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Die
Erfindung betrifft ein nur elektrisch betriebenes Elektrofahrzeug
mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, die mindestens eine
dem Fahrzeugantrieb dienende elektrische Maschine und ein mit der
elektrischen Maschine zusammenwirkendes Getriebe aufweist.
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Stand der Technik
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Elektrofahrzeuge
sind prinzipiell bekannt. Nur elektrisch betriebene Elektrofahrzeuge
sind als Sonderfahrzeuge wie beispielsweise Gabelstapler oder auch
als Fortbewegungsmittel für Menschen, meist in Leichtbauweise
und mit geringem Aktionsradius, bekannt. Prinzipiell ist aufgrund
der Charakteristik des Elektroantriebs, insbesondere seines Momentverlaufs,
ein Wechselgetriebe bei rein elektrisch betriebenen Elektrofahrzeugen
nicht erforderlich. Aufgrund der Charakteristik von elektrischen
Antrieben wird typischerweise kein Anfahrelement benötigt,
insbesondere keine Kupplung, wie sie beispielsweise als Anfahr-
und Trennkupplung bei Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschine zum
Einsatz kommt. Getriebe werden aber beispielsweise als einstufige Getriebe
auch bei elektrischen Antrieben für Kraftfahrzeuge, insbesondere
auch für nur elektrisch betriebene Elektrofahrzeuge, verwendet,
um ein bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen elektrischem Antrieb
und Antriebsrädern zu ermöglichen. Solche Ausführungsformen
sind beispielsweise von den bereits erwähnten Gabelstaplern
bekannt. Aus der
DE 102
03 514 A1 ist ein gattungsfremdes Fahrzeug bekannt, das
zwar einen elektrischen Antrieb mit einer Elektromaschine aufweist,
aber auch und hauptsächlich über eine Brennkraftmaschine
betrieben wird. Zu einem solchem Betrieb ist ein Vorgelege-Wechselgetriebe
mit einer Last-Vorgelegewelle und einer Hilfs-Vorgelegewelle offenbart,
wobei eine Reibkupplung den Triebstrang zwischen elektrischer Maschine und
Abtriebsstrang öffnet. Die elektrische Maschine dient in
dieser offenbarten Ausführungsform der Einleitung eines
zusätzlichen Moments, insbesondere zur Anfahrunterstützung.
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Offenbarung der Erfindung
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Den
hohen Konstruktionsaufwand und die Erforderlichkeit einer Reibkupplung
vermeidet das vorgeschlagene, nur elektrisch betriebene Elektrofahrzeug
das eine elektrische Antriebseinrichtung aufweist, die mindestens
eine dem Fahrzeugantrieb dienende elektrische Maschine und ein mit
der elektrischen Maschine zusammenwirkendes Getriebe aufweist, wobei
vorgesehen ist, dass das Getriebe ein Wechselgetriebe ist, das eine
Vorgelegewelle aufweist, mit der die elektrische Maschine stets
direkt verbunden ist. Das Getriebe ist in der vorgeschlagenen Ausführungsform
als Wechselgetriebe ausgebildet, weist also mindestens zwei (schaltbare)
Gangstufen auf. Das Getriebe weist weiter eine Vorgelegewelle auf,
wobei die elektrische Maschine stets direkt mit der Vorgelegewelle
verbunden ist. Zwischen elektrischer Maschine und Vorgelegewelle
ist demzufolge kein Kupplungselement vorgesehen, insbesondere keine
Reibkupplung. Die Vorgelegewelle wird im Betrieb der elektrischen
Maschine stets gedreht.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf
der Vorgelegewelle Vorgelegezahnräder angeordnet sind,
die – in Abhängigkeit von einem gewählten
Gang des Getriebes – mit Abtriebszahnrädern einer
Abtriebswelle des Wechselgetriebes zusammenwirken können.
