DE102009054743A1

DE102009054743A1 - Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs

Info

Publication number: DE102009054743A1
Application number: DE200910054743
Authority: DE
Inventors: Guenther 83607 Vogt; Christian 83607 Boie; Gunter 81735 Freitag; Berthold 71732 Steinmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-06-22
Also published as: WO2011072947A1

Abstract

Elektromotoren liefern im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren schon das volle Drehmoment bei geringen Drehzahlen. Konstante Leistung liefern sie über einen wesentlich breiteren Drehzahlbereich als Verbrennungsmotoren. Es sind mit Elektromotoren angetriebene Fahrzeuge bekannt, bei denen mit einer Getriebeübersetzung der gesamte Geschwindigkeitsbereich abgedeckt wird. Weil die benötigte Antriebleistung mit Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit steigt, ist die Getriebeübersetzung so ausgelegt, dass der Elektromotor bei Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs gerade noch die dafür benötigte Leistung erbringt. Tendenziell ist dafür eine kleine Getriebeübersetzung erforderlich. Weil aber beim Getriebe das Verhältnis der Drehzahlen umgekehrt proportional zum Verhältnis der Momente von An- und Abtrieb ist, und für eine starke Beschleunigung eines Fahrzeugs aus dem Stand heraus ein großes Drehmoment am Abtrieb notwendig ist, wird dafür eher eine große Getriebeübersetzung benötigt. Dieser Widerspruch wird technisch gelöst, indem mit dem Getriebe die Drehzahl an den Geschwindigkeitsbereich angepasst wird und Elektromotoren mit ausreichend hohem Drehmoment eingesetzt werden. Je größer das Drehmoment eines Elektromotors ist, desto größer ist deren Durchmesser. Dadurch ist ein großer Bauraum für den Elektromotor erforderlich. Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang wird über eine zweistufige Getriebeeinrichtung der gesamte Geschwindigkeitsbereich des Eelektrofahrzeugs abgedeckt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Eingangswelle (5) zwei Antriebsräder (9, 10) zugeordnet und an der Getriebewelle (6) zwei mit den Antriebsrädern (9, 10) kämmende Abtriebsräder (11, 12) vorgesehen sind und eine Reibkupplung (13) die Eingangswelle (5) jeweils mit einem der Antriebsräder (9, 10) verbindet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Elektromotoren liefern im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren schon das volle Drehmoment bei geringen Drehzahlen. Konstante Leistung liefern sie über einen wesentlich breiteren Drehzahlbereich als Verbrennungsmotoren. Es sind mit Elektromotoren angetriebene Fahrzeuge bekannt, bei denen mit einer Getriebeübersetzung der gesamte Geschwindigkeitsbereich abgedeckt wird. Weil die benötigte Antriebleistung mit Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit steigt, ist die Getriebeübersetzung so ausgelegt, dass der Elektromotor bei Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs gerade noch die dafür benötigte Leistung erbringt. Tendenziell ist dafür eine kleine Getriebeübersetzung erforderlich. Weil aber beim Getriebe das Verhältnis der Drehzahlen umgekehrt proportional zum Verhältnis der Momente von An- und Abtrieb ist, und für eine starke Beschleunigung eines Fahrzeugs aus dem Stand heraus ein großes Drehmoment am Abtrieb notwendig ist, wird dafür eher eine große Getriebeübersetzung benötigt. Dieser Widerspruch wird technisch gelöst, indem mit dem Getriebe die Drehzahl an den Geschwindigkeitsbereich angepasst wird und Elektromotoren mit ausreichend hohem Drehmoment eingesetzt werden. Je größer das Drehmoment eines Elektromotors ist, desto größer ist deren Durchmesser. Dadurch ist ein großer Bauraum für den Elektromotor erforderlich.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang hat demgegenüber den Vorteil, dass eine zweistufige Getriebeeinrichtung vorgesehen ist, über die die elektrische Maschine den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs abdecken kann. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem an der Getriebeeinrichtung zwei Antriebsräder und an der Getriebewelle zwei mit den Antriebsrädern kämmende Abtriebsräder vorgesehen sind und eine Reibkupplung die Eingangswelle jeweils mit einem der Antriebsräder verbindet.