oder -geschwindigkeiten der beiden Bauteile eine definierte Kraftübertragung und damit axiale Abstützung der beiden Bauteile gegeneinander.
In einer Ausgestaltung wird mittels wenigstens eines gewölbten Abschnitts einer Antriebswelle oder des Stützelements und einer hierzu komplementär gekrümmten Anlagefläche der anderen Antriebswelle oder des Stützelementes als Negativform zu der Oberfläche des gewölbten Abschnitts eine Kugel-Pfannen-Paarung derart gebildet, dass durch die Anlage des gewölbten Abschnitts an die gekrümmte Anlagefläche bei axialer Abstützung der beiden Bauteile gegeneinander eine Zentrierung des gewölbten Abschnitts bezüglich eines gedachten Krümmungszentrums der Oberfläche des gewölbten Abschnittes, insbesondere einer Lagermittelstelle, erfolgt.
Wie eingangs bereits dargelegt, wird die axiale Abstützung der antreibenden Antriebswellen gegeneinander in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die Paarung schräg verzahnter Zahnräder erreicht. So bedingen schräg verzahnte Zahnräder bekanntermaßen beim Kämmen mit ihnen in Eingriff stehender ebenfalls schräg verzahnter Zahnräder nicht nur eine radiale, sondern auch eine axiale Kraftkomponente) in den mit einander kämmenden Zahnrädern beziehungsweise in den die Zahnräder tragenden Wellen. Diese radialen und axialen Kräfte müssen dann üblicherweise über entsprechend ausgelegte Lager, zum Beispiel Wälzlager, aufgenommen werden.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist bereits das so genannte Prinzip des Kraftausgleichs bekannt, bei dem zum gegenseitigen Aufheben derartiger axialer Kräfte eine so genannte Doppelschrägverzahnung vorgeschlagen wird. Hierbei wird über eine symmetrische Anordnung zweier Paare von miteinander kämmenden schrägverzahnten Zahnrädern, also zusammen vier Zahnrädern, erreicht, dass die axialen, in den zwei die Zahnräder tragenden Wellen einander entgegenwirken und sich vollständig aufheben. Hierfür weist eine erste Welle zwei zueinander symmetrische schrägverzahnte Zahnräder auf, während eine zu der ersten Welle parallel verlaufende zweite Welle die zwei weiteren, ebenfalls zu einander symmetrischen schrägverzahnten Zahnräder trägt. Symmetrisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Zahnräder einer jeden Welle zu einer senkrecht zu der Längsachse der Wellen verlaufenden Symmetrieachse spiegelsymmetrisch sind.
Kämmen nun die Zahnräder der ersten Welle mit den Zahnrädern der zweiten Welle, werden in der ersten und der zweiten Welle über die Paarung der schrägverzahnten Zahnräder erzeugten Axialkräfte in jeder Welle aufgehoben. Eine derartige Anordnung von Zahnrädern auf zwei zu einander parallel verlaufender Wellen ist auch als „Pfeilverzahnung” bekannt.
Bei diesen bekannten Anordnungen ist jedoch zwingend erforderlich, dass ausschließlich eine Antriebswelle als erste Welle und eine dazu parallel verlaufende Abtriebswelle als zweite Welle eingesetzt werden. Dem gegenüber soll mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Antriebseinheit in kompakter Weise die Möglichkeit bereitgestellt werden, an mindestens zwei Abtriebswellen zwei Drehmomente abzugreifen, die jeweils von einem mit einer Antriebswelle gekoppelten Elektromotor verursacht werden und hinsichtlich Betrag und Richtung voneinander verschieden sein können.
Es ist daher im Rahmen der erfindungsgemäßen Antriebseinheit denkbar, dass die beiden jeweils einer Antriebswelle zugeordneten Zahnräder nicht identisch zu einander und ebenso wenig symmetrisch zu einander ausgebildet sind. So könnte an einer ersten Antriebswelle ein erstes Antriebszahnrad vorgesehen sein, dass eine erste Anzahl von Zähnen aufweist und eine linkssteigende Außenverzahnung definiert, während eine zweite Antriebswelle ein zweites Antriebszahnrad aufweist, dass eine von der ersten Anzahl des ersten Zahnrades unterschiedliche zweite Anzahl von Zähnen aufweist und dessen Außenverzahnung ebenfalls linkssteigend ausgebildet ist. Diese beiden Antriebszahnräder kämmen jeweils mit einem Abtriebszahnrad, das einer der beiden Abtriebswellen zugeordnet ist. Da beide Antriebszahnräder eine linkssteigende Verzahnung aufweisen, sind die mit ihnen kämmenden Abtriebszahnräder dementsprechend jeweils mit einer rechtssteigenden Außenverzahnung versehen.
Dreht nun die erste Antriebswelle und das damit verbundene erste Antriebszahnrad in eine erste Drehrichtung und die zweite Antriebswelle mit dem zweiten Zahnrad in eine zu der ersten Drehrichtung gegenläufige zweite Drehrichtung, stützen sich die beiden Antriebswellen erfindungsgemäß axial gegeneinander ab, sofern die beiden Drehungen der ersten und zweiten Antriebswelle jeweils axiale Kräfte in einer Antriebswelle erzeugen, die in Richtung der anderen Antriebswelle weisen. Eine vollständige Aufhebung derartiger, einander entgegenwirkender axialen Kräfte in den beiden Antriebswellen wird in diesem Ausführungsbeispiel dann beispielsweise darüber erreicht, dass die beiden Antriebswellen koaxial zu einander liegen und über die an der ersten (oder zweiten) Antriebswelle anliegende Drehzahl eine Axialkraft erzeugt, die vom Betrag der Axialkraft entspricht, die in der zweiten (beziehungsweise ersten) Antriebswelle über deren zugeordnete Zahnradpaarung erzeugt wird.
Das oben geschilderte Ausführungsbeispiel, bei dem die axiale Abstützung der beiden Antriebswellen gegeneinander nur bei der Drehung der beiden Antriebswellen in jeweils unterschiedliche Drehrichtungen realisiert wird, kann gerade bei einer Antriebseinheit von Vorteil sein, in der durch die gegenläufige Drehung zweier sich gegenüberliegender Räder eine Drehung des Kraftfahrzeugs auf engstem Raum erfolgen soll und die dabei entstehenden resultierenden Axialkräfte entlang der Längsachsen der Antriebswellen möglichst gering sein sollen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit erfolgt die axiale Abstützung der beiden Antriebswellen gegeneinander gerade dann, wenn die beiden Antriebswellen zu Drehungen in eine übereinstimmende Drehrichtung von den Elektromotoren angetrieben werden. Mit anderen Worten sind dann die Paarungen der schrägverzahnten Zahnräder der Antriebswellen und Abtriebswellen derart ausgebildet, dass sich bei der Drehung der einen Antriebswelle in eine erste Drehrichtung und bei gleichzeitiger Drehung der anderen Antriebswelle in eine zweite, zu der ersten Drehrichtung übereinstimmende Drehrichtung die über die Zahnräder in den beiden gegeneinander abgestützten Antriebswellen entstehenden Axialkräfte einander entgegenwirken.
Über eine (spiegel)symmetrische Ausbildung der jeweiligen schrägverzahnten Zahnräder ist in einer darauf basierenden Weiterbildung dann ebenfalls ein vollständiger Ausgleich der entstehenden Axialkräfte bei Drehung in die übereinstimmende Drehrichtung gegeben.
Dies würde folglich beispielsweise bedeuten, dass ein Antriebszahnrad der ersten Antriebswelle und ein Abtriebszahnrad der zweiten Abtriebswelle jeweils mit einer rechtssteigenden Verzahnung versehen sind, während die damit kämmenden schrägverzahnten Zahnräder – ein Antriebszahnrad für die zweite Antriebswelle und ein Abtriebszahnrad für die erste Abtriebswelle – jeweils mit einer rechtssteigenden Außenverzahnung versehen sind.
Eine solche Antriebseinheit ist somit derart ausgebildet und die Zahnradpaarungen in ihr sind derart ausgelegt, dass sich bei einer Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs in den Antriebswellen entstehende Axialkräfte und in den mit den Antriebszahnrädern der Antriebswellen kämmenden Abtriebszahnrädern entstehende Axialkräfte jeweils gegenseitig neutralisieren. Bei einer Rückwärtsfahrt demgegenüber weisen die Axialkräfte in den Antriebswellen in voneinander entgegengesetzte Richtungen, so dass diese über entsprechende Axiallager aufgenommen werden. Hierzu sind in einer Ausführungsform Axiallager in der Antriebseinheit vorgesehen, die so dimensioniert sind, dass sie die entsprechend in voneinander entgegengesetzte Richtungen der Antriebswellen wirkenden Axialkräfte kompensieren.
In einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebseinheit hat es sich weiterhin als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass zwei Abtriebszahnräder der Antriebseinheit, die jeweils einer Abtriebswelle zugeordnet sind und diese in Drehung versetzen, auf einer gemeinsamen Lagerwelle gelagert sind.