Der Vorgelegewelle und den dieser zugeordneten Vorgelegezahnrädern entsprechen
demzufolge die Abtriebswelle mit den den Vorgelegezahnrädern
jeweils korrespondierenden Abtriebszahnrädern, wobei das
Zusammenwirken von Vorgelegezahnrad und Abtriebszahnrad in Abhängigkeit
der gewählten Gangstufe (dem gewählten Gang) des
Getriebes erfolgt.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist das Elektrofahrzeug
eine Handschalteinrichtung und/oder einen maschinell wirkenden Aktor
zur Durchführung eines Gangwechsels des Wechselgetriebes
auf. Der Gangwechsel kann demzufolge durch die Handschalteinrichtung
durch einen Fahrer des Elektrofahrzeugs bewirkt werden, wobei die Handschalteinrichtung
entweder mechanisch direkt auf das Wechselgetriebe wirkt, oder aber über
den maschinell wirkenden Aktor, oder aber es findet eine (beispielsweise
automatisch erfolgende) Schaltung des Gangwechsels durch den maschinell
wirkenden Aktor, beispielsweise in Verbindung mit einer entsprechenden
Steuer- und/oder Regeleinrichtung, statt.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Vorgelegezahnräder unverschieblich auf der Vorgelegewelle
und dass die Abtriebszahnräder unverschieblich auf der
Abtriebswelle angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Vorgelegezahnräder und
die Abtriebszahnräder stets im Eingriff sind, demzufolge
stets kämmen. Die Zuordnung der Vorgelegezahnräder
zu den Abtriebszahnrädern in Axialerstreckung von Vorgelegewelle
und Abtriebswelle ist demzufolge im Betrieb des Getriebes unveränderlich.
Die kraftschlüssige Verbindung zur Momentübertragung
wird durch entsprechende Elemente vorgenommen oder gelöst.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die Vorgelegezahnräder verdrehbar
auf der Vorgelegewelle gelagert sind. Die Vorgelegezahnräder
lagern demzufolge in einer solchen Weise auf der Vorgelegewelle, dass
mangels kraftschlüssiger Verbindung eine Momentübertragung
von dem verdrehbaren Vorgelegezahnrad auf die Vorgelegewelle nicht
stattfindet, sofern das entsprechende Zahnradpaar nicht als Gangstufe
gewählt ist. Zur Herstellung einer kraftschlüssigen
Verbindung und zur Momentübertragung zwischen Vorgelegezahnrad
und der Vorgelegewelle wird das bereits vorstehend erwähnte
Element verwendet.
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In
einer weiteren Ausführungsform sind die Vorgelegezahnräder – in
Abhängigkeit des gewählten Ganges – mittels
mindestens einer Formschlussverbindung mit der Vorgelegewelle verbindbar.
Die Formschlussverbindung ist hierbei das Element, das die kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Vorgelegezahnrad und der Vorgelegewelle
zur Momentübertragung herstellt. Durch die Formschlussverbindung
wird eine sichere und wirksame Momentübertragung auch bei
hohen, zu übertragenden Momenten sichergestellt. Die Formschlussverbindung
wird nur aktiviert, wenn das entsprechende Vorgelegezahnrad mit
dem zugeordneten Abtriebszahnrad als Gangstufe wirksam sein soll.
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Bevorzugt
ist die Formschlussverbindung als Klauenschaltung ausgebildet. Die
Klauenschaltung, beispielsweise in einer von Klauenkupplungen bekannten
Ausführung, bietet aufgrund der als Klauen ausgebildeten
Mitnahme-/Drehmomentübertragungselemente eine sehr sichere,
wirksame und dabei gleichwohl kostengünstige Formschlussverbindung
aus. Auch die Übertragung sehr hoher Drehmomente, wie sie
bei Elektromotoren schon bei geringsten Drehzahlen zur Verfügung
stehen, sind hierbei möglich, so dass insbesondere ein
Anfahrbetrieb, bei dem das stehende Elektrofahrzeug in seiner gesamten
Masse beschleunigt werden muss und insofern ein hohes Drehmoment
erforderlich ist, ohne unerwünschte Beeinträchtigung
der Klauenschaltung/Formschlussverbindung erfolgen kann.
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In
einer Ausführungsform ist die Klauenschaltung mittels der
Handschalteinrichtung und/oder mittels des Aktors betätigbar.