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung steht auch schon bei niedrigen Drehzahlen ein größtmögliches Drehmoment zur Verfügung. Es lassen sich hohe Drehzahlen an der Eingangswelle der Getriebeeinrichtung und gleichzeitig große Drehmomente an der Getriebewelle der Getriebeeinrichtung erreichen. Durch die Zweistufigkeit lässt sich die elektrische Maschine in einem kleinen Drehzahlbereich und dadurch effizienter nahe am größten Wirkungsgrad betreiben. Dabei wird der Betriebspunkt der elektrischen Maschine mit Hilfe einer der beiden Übersetzungen bei konstanter Leistung zu einem besseren Betriebspunkt im Wirkungsgradkennfeld verschoben. Alternativ kann die elektrische Maschine mit einem kleineren Drehmoment und damit geringerem Außendurchmesser eingesetzt werden. Dadurch reduzieren sich der benötigte Bauraum und das Eigengewicht des Antriebs. Mithilfe der zweiten Übersetzungsstufe wird bei Bedarf an der Getriebewelle der Getriebeeinrichtung ein größeres Drehmoment eingestellt. Aufgrund der Reibkupplung kann auf eine Synchronisation der elektrischen Maschine mit der Getriebeeinrichtung beim Schalten verzichtet werden. Gerade bei Doppel- oder Mehrmotorkonzepten ist eine Synchronisation, z. B. in Kurvenfahrten, aufwendig. Aufgrund der Reibkupplung in Verbindung mit einer Momentenregelung stellt sich die benötigte Drehzahl unabhängig von der Fahrsituation ein.
Ein Vorteil der Reibkupplung ist, dass einerseits sehr schnell – auch unter Last – ohne Reduzierung des Antriebmoments der elektrischen Maschine geschalten werden kann und somit nur eine minimale Zugkraftunterbrechung entsteht. Alternativ kann durch langsames Bewegen der Schiebehülse der Momentensprung gemindert und ein sanfter Übergang zwischen den zwei Momenten erreicht werden. Der Übergang kann durch die Geschwindigkeit und Anpresskraft der Stellers moduliert werden.
Wird die Reibkupplung in eine Leerlaufposition geschaltet, wird der Kraftfluss von der elektrischen Maschine zum Rad unterbrochen. Damit können bei einem Fahrzeug, das vier als Radnabenmotor ausgeführte elektrische Maschinen an den Rädern aufweist, bei niedriger Momentenanforderung einzelne elektrische Maschinen ausgekoppelt werden, so dass sich das aufzubringende Moment der restlichen elektrischen Maschinen entsprechend erhöht. Dadurch lassen sich Betriebspunkte mit besserem Wirkungsgrad einstellen. Zudem erhöht diese Auskopplung der elektrischen Maschinen die Verfügbarkeit und Sicherheit des Gesamtsystems. Fällt bei einem Mehrmotorkonzept ein Antrieb aus, kann dieser Kraftfluss einzeln unterbrochen werden. Im Fehlerfall, beispielsweise einem Blockieren eines Rades oder einer Achse, kann daher immer ein Freilauf eingestellt werden. Die Reibkupplung ist so ausgeführt, dass nur eines der Antriebsräder der Getriebeeinrichtung in Kopplung mit der Eingangswelle stehen kann. Damit ist baulich sichergestellt, dass jeweils nur ein einzelner Gang eingelegt ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Getriebeeinrichtung möglich.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Reibkupplung eine Schiebehülse ist, die auf der Eingangswelle axial verschiebbar angeordnet ist und zwei mit den Antriebsrädern wirkverbindbare Konusabschnitte aufweist, da auf diese Weise eine sehr kompakte und bauraumsparende Anordnung erzielt wird.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Konusabschnitte der Schiebehülse nutenförmige, in axialer Richtung verlaufende Vertiefungen aufweisen, da das Schmiermittel der Getriebeeinrichtung auf diese Weise schnell verdrängt und schnell eine flächige Anpresskraft zwischen Antriebsrad und Schiebehülse erreicht wird.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn sich die Konusabschnitte der Schiebehülse zu den einander abgewandten Enden hin verjüngen, da auf diese Weise eine große Flächenpressung mit einem kurzen Stellhub erzielt wird.
Vorteilhaft ist, wenn die Antriebsräder auf der Schiebehülse freilaufend gelagert sind, da auf diese Weise eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Achse und Antriebsrad erst beim Anpressen des jeweiligen Konusabschnitts entsteht und die Anpresskraft der Schiebehülse seitlich aufgenommen werden kann.