Um über die beiden Abtriebszahnräder gegebenenfalls unterschiedliche Drehmomente an die jeweils zugeordnete Abtriebswelle weiterzuleiten, sind die Abtriebszahnräder auf der gemeinsamen Lagerwelle relativ zu der Lagerwelle drehbar gelagert. Diese Lagerwelle verläuft weiterhin vorzugsweise parallel zu zwei koaxial zueinander liegenden Antriebswellen. Während also die beiden Antriebswellen sich jeweils entlang einer gemeinsamen ersten Drehachse erstrecken, erstreckt sich die Lagerwelle entlang einer zu der ersten Drehachse parallelen zweiten Drehachse.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit einer gemeinsamen Lagerwelle für zwei Abtriebszahnräder können die Abtriebszahnräder weiterhin derart ausgebildet und auf der Lagerwelle gelagert sein, dass wenigstens bei einer Drehung eines Abtriebszahnrads in eine erste Drehrichtung und gleichzeitiger Drehung des anderen Abtriebszahnrads in eine zweit Drehrichtung auf die Abtriebszahnräder wirkende Axialkräfte in die Lagerwelle eingeleitet werden. Dabei ist es zunächst in Anlehnung an die bereits oben beschriebenen Ausführungsvarianten unerheblich, ob die erste und die zweite Drehrichtung der Abtriebszahnräder übereinstimmen.
Wesentlich bleibt auch hier, dass aus dem Zusammenspiel der entsprechenden Außenverzahnungen der beiden Abtriebszahnräder und der beiden Antriebszahnräder und den jeweiligen Drehrichtungen, bei denen eine axiale Abstützung der beiden Antriebswellen gegeneinander erfolgen soll, die erzeugten, zueinander gegenläufigen axialen Kräfte der Abtriebszahnräder in deren gemeinsame Lagerwelle eingeleitet werden. Wirken folglich die axialen Kräfte der beiden Antriebswellen aufeinander zu, weisen die sich aus den Paarungen der schrägverzahnten Antriebs- und Abtriebszahnräder ergebenden axialen Kräfte in den Abtriebszahnrädern voneinander weg bzw. sind zu einander entgegengesetzt.
Diese zueinander gegenläufigen axialen Kräfte werden in einem Ausführungsbeispiel von den Abtriebszahnrädern jeweils über eine an der Lagerwelle fixierte Sicherungsscheibe in die Lagerwelle übertragen. Hierfür wird jeweils eine Sicherungsscheibe an den sich gegenüberliegenden Stirnseiten der Lagerwelle axialfest, insbesondere drehfest, mit der Lagerwelle verbunden. Die Sicherungsscheibe weist einen senkrecht vorspringenden und somit die Stirnseite umgreifenden Randabschnitt auf, gegen den ein Fortsatz des zugeordneten Abtriebszahnrads drückt, um die auftretenden axialen Kräfte von dem Abtriebszahnrad in die Lagerwelle einzuleiten.
Anstelle einer derartigen Sicherungsscheibe kann auch ein aus dem Stand der Technik bekannter Sprengring eingesetzt werden. Sowohl mit einer Sicherungsscheibe der oben beschriebenen Art als auch einem Sprengring ist das zugeordnete Abtriebszahnrad axial auf der Lagerwelle festzulegen und bleibt dennoch relativ zu der Lagerwelle drehbar.
Zur Übertragung einer über die Antriebswellen verursachten Drehung der Abtriebszahnräder beziehungsweise eines Drehmoments von den Abtriebszahnrädern auf die Abtriebswellen ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ein Übertragungsstück vorgesehen. Ein solches Übertragungsstück ist sowohl mit einem Abtriebszahnrad als auch mit einer zugeordneten Abtriebswelle verbunden. Beispielsweise über Wälzlager oder Gleitlager ist ein solches Übertragungsstück bevorzugt in einen Gehäuse der Antriebseinheit drehbar gelagert und abgestützt, um das Drehmoment von einem Abtriebszahnrad an eine Abtriebswelle zu übertragen.
Sind die beiden Abtriebszahnräder auf einer gemeinsamen Lagerwelle gelagert, ist jeweils im Bereich der Enden der Lagerwelle ein Übertragungsstück vorgesehen und mit einem Abtriebszahnrad verbunden, so dass die gegebenenfalls unterschiedlichen, an den Abtriebszahnrädern anliegenden Drehmomente jeweils an die zugeordnete Abtriebswelle übertragen werden. Dies kann insbesondere unter Einsatz wenigstens eines homokinetisches Gleichlaufgelenkes erreicht werden.
Um die erfindungsgemäße Antriebseinheit möglichst kompakt auszugestalten und ihre Montage vergleichsweise einfach zu halten, wird es des Weiteren bevorzugt, dass sowohl die Antriebswellen koaxial zueinander als auch die Abtriebswellen koaxial zueinander liegen und die Abtriebswellen parallel zu den Antriebswellen verlaufen. Darüber hinaus ist bei einer derartigen und symmetrischen Anordnung der Zahnradstufen beziehungsweise der Zahnradpaare ein vollständiger Kraftausgleich der axialen Kräfte möglich. Die Antriebseinheit wird hierbei darüber hinaus besonders bevorzugt mittig zu einer Antriebsachse angeordnet, die durch die beiden von ihr angetrieben Räder des Kraftfahrzeugs definiert ist.
Je nach Montageort und Bauraum für die erfindungsgemäße Antriebseinheit kann es jedoch von Vorteil oder notwendig sein, die Antriebs- oder Abtriebswellen in einem Winkel zueinander anzuordnen, so dass ihre Drehachsen nicht miteinander übereinstimmen (koaxial sind), sondern sich kreuzen. Auch bei einer derartigen Anordnung kann noch eine axiale Abstützung der beiden Antriebswellen gegeneinander beispielsweise über ein entsprechend ausgelegtes Stützelement realisiert werden, um derart etwaige Axiallager für die beiden Antriebswellen kleiner dimensionieren oder vollständig aussparen zu können.
In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass in der erfindungsgemäßen Antriebseinheit zwar bevorzugt schrägverzahnte (Stirn-)Zahnräder verwendet werden, um ein Drehmoment von einer Antriebswelle an ein Abtriebswelle zu übertragen, es jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich ist, eine Schneckenradstufe zu verwenden. Hierbei wären dementsprechend die Achsen einer Antriebswelle und einer zugeordneten Abtriebswelle um 90° zueinander versetzt. Auch hier treten über die Paarungen der ebenfalls schrägverzahnten Zahnräder hohe axiale Kräfte auf, die über die erfindungsgemäße axiale Abstützung der beiden Antriebswellen gegeneinander zumindest in einer Drehrichtung wenigstens teilweise ausgeglichen werden können. Darüber hinaus kann zur Drehmomentübertragung zwischen einer Antriebswelle an eine Abtriebswelle in Ausgestaltungen der Erfindung anstelle einer Schneckradstufe oder schrägverzahnter (Stirn-)-Zahnräder auch ein Schraubrad oder ein Kegelrad, insbesondere mit Hypoidverzahnung, oder ein Kronenrad vorgesehen sein.
Wie bereits mehrfach dargestellt, ist ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass die beiden Antriebswellen bei Bedarf mit unterschiedlichen Drehzahlen und/oder unterschiedlichen Drehrichtungen betrieben werden können. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass über eine elektronische Steuerungseinheit die Drehzahlen und/oder Drehrichtungen der beiden Antriebswellen aufeinander abgestimmt sind. Als Asynchron- oder Synchronmotoren ausgebildete elektronische Elektromotoren gestatten eine derartige Abstimmung der Drehzahlen und/oder Drehrichtungen der beiden Antriebswellen, indem diese über von der elektronischen Steuerungseinheit generierte Steuerungssignale gemäß der aktuell benötigten Drehmomente an den Abtriebswellen gesteuert werden. Über in der Steuerungseinheit hinterlegte Kennfelder für die beiden Elektromotoren können diese für vordefinierte Fahrsituationen der Antriebseinheit gezielt angesteuert sein. Derartige Kennfelder können beispielsweise spezifische Ansteuerung der Elektromotoren für die Kurvenfahrt vorsehen, so dass einer der Elektromotoren herunter geregelt wird, um dem kurveninneren Rad eine geringere Drehzahl aufzuprägen. Auf diese Weise kann mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit eine Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs unterstützt werden und stabilisierend auf das Fahrverhalten eingewirkt werden.
Generell können die Fahreigenschaften des Kraftfahrzeugs, insbesondere eine beliebig regelbare Sperrwirkung der Antriebsräder über die Steuerung der beiden Elektromotoren eingestellt werden, da diese trotz der gegenseitig axialen Abstützung der Antriebswellen gegeneinander unterschiedlich Drehmomente an den mit den Abtriebswellen verbundenen Rädern bereitstellt. Damit sind durch die Ansteuerung der beiden Elektromotoren der Antriebseinheit eine komfortablere Kurvenfahrt ohne Servolenkung und/oder die Kompensation fahrdynamischer Einflüsse, wie Seitenwind, Schlechtweg-Einflüsse oder unterschiedlicher Grip auf der befahrenen Straße, möglich.
Alternativ oder ergänzend zu einer derartigen elektronischen Abstimmung des Antriebsverhaltens der beiden voneinander unabhängig drehbaren Antriebswellen weist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit eine schaltbare Kupplungseinheit auf, über die die beiden Antriebswellen drehfest aneinander gekoppelt werden können.