Die Handschalteinrichtung und/oder der Aktor wirken demzufolge auf
die Klauenschaltung, nämlich dergestalt, dass mittels der
Klauenschaltung nach Betätigung die Formschlussverbindung
zwischen dem gewählten Vorgelegezahnrad drehfest mit der
Vorgelegewelle verbunden ist. Die Momentübertragung findet demzufolge
nach Betätigung der Klauenschaltung zwischen der von der
elektrischen Maschine angetriebenen Vorgelegewelle, dem mit dieser
nun kraftschlüssig verbundenen Vorgelegezahnrad und dem mit
diesem Vorgelegezahnrad ständig im Eingriff stehenden Abtriebszahnrad über
die Abtriebswelle statt. Wird das mindestens eine andere Vorgelegezahnrad (nämlich
als mindestens eine andere Gangstufe) gewählt, ist die
Formschlussverbindung dieses ersten Vorgelegezahnrades, nämlich
die Klauenschaltung, geöffnet, wohingegen die Klauenschaltung
des mindestens einen anderen Vorgelegezahnrades im Eingriff steht,
so dass dieses mit dem ihm zugeordneten Abtriebszahnrad die Momentübertragung
bewirkt.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist die Klauenschaltung
mindestens ein Klauenelement auf, das axial verschieblich und drehfest
auf der Vorgelegewelle lagert und – in Abhängigkeit
des gewählten Ganges – mit den Vorgelegezahnrädern
zugeordneten Klauen zusammenwirkt. Die Klauenschaltung ist demzufolge
so ausgebildet, dass mindestens ein Klauenelement drehfest auf der
Vorgelegewelle lagert. Dieses Klauenelement ist axial verschieblich, nämlich
so, dass es mit Klauen, die den Vorgelegezahnrädern zugeordnet
sind, zusammenwirken kann. Bei Auswahl eines bestimmten Ganges des
Wechselgetriebes wird das Klauenelement so auf der Vorgelegewelle
verschoben, dass es mit den Klauen des dieser Gangstufe zugeordneten
Vorgelegezahnrades zusammenwirkt, nicht aber mit den Klauen des
mindestens einen anderen Vorgelegezahnrades. Bei Auswahl eines anderen
Ganges wird das soeben erwähnte Zusammenwirken aufgehoben,
das Klauenelement axial hin zu dem mindestens einen anderen Vorgelegezahnrad
verschoben, bis die diesem zugeordneten Klauen in Eingriff mit dem
Klauenelement kommen und eine Momentübertragung mit diesem Vorgelegezahnrad
stattfindet.
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Weiter
wird ein Verfahren zum Betreiben eines nur elektrisch betriebenen
Elektrofahrzeugs vorgeschlagen, insbesondere nach einer oder mehrerer der
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei das Elektrofahrzeug
eine elektrische Antriebseinrichtung aufweist, die mindestens eine
dem Fahrzeugantrieb dienende elektrische Maschine und ein mit der
elektrischen Maschine zusammenwirkendes Getriebe aufweist. Dabei
ist vorgesehen, dass als Getriebe ein Wechselgetriebe verwendet
wird, das eine Vorgelegewelle aufweist, die stets direkt von der elektrischen
Maschine angetrieben wird.
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Vor
Schließen der Formschlussverbindung, insbesondere bei Ausbildung
als Klauenschaltung mit Klauen und Klauenelement, wird über
die elektrische Maschine die Drehzahl der Vorgelegewelle und damit
des Klauenelements in einer solchen Weisen angepasst, dass die Klauen
ohne unerwünschte Friktionen ineinander greifen können.
Danach wird die gewünschte Drehzahl eingestellt und die
Momentbeaufschlagung vorgenommen.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, ohne aber hierauf beschränkt
zu sein.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung
mit Wechselgetriebe;
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2 einen
Drehzahlverlauf vor, während und nach dem Schaltvorgang
und
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3 einen
Momentenverlauf vor, während und nach dem Schaltvorgang.
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1 zeigt
eine elektrische Antriebseinrichtung 1 für ein
lediglich schematisch dargestelltes Elektrofahrzeug 2.
Die elektrische Antriebseinrichtung 1 weist eine elektrische
Maschine 3, nämlich einen Elektromotor 4 auf,
der dem elektrischen Antrieb des Elektrofahrzeugs 2 dient
und hierzu mit einem Getriebe 5 über dessen Vorgelegewelle 6 drehfest
direkt verbunden ist. Das Getriebe 5 ist als Wechselgetriebe 7 ausgebildet,
so dass verschiedene Gangstufen zum Antrieb des Elektrofahrzeugs 2 mit
entsprechender Untersetzung/Übersetzung auf einem Abtriebsstrang 8 und
den diesem nachgeordneten Triebstrang 9 gewählt
werden können. Das Getriebe 5 weist hierzu auf
der Vorgelegewelle 6 zwei Vorgelegezahnräder 10 auf,
nämlich ein erstes Vorgelegezahnrad 10.1 und ein
zweites Vorgelegezahnrad 10.2. Die Vorgelegezahnräder 10 sind
verdrehbar, aber nicht axial verschieblich auf der Vorgelegewelle 6 gelagert.