Auch vorteilhaft ist, wenn ein hydraulischer oder elektrischer Steller zur Verstellung der Reibkupplung vorgesehen ist, da die Getriebeeinrichtung auf diese Weise besonders einfach und schnell verstellbar ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, die Antriebs- und Abtriebsräder der Getriebeeinrichtung jeweils als Stirnzahnräder auszubilden.
Desweiteren vorteilhaft ist, wenn die Reibkupplung, die Antriebs- und Abtriebsräder ein Wechselgetriebe bilden, das zwei Getriebeübersetzungen aufweist, zwischen denen durch Verstellung gewechselt werden kann.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn die Getriebeeinrichtung ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad umfasst, wobei das Sonnenrad mit der Getriebewelle gekoppelt ist, da auf diese Weise die hohe Drehzahl der elektrischen Maschine in eine niedrige Drehzahl am Abtrieb untersetzt wird. Ein Planetengetriebe ermöglicht große Übersetzungen für Drehzahl und Moment bei sehr kompakter Baugröße.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Zeichnung zeigt im Schnitt einen Antriebsstrang mit einer erfindungsgemäßen Getriebeeinrichtung.
Der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs weist eine elektrische Maschine 1, eine Getriebeeinrichtung 2 und eine zumindest ein Rad 3 des Elektrofahrzeugs antreibende Antriebswelle 4 auf. Die Getriebeeinrichtung 2 hat eine mit der elektrischen Maschine 1 gekoppelte Eingangswelle 5 und eine Getriebewelle 6.
Erfindungsgemäß sind der Eingangswelle 5 zwei Antriebsräder 9, 10 zugeordnet und an der Getriebewelle 6 sind zwei mit den Antriebsrädern 9, 10 kämmende Abtriebsräder 11, 12 vorgesehen. Das Abtriebsrad 11 ist beispielsweise stirnseitig am Abtriebsrad 12 befestigt. Das Abtriebsrad 12 ist beispielsweise einstückig an der Getriebewelle 6 ausgeführt. Die Antriebs- und Abtriebsräder 9, 10, 11, 12 der Getriebeeinrichtung 2 sind beispielsweise als Stirnzahnräder ausgeführt, um eine kompakte Bauweise zu erreichen. Selbstverständlich können auch andere Zahnräder verwendet werden.
Desweiteren ist erfindungsgemäß eine Reibkupplung 13 vorgesehen, die die Eingangswelle 5 jeweils mit einem der Antriebsräder 9, 10 verbindet. Die Reibkupplung 13 ist als eine Schiebehülse 16 ausgeführt, die auf der Eingangswelle 5 axial verschiebbar angeordnet ist und zwei mit den Antriebsrädern 5, 6 wirkverbindbare Konusabschnitte 17, 18 aufweist. Die Konusabschnitte 17, 18 grenzen aneinander an und haben in axialer Richtung verlaufende nutenförmige oder rillenförmige Vertiefungen 19. Diese dienen dazu, das Getriebeöl der Getriebeeinrichtung abzuführen. Die Konusabschnitte 17, 18 der Schiebehülse 16 verjüngen sich zu den einander abgewandten Enden hin.
Die Antriebsräder 9, 10 der Getriebeeinrichtung 2 sind auf der Schiebehülse 16 gelagert.
Für eine Änderung der Getriebeübersetzung wird die Schiebehülse 16 der Reibkupplung 13 von der einen axialen Endlage in die andere axiale Endlage verstellt, beispielsweise mittels eines hydraulisch betätigten Stellers 20. Dazu ist eine Druckkammer 23 ausgebildet, in der ein Kolben 24 angeordnet ist, der die Schiebehülse 16 axial verschiebt. Die Druckkammer 23 wird über einen Druckanschluss 25 mit Hydrauliköl beaufschlagt. Alternativ kann der Steller 20 selbstverständlich auch elektrisch oder mechanisch betrieben sein.
Die Reibkupplung 13, die Antriebs- und Abtriebsräder 9, 10, 11, 12 bilden ein sogenanntes Wechselgetriebe, das zwei Getriebeübersetzungen aufweist, zwischen denen gewechselt werden kann. Die Getriebeeinrichtung 2 kann auch ein Planetengetriebe 26 mit einem Sonnenrad 27, mehreren Planetenräder 28 und einem Hohlrad 29 umfassen, wobei das Sonnenrad 27 mit der Getriebewelle 6 gekoppelt ist. Das Sonnenrad 27 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel einstückig an der Getriebewelle 6 ausgebildet. Beide Abtriebsräder 11, 12 sind kraftschlüssig auf der Achse 6 des Sonnenrads 27 angeordnet. Das Hohlrad 29 ist über die Antriebswelle 4 mit dem Rad 3 verbunden.
Das Wechselgetriebe und das Planetengetriebe 26 sind beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse 30 angeordnet, so dass eine kompakte und bauraumsparende Anordnung erreicht wird.
Bei einem Fahrzeug, das vier als Radnabenmotor ausgeführte elektrische Maschinen an den Rädern aufweist, kann die erfindungsgemäße Getriebeeinrichtung jeweils zwischen der elektrischen Maschine und dem Rad Verwendung finden. Selbstverständlich sind auch andere Anwendungen möglich.