So kann es sinnvoll sein, für spezifische Anwendungsfälle oder Gebrauchssituationen eine mechanische Kopplung zwischen den beiden Antriebswellen vorzuhalten und auf diese Weise die erfindungsgemäß relativ zueinander drehbaren Antriebswellen zumindest für eine begrenzte Zeit miteinander drehfest zu verbinden.
Dies kann insbesondere bei Ausfall eines Elektromotors von Bedeutung sein, bei dem dann über die schaltbare Kupplungseinheit eine drehfeste Kopplung der von dem noch funktionierenden Elektromotor angetrieben Antriebswelle mit der nicht mehr bestimmungsgemäß angetriebenen anderen Antriebswelle erfolgt. Der von dem anderen, ausgefallenen Elektromotor angetriebene Antriebsstrang wird dementsprechend von dem noch funktionstüchtigen Elektromotor mitgeschleppt. Über die schaltbare Kupplungseinheit ist damit ein Notbetriebs der Antriebseinheit möglich und die Ausfallsicherheit kann erhöht werden.
Eine Antriebseinheit mit einer schaltbaren Kupplungseinheit ist bevorzugt dazu eingerichtet, dass das Umschalten auf einen Betriebszustand, in dem die beiden Antriebswellen über die Kupplungseinheit miteinander verbunden sind, ohne Stopp des Kraftfahrzeugs erfolgen kann.
Bei der schaltbaren Kupplungseinheit kann es sich um eine selbsttätige, elektrische oder manuell zuschaltbare Kupplung handeln. Demzufolge kann die Kupplungseinheit die beiden Antriebswellen drehfest miteinander koppeln, wenn z. B. eine einen festgelegten Schwellenwert übersteigende Drehzahldifferenz zwischen den beiden Antriebswellen überschritten wird. Eine derartige ungewollte Drehzahldifferenz führt dann zur Kopplung der beiden Antriebswellen über die schaltbare Kupplungseinheit, die auf ein automatisch generiertes Signal hin elektrisch aktiviert wird oder aufgrund der entstehenden Fliehkräfte selbsttätig zuschaltet.
Bei dem Übersteigen eines Schwellenwertes für die Differenz der gemessenen Drehzahlen der beiden Antriebswellen kann alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass infolge dieses Überschreitens einer der beiden Elektromotoren von einer die gemessenen Drehzahlwerte bewertende Steuerungseinheit herunter geregelt wird.
Eine schaltbare Kupplungseinheit kann auch für die drehfeste Verbindung der beiden Antriebswellen bei einer bestimmungsgemäßen, „normalen” Geradeausfahrt vorgesehen sein, um damit einer eventuelle Drehzahldifferenz zwischen den beiden Antriebswellen vorzubeugen.
Zusätzlich kann beim Einsatz einer elektrisch regelbaren Kupplungseinheit die Kopplung der beiden Antriebswellen bei einer Geradeausfahrt stärker sein als bei einer Kurvenfahrt. Hierbei ist folglich die Stärke der Kopplung zwischen den beiden Antriebswellen in Abhängigkeit der Fahrsituation und/oder der auftretenden Belastungen einstellbar.
Eine schaltbare Kupplungseinheit kann somit je nach zulässigem Kostenaufwand und in Abhängigkeit der anliegenden Kräfte eine Viskokupplung, eine Magnetpulverkupplung, eine reibschlüssige, hydraulische oder elektrisch betätigte Lamellenkupplung, eine formschlüssige Kupplung, eine so genannte Haldex-Kupplung, eine magnetische Kupplung oder eine fliehkraftgeregelte Reibkupplung aufweisen. Eine Betätigung der Kupplungseinheit kann z. B. auch über einen elektrischen Aktuator erfolgen.
Um die kompakte Antriebseinheit geschützt und gegebenenfalls einfach zu kühlend in einem dafür vorgesehenen Bauraum unterzubringen, kann die erfindungsgemäße Antriebseinheit ein Gehäuse aufweisen, dass wenigstens die Antriebswellen und die die Zahnradpaarungen realisierenden Zahnräder der Antriebseinheit umschließt. Damit kann ein Großteil der Antriebseinheit thermisch und akustisch isoliert von einer Außenumgebung vormontiert werden. Weiterhin kann über ein abgedichtetes Gehäuse der Antriebseinheit ein kühlendes und/oder reibungsminderndes Fluid bevorratet innerhalb des Gehäuses gehalten werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann das Gehäuse von einem Wärme abführenden, d. h. kühlenden Fluid als Kühlmedium ganz oder teilweise durchströmt sein, um eine optimale Betriebstemperatur sicherzustellen. Ein solches Kühlmedium, z. B. Öl, kann dabei in einem Reservoir des Gehäuses dauerhaft untergebracht sein und/oder über eine an dem Gehäuse befestigte oder separat hiervon untergebrachte Pumpvorrichtung aus dem Gehäuse und in das Gehäuse hinein gefördert werden. Ebenso können die Elektromotoren von einem öldurchflossenen Kühlmantel bzw. Motorgehäuse umschlossen sein.
Um die erfindungsgemäße Antriebseinheit aus wenigstens teilweise vorgefertigten Modulen herstellen zu können und diese schnell und einfach zusammenbauen zu können, weist das Gehäuse der Antriebseinheit bevorzugt mindestens einen napfförmigen Halteabschnitt auf, in dem wenigstens ein Abschnitt eines Elektromotors formschlüssig aufgenommen ist.
Da ein Elektromotor üblicherweise separat von der Antriebseinheit vorgefertigt wird und mit der daran bereits festgelegten Antriebswelle angeliefert wird, ist über eine derartige Ausbildung des Gehäuses eine definierte Anbringung der Elektromotoren an der Antriebseinheit vereinfacht. Hierzu wird der Elektromotor über den Halteabschnitt räumlich positioniert und in einer definierten Lage zu dem Gehäuse gehalten, bevor der Elektromotor beispielsweise über Schraubverbindungen an dem Gehäuse endgültig fixiert wird.
Weiterhin sind die beiden Elektromotoren vorzugsweise hochdrehend ausgelegt. Das bedeutet in einem Ausführungsbeispiel, dass die beiden Elektromotoren die Antriebswellen mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von jeweils bis zu 17.000 Umdrehungen je Minute antreiben können. In besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist das Antreiben wenigstens einer der beiden Antriebswellen mit Umdrehungsgeschwindigkeiten aus dem Bereich von 1.500 Umdrehungen je Minute bis 17.000 Umdrehungen je Minute, insbesondere aus dem Bereich von 1.500 Umdrehungen je Minute bis 10.000 Umdrehungen je Minute vorgesehen. Durch ein derart hohes Drehvermögen können die Elektromotoren bei vorgegebener Leistungsabgabe klein dimensioniert werden.
Mögliche Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Antriebseinheit sind auch durch die Unteransprüche gegeben.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden zudem bei der nachfolgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen deutlich werden.
Es zeigen:
1A–1E verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit, die über zwei zueinander symmetrische, schrägverzahnte Zahnradpaare an zwei Abtriebswellen je ein Drehmoment zur Verfügung stellt;
2 eine perspektivische Ansicht einer Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels der 1A–1E mit einer schaltbaren Kupplungseinheit, über die die beiden Antriebswellen drehfest miteinander gekoppelt werden können;
3A–3B Seitenansichten aneinander anliegender Stirnseiten der zwei Antriebswellen bei einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit;
4 eine Seitenansicht zweier einander zugewandter Stirnseiten der beiden Antriebswellen in einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit, die sich über ein zwischen Ihnen befindliches Stützelement gegeneinander axial abstützen.
Die 1A bis 1E zeigen in verschiedenen Ansichten ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 für ein Kraftfahrzeug mit zwei Elektromotoren 2L, 2R und zwei von diesen Elektromotoren 2L und 2R angetriebene Abtriebswellen 9L und 9R zur Abgabe je eines Drehmoments an den beiden Abtriebswellen 9L und 9R.
Wie insbesondere aus der 1C, die eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie C-C der 1B zeigt, und der 1E, die einen perspektivischen Einblick in das Innere eines Gehäuses 10 der Antriebseinheit 1 gewährt, ist ersichtlich, dass die Elektromotoren 2L und 2R jeweils zunächst eine erste Antriebswelle 3L bzw. zweite Antriebswelle 3R antreiben.
Die beiden Antriebswellen 3L und 3R weisen jeweils ein schrägverzahntes Antriebsritzel 4L, 4R auf. Jedes der Antriebsritzel 4L, 4R, als ein Beispiel für ein schrägverzahntes (Stirn-)Zahnrad mit Schrägverzahnung, kämmt unter großem Übersetzungsverhältnis mit einem schrägverzahnten Abtriebszahnrad 5L bzw. 5R. Der Eingriff der Zähne der miteinander kämmenden Zahnräder 4L und 5L bzw. 4R und 5R weist vorliegend eine relativ hohe Überdeckung auf, um über die damit gebildeten Zahnradpaarungen relativ große Drehmomente sicher und dauerhaft von den Elektromotoren 2L, 2R an die Abtriebszahnräder 5L, 5R zu übertragen.