Jedes der Vorgelegezahnräder 10 korrespondiert
mit einem Abtriebszahnrad 11, wobei die Vorgelegezahnräder 10 mit
den Abtriebszahnrädern 11 stets im Eingriff stehen.
Es kämmt demzufolge das erste Vorgelegezahnrad 10.1 mit
einem ersten Abtriebszahnrad 11.1 und das zweite Vorgelegezahnrad 10.2 mit
dem zweiten Abtriebszahnrad 11.2. Die Abtriebszahnräder
sind hierbei drehfest auf einer dem Abtriebsstrang 8 zugehörigen
Abtriebswelle 12 angeordnet. Die Abtriebswelle 12 ist
hierbei mit dem restlichen Triebstrang 9 fest verbunden.
Den Vorgelegezahnrädern 10 zugeordnet ist eine
Klauenschaltung 13, die axial verschieblich und drehfest
auf der Vorgelegewelle 6 lagert. Die Klauenschaltung 13 kann über
eine (hier nicht dargestellte) Handschalteinrichtung von einem Fahrer
des Elektrofahrzeugs 2 oder aber von einem maschinell wirkenden
Aktor 14 betätigt werden. Die Klauenschaltung 13 weist
hierbei Klauenelemente 15 auf, die mit den Vorgelegezahnrädern 10 zugeordneten
Klauen 16 zur jeweiligen Herstellung einer Formschlussverbindung 17 in Wechselwirkung
treten können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind zwei Gänge 18 wählbar, nämlich
ein erster Gang 18.1 und ein zweiter Gang 18.2,
wobei der erste Gang 18.1 durch die Kombination des ersten
Vorgelegezahnrades 10.1 mit dem ersten Abtriebszahnrad 11.1 und
der zweite Gang 18.2 durch ein Zusammenwirken des zweiten
Vorgelegezahnrades 10.2 mit dem zweiten Abtriebszahnrad 11.2 verwirklicht
wird. Die Nummerierung als erster Gang 18.1 beziehungsweise
zweiter Gang 18.2 dient hierbei lediglich der Differenzierung,
ohne durch die Nummerierung als erster oder zweiter Gang 18.1, 18.2 eine
Aussage über Untersetzungs- oder Drehzahlverhältnisse
zu treffen. Zur Auswahl eines Ganges 18 wird das axial
verschiebliche Klauenelement 15 in Richtung auf das dem
jeweiligen Gang 18 zugeordnete Vorgelegezahnrad 10 hin
bewegt, bis sich die Klauenelemente 15 formschlüssig
mit den Klauen 16 des jeweils gewählten Vorgelegezahnrades 10 verbinden.
Eine Momentübertragung von der Vorgelegewelle 6 auf
das jeweilige Vorgelegezahnrad 10 findet nur dann statt,
wenn das Klauenelement 15 der Klauenschaltung 13 das,
wie vorstehend beschrieben, auf der Vorgelegewelle 6 frei
drehbar gelagerte Vorgelegezahnrad 10 durch die Formschlussverbindung 17 kraftschlüssig
mit der Vorgelegewelle 6 verbindet. Die Klauenschaltung 13 ist
im vorliegenden Ausführungsbeispiel so ausgelegt, dass
entweder der erste Gang 18.1 oder aber der zweite Gang 18.2 mit
nur einem einzigen Klauenelement 15 wählbar ist; das
Klauenelement 15 rückt demzufolge entweder in Klauen 16 des
ersten Vorgelegezahnrades 10.1 oder, unter Freigabe der
Klauen des ersten Vorgelegezahnrades 10.1, in Klauen 16 des
zweiten Vorgelegezahnrades 10.2 ein, wobei das jeweils
in dieser Art drehfest mit der Vorgelegewelle 6 über
die Klauenschaltung 13 verbundene Vorgelegezahnrad 10 der Momentübertragung
dient. Über die elektrische Maschine 3 wird während
der Axialverschiebung des Klauenelements 15 ein Drehzahlangleich
vorgenommen, so dass das Klauenelement 15 in die Klauen 16 des
jeweils gewählten Vorgelegezahnrades 10 eingreifen
kann, ohne dass es zu unerwünschten Friktionen zwischen
Klauenelement 15 und Klauen 16 aufgrund von Drehzahlverschiedenheit
kommt.