Claims

Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit einer Getriebeeinrichtung (2), die eine Eingangswelle (5) und eine Getriebewelle (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangswelle (5) zwei Antriebsräder (9, 10) zugeordnet und an der Getriebewelle (6) zwei mit den Antriebsrädern (9, 10) kämmende Abtriebsräder (11, 12) vorgesehen sind und eine Reibkupplung (13) die Eingangswelle (5) jeweils mit einem der Antriebsräder (9, 10) verbindet.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkupplung (13) eine Schiebehülse (16) ist, die auf der Eingangswelle (5) axial verschiebbar angeordnet ist und zwei mit den Antriebsrädern (9, 10) wirkverbindbare Konusabschnitte (17, 18) aufweist.
Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konusabschnitte (17, 18) der Schiebehülse (16) nutenförmige, in axialer Richtung verlaufende Vertiefungen aufweisen.
Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Konusabschnitte (17, 18) der Schiebehülse (16) zu den einander abgewandten Enden hin verjüngen.
Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsräder (9, 10) der Getriebeeinrichtung (2) auf der Schiebehülse (16) gelagert sind.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulischer oder elektrischer Steller (20) zur Verstellung der Reibkupplung (13) vorgesehen ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs- und Abtriebsräder (9, 10, 11, 12) der Getriebeeinrichtung (2) als Stirnzahnräder ausgebildet sind.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkupplung (13), die Antriebs- und Abtriebsräder (9, 10, 11, 12) ein zwei Getriebeübersetzungen aufweisendes Wechselgetriebe bilden.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (2) ein Planetengetriebe (26) mit einem Sonnenrad (27) umfasst, wobei das Sonnenrad (27) mit der Getriebewelle (6) gekoppelt ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (5) der Getriebeeinrichtung (2) mit einer elektrischen Maschine (1) verbunden ist.