Aufgrund der Schrägverzahnung der miteinander kämmenden Zahnräder 4L und 5L bzw. 4R und 5R werden sowohl in den Antriebswellen 3L und 3R als auch in den Abtriebszahnrädern 5L und 5R bei der Drehung der Antriebswellen 3L, 3R Axialkräfte erzeugt. Diese Axialkräfte sind in der 1C durch Pfeile gekennzeichnet, die mit den Bezugszeichen L1, R1 bzw. L2, R2 versehen sind. Während die Axialkräfte L1 und R1 die auftretenden Axialkräfte in den Antriebsritzeln 4L, 4R bzw. in den Antriebswellen 3L, 3R bezeichnen, stehen die Axialkräfte L2 und R2 für die in den Abtriebszahnrädern 5L und 5R auftretenden Axialkräfte.
Aufgrund einer symmetrischen Ausgestaltung der miteinander in Eingriff stehenden Zahnradpaare 4L, 5L und 4R, 5R entlang einer Symmetrieachse T wirken die Axialkräfte L1 und R1 der beiden Antriebswellen 4L und 4R bei einer Drehung in eine gemeinsame Drehrichtung D1 entsprechend der 1E einander direkt entgegen. Hierbei gibt die Drehrichtung D1 einen Betrieb der Antriebseinheit 1 wieder, der bevorzugt einer Geradeausfahrt des angetriebenen Kraftfahrzeugs entspricht.
Werden die Antriebsritzel 4L und 4R darüber hinaus um die den beiden Antriebswellen 3L und 3R gemeinsame Drehachse M1 mit übereinstimmenden Drehzahlen in die eine Drehrichtung D1 rotiert, sind auch die Beträge der in den Antriebsritzeln 4L, 4R bzw. in den Antriebswellen 3L, 3R erzeugten Axialkräfte L1, R1 vom Betrag her gleich. Die Drehachse M1 stimmt vorliegend mit den Längsachsen der Antriebswellen 3L und 3R überein.
Die Axialkräfte L1 und R1 heben sich damit vollständig gegeneinander auf, da in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 die beiden Antriebswellen 3L und 3R in einem Abstützbereich A an ihren Stirnseiten aneinander anliegen. Über diesen Abstützbereich A stützen sich die Antriebswellen 3L und 3R somit entlang ihrer Längsachsen (axial) gegeneinander ab.
Die Antriebseinheit 1 muss daher keine aufwendige axiale Lagerung der Antriebswellen 3L und 3R vorsehen, wenn diese in die Drehrichtung D1 um die gemeinsame Drehachse M1 von den Elektromotoren 2L und 2R rotiert werden. Vielmehr können die Antriebswellen 3L und 3R die mit der Schrägverzahnung der miteinander in Eingriff stehenden Zahnräder 4L, 5L bzw. 4R, 5R in den Antriebswellen 3L und 3R auftretenden axialen Kräfte L1 und R1 über den an ihren Stirnseiten befindlichen Stützbereich A ineinander einleiten.
Da die Antriebswellen 3L und 3R in dem Stützbereich A aber nicht drehfest miteinander verbunden sind, können die beiden Elektromotoren 2L und 2R die beiden Antriebswellen 3L und 3R mit zueinander unterschiedlichen Drehzahlen zur Drehung entlang der Drehrichtung D1 antreiben und damit zueinander unterschiedliche Drehmomente an den Abtriebswellen 9L und 9R zur Verfügung stellen.
Die axiale Abstützung der beiden Antriebswellen 3L und 3R kann dabei über die direkte Anlage der Stirnseiten der beiden Antriebswellen 3L und 3R erfolgen oder über ein zwischen ihnen befindliches Fluid F, um die Reibung zwischen den aneinander anliegenden und gegebenenfalls mit unterschiedlichen Drehzahlen zu einander rotierenden Stirnseiten der Antriebswellen 3L und 3R zu mindern. Derartige Lösungen mit einer Kugel-Pfannen-Paarung der beiden Stirnseiten der Antriebswellen zeigen exemplarisch die nachfolgend erläuterten 3A und 3B.
Eine weitere Möglichkeit der axialen Abstützung der beiden Antriebswellen 3L und 3R ist durch ein zwischen ihnen liegendes Stützelement E möglich, das nur mit einer der beiden Antriebswellen 3L, 3R drehfest verbunden ist oder sogar derart gelagert ist, dass beide Antriebswellen 3L und 3R sich gegenüber dem Stützelement E drehen können. Exemplarisch zeigt die ebenfalls nachfolgend näher erläuterte 4 eine solche Möglichkeit mit einem zwischen den Antriebswellen der Antriebseinheit 1 angeordneten Stützelement E, bei dem die Stirnseiten der Antriebswellen und das Stützelement E jeweils eine Kugel-Pfannen-Paarung bilden.
Während eine Drehung der Antriebswellen 3L und 3R um ihre gemeinsame Drehachse M1 in die Drehrichtung D1 einander entgegenwirkende Axialkräfte L1 und R1 bedingt, entstehen in den Abtriebszahnrädern 5L und 5R die Axialkräfte L2 und R2, die voneinander weg weisen. Diese Axialkräfte L2 und R2 werden vorliegend nicht über entsprechende Wälzlager aufgenommen, sondern in eine Lagerwelle W eingeleitet.
Die beiden Abtriebszahnräder 5L und 5R sind auf dieser Lagerwelle W gemeinsam, nebeneinander gelagert. Die beiden Abtriebszahnräder 5L und 5R sind gegenüber der Lagerwelle W drehbar und können somit auch mit unterschiedlichen Drehzahlen und bei Bedarf auch entlang unterschiedlicher Drehrichtungen um eine zur Drehachse M1 der Antriebswellen 3L, 3R parallel verlaufende Drehachse M2 gedreht werden. Im zuletzt genannten Fall mit unterschiedlichen Drehrichtungen ist selbstverständlich zu beachten, dass keine versagenskritischen Torsionskräfte auf die Lagerwelle W wirken. Um die Lagerwelle W nicht abweichend von dem gezeigten Ausführungsbeispiel in ihrem Durchmesser erheblich vergrößern zu müssen, kann dies beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zwischen den Mantelflächen einer Bohrung der Abtriebszahnräder 5L und 5R, durch die hindurch die Lagerwelle W geführt ist, und der Außenfläche der Lagerwelle W selbst eine ausreichende Schmierung vorgesehen ist. Zusätzlich oder alternativ können die zueinander gegenläufigen Drehmomente an den Abtriebszahnrädern 5L, 5R bestimmungsgemäß relativ gering gehalten und beispielsweise elektronisch begrenzt sein.
Zur Einleitung der Axialkräfte L2 und R2 von den Abtriebszahnrädern 5L und 5R in die Lagerwelle W weisen die Abtriebszahnräder 5L und 5R jeweils einen angeformten, in Richtung der ihnen am nächsten liegenden Stirnseite der Lagerwelle W weisenden Fortsatz 50L bzw. 50R auf. Dieser Fortsatz 50L bzw. 50R bildet entsprechend der 1C einen schmalen, hülsenförmigen Bund um die Bohrung eines jeweiligen Abtriebszahnrads 5L, 5R, durch die hindurch die Lagerwelle W geführt ist. Der Fortsatz 50L bzw. 50R liegt jeweils in axialer Richtung an einem Rand einer Sicherungsscheibe 51 an. Diese Sicherungsscheibe 51 ist über eine Schraube S jeweils an einer Stirnseite der Lagerwelle W fixiert und umgreift mit ihrem vorspringenden Rand diese Stirnseite.
Dementsprechend kann die Axialkraft L2 bzw. R2 von dem Fortsatz 50L bzw. 50R des Abtriebszahnrads 5L bzw. 5R über die Sicherungsscheibe 51 an der Stirnseite der Lagerwelle W in die Lagerwelle W eingeleitet werden. Der sich damit ergebende Kraftfluss der Lagerkräfte L2 und R2 von den Abtriebszahnrädern 5L und 5R in die Lagerwelle W ist in der Schnittansicht der 1C anhand zweier Verlaufspfeile verdeutlicht.
Der in der 1C dargestellte Verlauf der Axialkräfte L2 und R2 ebenso wie die Wirkrichtung der Axialkräfte L1 und R2 in den Antriebswellen 3L und 3R ergibt sich jedoch nur bei der Drehung der beiden Antriebswellen 3L und 3R in die in der 1E gezeigte Drehrichtung D1 um die Drehachse M1, vorzugsweise bei einer damit realisierten Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs.
So weist in der gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 die erste (linke) Antriebswelle 3L ein erstes Antriebsritzel 4L mit einer rechtssteigenden Außenverzahnung auf, die mit einer linkssteigenden Außenverzahnung des ersten Abtriebszahnrads 5L kämmt. Aufgrund der Symmetrie entlang der Symmetrieachse T weist folglich das zweite Antriebsritzel 4R der zweiten (rechten) Antriebswelle 3R eine linkssteigende Außenverzahnung 42 auf, die mit einer rechtssteigenden Außenverzahnung 52 des zweiten Abtriebszahnrads 5R kämmt. Dementsprechend verlaufen die Axialkräfte in den Antriebsritzeln 4L, 4R und in den Abtriebszahnrädern 5L, 5R entgegengesetzt zu den in der 1C dargestellten Axialkräften L1, L2, R1 und R2, wenn die beiden Antriebswellen 3L und 3R zu einer zu der Drehrichtung D1 gegenläufigen Drehung um ihre Drehachse M1 angetrieben werden. Die dabei auftretenden Axialkräfte in den Antriebwellen 3L und 3R werden vorliegend dann über eine nicht weiter dargestellte Lagerung innerhalb der Elektromotoren 2L und 2R aufgenommen, da die auftretenden Axialkräfte die Antriebswellen 3L und 3R in die Richtung der Elektromotoren 2L und 2R weisen.