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2 erläutert
in einem Diagramm 19 den Schaltvorgang 20 in Darstellung
der Drehzahl n über der Zeit t, untergliedert in Phasen 21,
wohingegen 3 in einem Diagramm 19 den
Schaltvorgang 20 in einer Darstellung des Moments M über
der Zeit t für dieselben Phasen 21 des Schaltvorgangs 20 erläutert.
Zu einem Zeitpunkt t1 wird, wie aus 3 ersichtlich
ist, die in 1 dargestellte elektrische Antriebseinrichtung 1 momentfrei
gemacht, das Moment M sinkt demzufolge auf Null, wohingegen die Drehzahl
n, wie aus 2 ersichtlich, im Wesentlichen
noch unverändert ist. Das abgegebene Moment M des Elektromotors
beziehungsweise das übertragene Moment M des jeweiligen
Zahnradpaares wird hierzu auf Null geregelt. Zwischen dem Zeitpunkt
t1 und einem nachfolgenden Zeitpunkt t2 wird vom Aktor 14, wie in 1 dargestellt,
der aktuell gewählte Gang 18 herausgenommen, also
die Formschlussverbindung 17 zwischen der Vorgelegewelle 6 und dem
jeweils zugeordneten Vorgelegezahnrad 10 gelöst.
Die Vorgelegewelle 6 mit dem drehfest verbundenen Klauenelement 15 wird,
wie aus 2 ersichtlich ist, zwischen
dem Zeitpunkt t2 und einem nachfolgenden
Zeitpunkt t3 auf die durch den anderen Gang 18 vorgegebene,
neue Drehzahl n geregelt, also über die elektrische Maschine 3 aktiv
synchronisiert; diese Drehzahl n wird beibehalten beziehungsweise
zur Positionierung der Klauen 16 in formentsprechender Gegenüberlage
des Klauenelements 15 eine minimale Drehzahldifferenz realisiert,
abhängig von der Ausführung der Klauen 16 und
den Positionierungsmöglichkeiten des Klauenelements 15 der
Klauenschaltung 13. Zum Zeitpunkt t3 wird
die Formschlussverbindung 17 mit dem Vorgelegezahnrad 10 des
zu wählenden Ganges 18 hergestellt, demzufolge
der gewählte Gang 18 eingelegt. Die Drehzahl n
wird hierbei beibehalten, wie aus 2 ersichtlich,
es findet bis zur vollständigen Herstellung der Formschlussverbindung 17 eine
geringe Momentbeaufschlagung statt. Mit Herstellung der vollständigen, formschlüssigen
Formschlussverbindung 17 des Klauenelements 15 in
den Klauen 16 des Vorgelegezahnrades 10 des gewählten
Ganges 18 findet zum Zeitpunkt t4 die
Beaufschlagung der elektrischen Antriebseinrichtung 1 (des
Triebstranges) mit dem zum Fahrbetrieb geforderten Moment statt.
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Durch
die aktive Synchronisierung der Vorgelegewelle 6 und dem
mit dieser drehfest verbundenen, axial verschieblichen Klauenelement 15 zur
Realisierung der Klauenschaltung 13 kann die aus dem Stand
der Technik bekannte, übliche Synchronvorrichtung, wie
sie ansonsten für die Klauenschaltung 13 erforderlich
wäre, vollständig entfallen. Auf diese Weise ist
es möglich, in kostengünstiger Art und Weise mehrstufige
Getriebe 5 (Wechselgetriebe 7) für Elektrofahrzeuge 2 auszubilden,
wodurch den elektrischen Maschinen 3 ein weiterer, breitbandiger
Drehzahl- und Momentenbereich zur Verfügung gestellt wird,
so dass solcher Art ausgestattete Elektrofahrzeuge 2 universeller
und in einem wesentlich weiteren Einsatzbereich und Einsatzradius
bewegt werden können, da Drehzahl n und Moment M den jeweils tatsächlich
erforderlichen Bedürfnissen besser angepasst werden und
insbesondere die elektrische Maschine 3 in geeigneten Fällen
auch mit geringerer Leistung ausgeführt werden kann, ohne
dass Einbußen im Fahrbetrieb zu erwarten sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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