Demgegenüber werden die beiden Abtriebszahnräder 5L und 5R über die bei diesem Betrieb der Antriebseinheit 1 – vorzugsweise bei einer Rückfahrtsfahrt des Kraftfahrzeugs – auftretenden Axialkräfte gegeneinander gedrückt. Damit diese einander entgegen wirkenden Axialkräfte sich wenigstens teilweise aufheben können, stützen sich die beiden Abtriebszahnräder 5L und 5R in diesem Betriebszustand über einen zwischen ihnen liegenden Stützbereich B axial gegeneinander ab.
So kann in diesem Stützbereich B eine zwischen die Abtriebszahnräder 5L und 5R gelegte Anlaufscheibe angeordnet sein. Damit können sich die beiden Abtriebszahnräder 5L und 5R zwar einerseits mit zueinander unterschiedlichen Drehzahlen und/oder Drehrichtungen ohne unmittelbare Anlage aneinander und relativ reibungsarm um die gemeinsame Lagerwelle W drehen, aber sich andererseits auch bei einer Umkehr der Drehrichtung gegeneinander axial abstützen. In der gezeigten Ausführungsform können sich somit nicht nur die in die Lagerwelle W eingeleiteten Axialkräfte L2 und R2 der Abtriebszahnräder 5L und 5R bei einer Drehung der Abtriebszahnräder 5L und 5R in eine erste, gemeinsame Drehrichtung (hier D2_L oder D2_R) gegenseitig vollständig neutralisieren, sondern auch die dazu entgegensetzten Axialkräfte bei einer Drehung in eine zu der ersten Drehrichtung entgegengesetzte Drehrichtung der Abtriebszahnräder 5L, 5R (nicht dargestellt, aber hier identisch zu D1).
Die Übertragung des an den Abtriebszahnrädern 5L und 5R anliegenden Drehmoments bei einem Antrieb über den zugeordneten Elektromotor 2L bzw. 2R an die jeweils ihnen zugeordnete Abtriebswelle 9L bzw. 9R erfolgt über ein zwischengeschaltetes Übertragungsstück 8L bzw. 8R. Das Übertragungsstück 8L, 8R weist jeweils einen vorstehenden Einpressabschnitt 8.1L, 8.1R auf, der auf den jeweiligen Fortsatz 50L, 50R des zugeordneten Abtriebszahnrads 5L, 5R aufgeschoben und aufgepresst ist. Sowohl der Fortsatz 50L, 50R des Abtriebszahnrads 5L bzw. 5R als auch der damit kraftschlüssig verbundene Einpressabschnitt 8.1L bzw. 8.1R des jeweiligen Übertragungsstücks 8L, 8R ist dabei über ein zweites (Wälz-)Lager 7L, 7R in einem Gehäusefortsatz 10.1L bzw. 10.1R des Gehäuses 10 in dem Gehäuse 10 der Antriebseinheit 1 drehbar gelagert.
Während sich das Abtriebszahnrad 5L (bzw. analog das Abtriebszahnrad 5R) über ein erstes (Wälz-)Lager 6L (6R) an dem Gehäusefortsatz 10.1L (10.1R) abstützt, ist zwischen dem auf den jeweiligen Fortsatz 50L (50R) aufgepressten Einpressabschnitt 8.1L (8.1R) und dem Gehäusefortsatz 10.1L (10.1R) dieses zweite Lager 7L (7R) in Form eines Nadellagers angeordnet.
Ein von dem Übertragungsstück 8L bzw. 8R in axialer Richtung aus dem Gehäuse 10 vorstehendes Ende ist mit der jeweiligen Abtriebswelle 9L bzw. 9R verbunden. Vorliegend verlaufen die beiden Abtriebswellen 9L und 9R koaxial zueinander entlang der Drehachse M2 und damit auch koaxial zu der Lagerwelle W der beiden Abtriebszahnräder 5L und 5R. Zur Verbindung mit dem jeweils ihnen zugeordneten Übertragungsstück 8L bzw. 8R sind die Abtriebswellen 9L und 9R jeweils mit einem Ende in eine Bohrung des Übertragungsstücks 8L bzw. 8R eingepasst. Selbstverständlich ist hier aber auch jede andere bekannte Welle-Nabe-Verbindung in Abhängigkeit des zu übertragenden Drehmoments denkbar, z. B. mit einer Passfeder oder einer Keilwelle.
Um die Verbindungsstelle zwischen Übertragungsstück 8L und Abtriebswellen 9L bzw. Übertragungsstück 8R und Abtriebswelle 9R vor Verunreinigungen zu schützen, ist eine gebalgte Abdeckung 9.1L bzw. 9.1R vorgesehen. Diese Abdeckung 9.1L bzw. 9.1R ist auf die Abtriebswelle 9L bzw. 9R aufgesteckt und umgreift umlaufend einen Abschnitt des Übertragungsstücks 8L bzw. 8R.
Über die Übertragungsstücke 8L und 8R kann die Antriebseinheit 1 demnach eine von den Elektromotoren 2L und 2R angetriebene Drehung der Antriebswellen 3L und 3R über die Paarung der schrägverzahnten Zahnräder 4L und 5L bzw. 4R und 5R als Drehungen der Abtriebswellen 9L und 9R mit verminderter Drehzahl um die Drehachse M2 entlang von Drehrichtungen D2_L und D2_R entsprechend der 1E abgeben. Entsprechend der symmetrischen Ausgestaltung der Antriebseinheit 1 sind die Drehrichtungen D2_L und D2_R der beiden Abtriebswellen 9L, 9R zur gemeinsamen Drehrichtung D1 der beiden Antriebswellen 3L, 3R entgegengesetzt.
Die dargestellte Antriebseinheit 1 kann als eine zentrale Antriebseinheit oder als eine von gegebenenfalls mehreren und gegebenenfalls gleichartigen Antriebseinheiten eines Kraftfahrzeugs genutzt werden. So sind die Abtriebswellen 9L und 9R hierfür zur Weitergabe einer rotativen Bewegung mit den Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs gekoppelt.
Die kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 der 1A–1E wird zudem durch das gezeigte Gehäuse 10 weiter unterstützt. Das Gehäuse 10 besteht aus zwei zueinander spiegelsymmetrischen Gehäusehälften 10L und 10R, die entlang der Symmetrieachse T aneinandergefügt sind. Eine Gehäusehälfte 10L bzw. 10R nimmt dabei jeweils eine Antriebswelle 3L, 3R mit ihrem Antriebsritzel 4L, 4R, ein Abtriebszahnrad 5L, 5R und wenigstens einen Teil des Übertragungsstücks 8L, 8R in ihrem Inneren auf bzw. umschließt die genannten Komponenten der Antriebseinheit 1 vollständig.
Darüber hinaus weist jede Gehäusehälfte 10L, 10R einen napfförmigen Halteabschnitt 10.2L, 10.2R auf, an dem der jeweilige Elektromotor 2L oder 2R formschlüssig aufgenommen und damit festgelegt ist.
Vorliegend sind die Elektromotoren 2L und 2R mit einem zylindrischen Motorgehäuse 20L bzw. 20R ausgebildet, dessen eine Stirnseite jeweils in einer durch den napfförmigen Halteabschnitt 10.2L bzw. 10.2R definierten Aufnahme eingesetzt ist. Das Motorgehäuse 20L bzw. 20R umschießt schützend einen in seinem Inneren untergebrachten Antriebsmotor 21L bzw. 21R in Form eines Rotors, der in der 1C nur schematisch dargestellt ist. Bei einem Elektromotor 2L oder 2R kann es sich somit beispielsweise um einen Synchron- oder Asynchronmotor handeln. Mit einem Durchzug an der in dem Halteabschnitt 10.2L bzw. 10.2R ruhenden Stirnseite des Motorgehäuses 20L bzw. 20R ist der Elektromotor 2L bzw. 2R schnell und zügig in der gewünschten Position an der jeweiligen Gehäusehälfte 10L bzw. 10R einzustecken. So greift dieser Durchzug in eine Durchgangsbohrung der jeweiligen Gehäusehälfte 10L bzw. 10R. Durch die von dem Durchzug berandete Bohrung des Motorgehäuses 20L, 20R ist die jeweilige Antriebswelle 3L, 3R ins Innere des Gehäuses 10 geführt.
Die in dem Gehäuse 10 angeordneten Zahnräder 4L und 5L bzw. 4R und 5R werden von einem sich an den Halteabschnitt 10.2L bzw. 10.2R anschließenden Gehäuseabschnitt 10.L bzw. 10.3R der Gehäusehälften 10L, 10R in radialer Richtung vollständig umschlossen. Über die sich in den 1A–1C unterhalb des Halteabschnitts 10.2L, 10.2R von den Gehäusehälften 10L, 10R hervorstehenden Gehäusefortsatz 10.1L und 10.1R stützen sich die Abtriebszahnräder 5L und 5R sowie die Übertragungsstücke 8L und 8R drehbar an dem Gehäuse 10 ab. In den Bereich der Gehäusefortsätze 10.1L und 10.1R schließen sich die Abtriebswellen 9L und 9R an das Gehäuse 10 der gezeigten Antriebseinheit 1 an, so dass diese davon hervorstehen.
Um den Zusammenbau der beiden Gehäusehälften 10L und 10R des Gehäuses 10 zügig vollziehen zu können, weist jede Gehäusehälfte 10L, 10R einen umlaufenden, radial vorstehenden Randabschnitt 10.4L bzw. 10.4R auf. Diese Randabschnitte 10.4L und 10.4R weisen jeweils eine im zusammengebauten Zustand der Antriebseinheit 1 der anderen Gehäusehälfte 10L oder 10R zugewandte Montagefläche auf, die im zusammengebauten Zustand aneinander anliegen und an denen eine Mehrzahl von Verbindungsstellen 11 vorgesehen ist.
Um vor der Verbindung der beiden Gehäusehälften 10L und 10R eine bestimmungsgemäße Orientierung der beiden Gehäusehälften 10L, 10R zueinander sicherzustellen, weist eine der Gehäusehälften, vorliegend die (linke) Gehäusehälfte 10L, entsprechend der 1E an den Verbindungsstellen 11 in Richtung der anderen Gehäusehälfte 10R vorstehende Verbindungsstifte 111 auf. Diese Befestigungsstifte 111 oder alternativ analog vorstehende Befestigungshülsen werden zur Verbindung der beiden Gehäusehälften 10L und 10R miteinander in korrespondierende Bohrungen an der anderen Gehäusehälfte 10R eingeführt. Durch die in diesen Bohrungen ruhenden Befestigungshülsen kann nun beispielsweise eine Schraube hindurchgeführt werden, um mittels einer auf die Schraube aufgedrehten Mutter die beiden Gehäusehälften 10L und 10R zueinander zu fixieren.
In der 2 ist eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antriebseinheit nach den 1A–1E gezeigt. Diese weist zwischen den beiden, sich axial gegeneinander abstützenden Antriebswellen 3L und 3R eine schematisch gezeigte Kupplungseinheit K auf. Über die schaltbare Kupplungseinheit K können die beiden Antriebswellen 3L und 3R bei Bedarf drehfest miteinander gekoppelt werden.
Mit anderen Worten stützen sich die beiden Antriebswellen 3L und 3R während eines bestimmungsgemäßen ersten Gebrauchszustands beispielsweise in Analogie zu dem Ausführungsbeispiel der 1A–1E unmittelbar über einen Abstützbereich A gegeneinander axial ab. In einem davon unterschiedlichen zweiten Gebrauchszustand, in dem die Kupplungseinheit K aktiviert wurde, sind die beiden Antriebswellen 3L und 3R nicht mehr unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Drehzahlen und/oder Drehrichtungen betreibbar, sondern über die Kupplungseinheit K drehfest miteinander gekoppelt.
Der Kopplungs- bzw. Kupplungsvorgang zur drehfesten Verbindung der zueinander koaxial verlaufenden längserstreckten Antriebswellen 3L und 3R kann hierbei auf verschiedene Art und Weise ausgelöst werden. So ist beispielsweise eine hydraulische, magnetische, elektrische oder rein mechanische Betätigung denkbar, die darüber hinaus sowohl selbsttätig, automatisch (d. h. z. B. auf ein automatisch generiertes Signal einer Steuerungseinheit hin) oder manuell erfolgen kann. Hierbei wird zwischen selbsttätig und automatisch insoweit unterschieden, als dass eine selbsttätige drehfeste Kopplung der beiden Antriebswellen 3L und 3R miteinander ohne äußere Anregung und beispielsweise ausschließlich fliehkraftbetätigt erfolgt. Demgegenüber fallen unter eine automatische drehfeste Kopplung der beiden Antriebswellen 3L und 3R miteinander auch diejenigen Kopplungsvorgänge, bei denen aufgrund des Überschreitens eines vordefinierten Schwellenwerts (z. B. einer zulässigen Drehzahldifferenz zwischen den beiden Antriebswellen 3L und 3R) automatisch ein elektrisches Steuersignal an die Kupplungseinheit übertragen wird und so der Kopplungsvorgang ausgelöst wird.
Eine derartige Kopplung der beiden Antriebswellen 3L und 3R kann beispielsweise auch vorgesehen sein, wenn einer der beiden Elektromotoren 2L, 2R ausfällt oder nicht mehr volle Leistung bringt und die diesem Elektromotor zugeordnete Abtriebswelle 9L oder 9R durch den anderen, noch intakten Elektromotor mitgeschleppt werden soll. Auf diese Weise ist in einem zweiten Gebrauchszustand, in dem die Kupplungseinheit K aktiviert ist, ein „Notbetrieb” der Antriebseinheit 1 möglich, in dem noch beide Abtriebswellen 9L und 9R ein (aufgrund der Symmetrie der Zahnräder 4L, 5L und 4R, 5R identisches) Drehmoment zur Verfügung stellen.
Mögliche Ausführungsformen der hier nur schematisch dargestellten schaltbaren Kupplungseinheit können dementsprechend eine Viskokupplung, eine Magnetpulverkupplung, eine Lamellenkupplung, eine Haldex-Kupplung oder eine magnetische Kupplung aufweisen.
Ein in dem Ausführungsbeispiel der 2 ersichtlicher und gegenüber dem Ausführungsbeispiel der vorangegangenen 1A–1E deutlich vergrößerter Zwischenraum Z zwischen den axial nebeneinander angeordneten Abtriebszahnrädern 5L und 5R ergibt sich aufgrund der mittig angeordneten Kupplungseinheit K. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der Antriebseinheit 1 in den 1A–1E ist hier folglich die Lagerwelle W länger ausgebildet. Der Zwischenraum Z zwischen den beiden Abtriebszahnrädern 5L und 5R ist längs der Lagerwelle W beispielsweise über an den Abtriebszahnrädern 5L, 5R angeformte und sich jeweils in Richtung des anderen Abtriebszahnrades 5R, 5L erstreckende Fortsätze und/oder über eine auf die Lagerwelle W aufgeschobene Hülse überbrückt. So erfolgt die Krafteinleitung bzw. Kraftkompensation der Axialkräfte, insbesondere der Axialkräfte L2 und R2, in Übereinstimmung mit den zuvor gemachten Ausführungen zu der Antriebseinheit 1 der 1A–1E.
In der 2 ist darüber hinaus eine weitere bevorzugte Welle-Nabe-Verbindung für die drehfeste Verbindung der Übertragungsstücke 8L und 8R mit dem jeweiligen Fortsatz 50L, 50R eines Abtriebszahnrads 5L bzw. 5R anhand des sichtbaren Fortsatzes 50R dargestellt. So weist hierin der (rechte) Fortsatz 50R mehrere axial und somit parallel zu Längserstreckung des Fortsatzes 50R verlaufende Befestigungsnuten 50.1R auf. Diese bilden eine formschlüssige Keilwellen-Verbindung mit dem aufgeschoben Abschnitt des Übertragungsstückes 8R, um so auch große Drehmomente sicher übertragen zu können.
In den 3A und 3B werden in Seitenansicht verschiedene Möglichkeiten exemplarisch dargestellt, wie die beiden Antriebswellen 3L und 3R der 1A–1E und 2 in dem Stützbereich A aneinander anliegen können, um sich auch bei unterschiedlichen Drehzahlen und/oder Drehrichtungen der beiden Antriebswellen 3L und 3R axial gegeneinander abzustützen.
In der 3A liegen Antriebswellen 3L* und 3R* mit ihren Stirnseiten in einem Abstützbereich A* über eine Kugel-Pfannen-Paarung aneinander an. Hierbei ist ein nach außen gewölbter Abschnitt der einen (linken) Antriebswelle 31* einem nach innen gewölbten Abschnitt der anderen (rechten) Antriebswelle 3R* zugewandt. Die zueinander komplementär gewölbten Abschnitte werden dabei vorliegend durch die einander zugewandten Stirnseiten der beiden Antriebswellen 3L* und 3R* selbst gebildet. Dabei ist die Stirnseite der einen Antriebswelle 3L* mit einer Wölbung K_L nach außen, d. h. in Richtung der anderen Antriebswelle 3R* gewölbt und die andere (rechte) Antriebswelle 3R*, weist eine zu dieser Wölbung K_L parallele, nach innen weisende Wölbung K_R an ihrer Stirnseite auf.
Über ein zwischen den beiden einander zugewandten Stirnseiten der beiden Antriebswellen 3L* und 3R* ist darüber hinaus ein Fluid F eingebracht, um die Reibung zwischen den beiden Antriebswellen 3L* und 3R* beim Betrieb der Antriebseinheit 1 zu mindern.
In der 3B wird eine dazu ähnliche Ausführung einer Kugel-Pfannen-Paarung mit Antriebswellen 3L' und 3R' gezeigt, die über einen Abstützbereich A' bei einer Drehung der Antriebswellen 3L' und 3R' in die Drehrichtung D1 aneinander anliegen. Hierbei weist die Antriebswelle 3L' an ihrer Stirnseite einen nach außen gewölbten Absatz mit einer Wölbung K_L' auf. Der Absatz ist entsprechend eines Segments einer Kugeloberfläche gekrümmt.
Dieser vorstehende Absatz der einen Antriebswelle 3L' greift in eine dazu als Negativform korrespondierende Aufnahme in der anderen Antriebswelle 3R' ein. Auch hier wird zwischen den beiden dem Abstützbereich A' einander angrenzenden Abschnitten der beiden Antriebswellen 3L' und 3R' die axiale Abstützung der beiden Antriebswellen 3L' und 3R' entlang der Drehachse M1 über das Fluid F realisiert.
Um die Stirnseiten der beiden Antriebswellen nicht zwingend aufeinander abstimmen zu müssen und die axiale Abstützung ausschließlich über ein zwischen den beiden Antriebswellen befindliches Fluid F zu realisieren, kann entsprechend der 4 zwischen zwei Antriebswellen 3L** und 3R** ein Stützelement E angeordnet sein. Dieses Stützelement E ist auf keinem der beiden gezeigten Antriebswellen 3L** und 3R** drehfest angeordnet, so dass sich die beiden Antriebswellen 3L** und 3R** relativ zu dem zwischen Ihnen befindlichen Stützelement E um die Drehachse M1 drehen können. Das Stützelement E, das vorzugsweise aus einem im Zusammenspiel mit dem Material der Antriebswellen 3L** und 3R** einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweiset, definiert zwei Aufnahmen für jeweils eine der Antriebswellen 3L** und 3R** auf voneinander abgewandten Seiten des Stützelements E. In diese Aufnahmen ist jeweils das in Richtung der anderen Antriebswelle weisende Ende einer Antriebswelle 3L**, 3R** eingeführt, so dass die beiden Antriebswellen 3L** und 3R** über das Stützelement E entlang der Drehachse M1 auftretende und in Richtung der anderen Antriebswelle weisende Axialkräfte aneinander übertragen können.
Für die Übertragung der Axialkräfte L1, R1 liegt eine Antriebswelle 31** oder 3R** beim Antrieb über den Elektromotor 2L bzw. 2R an dem Stützelement E mit ihrer mit einer Wölbung K_L** bzw. K_R** versehenen Stirnseite in einer entsprechend parallel dazu gewölbten Gegenfläche der Aufnahme des Stützelements E an. Auf diese Weise wird jeweils zwischen dem Stützelement und einer der beiden Antriebswellen 3L** und 3R** eine Variante einer Kugel-Pfannen-Paarung realisiert.
Eine solche Kugel-Pfannen-Paarung gestattet im Betrieb der Antriebseinheit 1 in besonders effizienter Weise die Übertragung axialer Kräfte L1, R1 der beiden Antriebswellen ineinander bei gleichzeitiger Bereitstellung einer relativ großen Montage- und Fertigungstoleranz für die relativ zueinander drehbaren Antriebswellen.
Wie bereits eingangs erläutert, stellt die erfindungsgemäße Antriebseinheit zwei voneinander mechanisch unabhängige und von zwei Elektromotoren erzeugte Drehmomente bereit. Zudem baut diese die beiden Elektromotoren 2L, 2R aufweisende (zentrale) Antriebseinheit 1 enorm kompakt und kann kostengünstig hergestellt werden. Gleichzeitig wird über die gezeigte Ausbildung mit schrägverzahnten Zahnrädern eine maximal mögliche Laufruhe auch bei höchsten Drehzahlen (bis zu 12.000 Umdrehungen je Minute) der beiden Antriebswellen zur Verfügung gestellt, ohne dass für die in den Antriebs- und Abtriebswellen auftretende und unter Umständen relativ hohe Axialkräfte gesondert Axiallager vorgesehen werden müssten.
Zwar werden vorliegend aufgrund ihrer Steuerbarkeit bzw. Regelbarkeit Elektromotoren 2L, 2R für die Antriebseinheit 1 verwendet. Diesen können zudem im Schubtrieb, d. h. z. B. bei einer Bergabfahrt des Kraftfahrzeugs, als Generatoren genutzt werden. Alternativ könnten selbstverständlich auch hydraulische oder pneumatische Motoren verwendet werden.
Wie bereits eingangs dargelegt, ist die erfindungsgemäße Antriebseinheit als Teil eines Fahrzeugantriebs zu verwenden, der eine motorisch angetriebene Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs sicherstellt oder ergänzt. Die gezeigte Antriebseinheit 1 ist sehr einfach im Aufbau und leicht justierbar in der Montage. So kann der Abstand der Antriebswellen 3L, 3L', 3L*, 31** und 3R, 3R', 3R*, 3R** und Abtriebswellen 9L, 9R über das Gehäuse 10 und eine diesbezügliches axiales Spiel über die Gehäusehälften 10L, 10R eingestellt werden.
Die Antriebseinheit 1 mit den insgesamt vier Zahnrädern 4L, 4R, 5L und 5R sitzt bevorzugt mittig im Kraftfahrzeug und ist über an den Abtriebswellen 9L und 9R angreifende Gelenkwellen (nicht dargestellt) mit je einem angetriebenen Rad des Kraftfahrzeugs verbunden.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung mit separat voneinander ansteuerbaren bzw. mit angepassten Drehzahlen zu betreibenden Abtriebswellen 9L, 9R kann das üblicherweise in einem Kraftfahrzeug vorgesehen Differential mit in Summe 6 Zahnräder vollständig entfallen. Zudem kann die erfindungsgemäße kompakte Antriebseinheit 1 beliebig um eine zu ihren Drehachsen M1 oder M2 parallele Raumachse gedreht im Kraftfahrzeug angebracht werden und ist aufgrund ihrer symmetrischen Ausbildung sowohl für Rechtlenker- als auch für Linkslenkerfahrzeuge geeignet.
Die Kühlung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ist mit einem Gehäuse, das entsprechend dem Gehäuse 10 der vorangegangenen Figuren wesentliche Komponenten der Antriebseinheit umschließt, durch das Vorsehen eines Kühlmediums innerhalb des Gehäuses besonders effizient zu realisieren. Darüber hinaus wird mit einem solchen Gehäuse eine thermische und akustische Kapselung der kompletten Antriebseinheit, bestehend aus zwei Elektromotoren, zwei einstufigen Getriebestufen und zwei jeweils mit den Abtriebswellen verbundenen Übertragungsstücken zum Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen und zur leichteren Montage bereitgestellt.
Eine Schmierung und Kühlung der Antriebseinheit 1 kann über eine in dem Gehäuse 10 integrierte Ölpumpe oder eine außerhalb des Gehäuses 10 angeordnete Ölpumpe erfolgen. Bevorzugt werden auch die Elektromotoren 2L, 2R und die Leistungselektronik ölgekühlt. Das Öl kann über einen Thermostat dem Innenraum zur Heizung oder einem Kühler zugeführt werden. Eine elektrische Zusatzheizung innerhalb des Kraftfahrzeugs kann damit entfallen.

1: Antriebseinheit
10: Gehäuse
10.1L, 10.1R: Gehäusefortsatz
10.2L, 10.2R: Halteabschnitt
10.3L, 10.3R: Gehäuseabschnitt
10.4L, 10.4R: Randabschnitt
10L, 10R: Gehäusehälfte
11: Verbindungsstellen
111: Befestigungsstift
20L, 20R: Motorgehäuse
21L, 21R: Antriebsmotor
2L, 2R: Elektromotor
3L, 3L*, 3L**, 3L': Antriebswelle
3R, 3R*, 3R**, 3R': Antriebswelle
42: Außenverzahnung
4L, 4R: Antriebsritzel
50.1R: Befestigungsnut
50L, 50R: Fortsatz
51: Sicherungsscheibe
52: Außenverzahnung
5L, 5R: Abtriebszahnrad
6L, 6R: (erstes) Lager
7L, 7R: (zweites) Lager
8.1L, 8.1R: Einpressabschnitt
8L, 8R: Übertragungsstück
9.1L, 9.1R: Abdeckung
9L, 9R: Abtriebswelle
A, A*, A', B: Abstützbereich
D1, D2_L, D2_R: Drehrichtung
E: Stützelement
F: Fluid
K: Kupplungseinheit
K_L, K_L', K_L**: Wölbung
K_R, K_R', K_R**: Wölbung
L1, R1: Axialkraft (in Antriebsritze) bzw. Antriebswelle)
L2, R2: Axialkraft (in Abtriebszahnrad)
M1, M2: Drehachse
S: Schraube
T: Symmetrieachse
W: Lagerwelle
Z: Zwischenraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2306828 A [0004, 0005, 0006]

Claims

Antriebseinheit zum Antrieb mindestens zweier Räder eines Kraftfahrzeugs, mit – zwei Elektromotoren, die jeweils eine Antriebswelle antreiben, – zwei mit jeweils mindestens einem Rad des Kraftfahrzeuges zu koppelnden, längserstreckten Abtriebswellen, die jeweils einer Antriebswelle eines Elektromotors zugeordnet sind, und – zwei Zahnradpaarungen, über die jeweils eine Abtriebswelle mit einer zugeordneten Antriebswelle in Wirkverbindung steht, so dass – jede Abtriebswelle mittels der zugeordneten Antriebswelle zu einer Drehung um ihre Längsachse antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') derart zueinander angeordnet sind, dass sich bei Drehung der einen Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L') und bei gleichzeitiger Drehung der anderen Antriebswelle (3R, 3R*, 3R**, 3R') die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') axial gegeneinander abstützen.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') über einander gegenüberliegende Stirnseiten der Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') axial gegeneinander abstützen.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') über ein zwischen ihnen befindliches Fluid (F) und/oder über mindestens ein zwischen ihnen befindliches Stützelement (E), relativ zu dem wenigstens eine der beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L'; 3R, 3R*, 3R**, 3R') drehbar ist, gegeneinander abstützen.
Antriebseinheit nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens zwischen denen einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') das mindestens eine Stützelement (E) und/oder Fluid (F) befindet
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L', 3R, 3R*, 3R') zu ihrer gegenseitigen axialen Abstützung jeweils in einem dafür vorgesehen Stützbereich (A, A*, A') aneinander anliegen.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur gegenseitigen axialen Abstützung der beiden Abtriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') eine Kugel-Pfannen-Paarung der Abtriebswellen (3L, 3L*, 3L', 3R, 3R*, 3R') und/oder mindestens eine Kugel-Pfannen-Paarung einer Abtriebswelle (3L**; 3R*) und eines zwischen den Abtriebswellen (3L**, 3R**') befindlichen Stützelementes (E) vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtriebswelle (9L, 9R) jeweils über eine Paarung schrägverzahnter Zahnräder (4L, 5L; 4R, 5R) mit der der Abtriebswelle (9L, 9R) zugeordneten Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') des Elektromotors (2L; 2R) in Wirkverbindung steht.
Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) derart ausgebildet ist, dass durch die Paarung der schrägverzahnten Zahnräder (4L, 5L; 4R, 5R) bei Drehung der einen Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L') in eine erste Drehrichtung (D1) und bei gleichzeitiger Drehung der anderen Antriebswelle (3R, 3R*, 3R**, 3R') in eine zweite Drehrichtung (D1) jeweils in einer (3L, 3L*, 31**, 3L'; 3R, 3R*, 3R**, 3R') der beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') Axialkräfte (L1; R1) entstehen, die im Wesentlichen den in der anderen Antriebswelle (3R, 3R*, 3R**, 3R'; 3L, 3L*, 3L**, 3L') entstehenden Axialkräften (R1; L1) entgegenwirken.
Antriebseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Paarungen der schrägverzahnten Zahnräder (4L, 5L; 4R, 5R) der Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') und Abtriebswellen (9L, 9R) derart ausgebildet sind, dass sich bei Drehung der einen Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L') in eine erste Drehrichtung (D1) und bei gleichzeitiger Drehung der anderen Antriebswelle (3R, 3R*, 3R**, 3R') in eine zweite Drehrichtung (D1) die über die Zahnräder (4L, 5L; 4R, 5R) in den beiden gegeneinander abgestützten Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') entstehenden Axialkräfte (L1, R1) gegenseitig aufheben.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) derart ausgebildet ist, dass sich die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') bei einer Drehung der beiden Antriebswellen (3L, 31*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') in eine übereinstimmende Drehrichtung (D1) gegeneinander axial abstützen.
Antriebseinheit nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Paarung der schrägverzahnten Zahnräder (4L, 5L; 4R, 5L) für eine Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L'; 3R, 3R*, 3R**, 3R') und eine der Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L'; 3R, 3R*, 3R**, 3R') zugeordnete Abtriebswelle (9L; 9R) entlang einer Symmetrieachse (T) symmetrisch zu der Paarung der schrägverzahnten Zahnräder (4R, 5R; 4L, 5L) für die andere Antriebswelle (3R, 3R*, 3R**, 3R'; 3L, 3L*, 3L**, 3L') und die andere, dieser Antriebswelle (3R, 3R*, 3R**, 3R'; 3L, 3L*, 3L**, 3L') zugeordnete Abtriebswelle (9R; 9L) ist.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebswelle (3L, 31*, 3L**, 3L'; 3R, 3R*, 3R**, 3R') eines Elektromotors (2L; 2R) mit einem Antriebszahnrad (4L; 4R) verbunden ist, das mit einem Abtriebszahnrad (5L; 5R) kämmt, und dieses Abtriebszahnrad (5L; 5R) die der Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L'; 3R, 3R*, 3R**, 3R') zugeordnete Abtriebswelle (9L; 9R) antreibt.
Antriebseinheit nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) derart ausgebildet und die Zahnradpaarungen derart ausgelegt sind, dass sich bei einer Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs in den Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') entstehende Axialkräfte (L1, R1) und in den mit den Antriebszahnrädern (4L, 4R) der Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') kämmenden Abtriebszahnrädern (5L, 5R) entstehende Axialkräfte (L2, R2) jeweils gegenseitig neutralisieren.
Antriebseinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) zwei Abtriebszahnräder (5L, 5R) aufweist, die auf einer gemeinsamen Lagerwelle (W) gelagert sind.
Antriebseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebszahnräder (5L, 5R) relativ zu der Lagerwelle (W) drehbar gelagert sind.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebszahnräder (5L, 5R) derart ausgebildet und auf der Lagerwelle (W) gelagert sind, dass wenigstens bei einer Drehung eines Abtriebszahnrades (5L; 5R) in eine erste Drehrichtung (D2_L; D2_R) und gleichzeitiger Drehung des anderen Abtriebszahnrades (5R; 5L) in eine zweite Drehrichtung (D2_R; D2_L) auf die Abtriebszahnräder (5L, 5R) wirkende Axialkräfte (L2, R2) in die Lagerwelle (W) eingeleitet werden.
Antriebseinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebszahnräder (5L, 5R) derart ausgebildet und auf der Lagerwelle (W) gelagert sind, dass die erste Drehrichtung (D2_L; D2_R) des einen Abtriebszahnrades (5L; 5R) und die zweite Drehrichtung (D2_R; D2_L) des anderen Abtriebszahnrades (5R; 5L) überstimmen, wenn die auf die Abtriebszahnräder (5L, 5R) wirkende Axialkräfte (L2, R2) in die Lagerwelle (W) eingeleitet werden.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch mindestens ein Übertragungsstück (8L; 8R), das sowohl mit einem Abtriebszahnrad (5L; 5R) als auch mit einer Abtriebswelle (9L; 9R) verbunden ist, um ein Drehmoment von dem Abtriebszahnrad (5L; 5R) auf diese Abtriebswelle (9L; 9R) zu übertragen.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') koaxial zueinander liegen und/oder die Abtriebswellen (9L, 9R) koaxial zueinander liegen und/oder eine Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L'; 3R, 3R*, 3R**, 3R') und eine über diese Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L'; 3R, 3R*, 3R**, 3R') angetriebene Abtriebswelle (9L; 9R) zueinander parallel sind.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine schaltbare Kupplungseinheit (K), über die die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') drehfest miteinander gekuppelt werden können.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (10), das wenigstens die Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') und die die Zahnradpaarungen realisierenden Zahnräder (4L, 5L; 4R, 5R) der Antriebseinheit (1) umschließt.
Antriebseinheit nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) zwei zueinander symmetrische Gehäusehälften (10L, 10R) aufweist.
Antriebseinheit nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) mindestens einen napfförmigen Halteabschnitt (10.2L, 10.2R) aufweist, in dem wenigstens ein Abschnitt eines Elektromotors (2L; 2R) formschlüssig aufgenommen ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) von einem Kühlmedium durchströmt ist.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektromotoren (2L, 2R) hochdrehend ausgelegt sind, insbesondere dass die beiden Elektromotoren (2L, 2R) die Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von bis zu 17.000 Umdrehungen je Minute antreiben.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abtriebswellen (9L, 9R) und/oder die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') bei einer durch die Elektromotoren (2L, 2R) verursachten Drehung um ihre jeweilige Längsachse (M1; M2) zueinander unterschiedliche Drehzahlen aufweisen können.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abtriebswellen (9L, 9R) bei einer durch die Elektromotoren (2L, 2R) verursachten Drehung um ihre jeweilige Längsachse (M2) zueinander unterschiedliche Drehrichtungen (D2_R, D2_L) aufweisen können.
Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') bei einer durch die Elektromotoren (2L, 2R) verursachten Drehung um ihre jeweilige Längsachse (M1) zueinander unterschiedliche Drehrichtungen (D1) aufweisen können und die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') derart zueinander angeordnet sind, dass sich bei Drehung der einen Antriebswelle (3L, 3L*, 3L**, 3L') in eine erste Drehrichtung (D1) und bei gleichzeitiger Drehung der anderen Antriebswelle (3R, 3R*, 3R**, 3R') in eine zweite Drehrichtung die beiden Antriebswellen (3L, 3L*, 3L**, 3L', 3R, 3R*, 3R**, 3R') axial gegeneinander abstützen.
Kraftfahrzeug, das eine Antriebseinheit mit zwei Elektromotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 28 aufweist.