DE102011005617A1

DE102011005617A1 - Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Rades für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011005617A1
Application number: DE102011005617A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Mair; Martin Münster
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Es wird eine Antriebsvorrichtung (11) zum Antreiben eines Rades (7) einer Achse für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug vorgeschlagen, umfassend eine elektrische Maschine (12) und ein in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb betrachtet abtriebsseitig der elektrischen Maschine (12) geschaltetes Planetengetriebe (13), dessen Sonnenrad (16) den Antrieb und dessen Steg (18) den Abtrieb des Planetengetriebes (13) bilden, wobei das Hohlrad (17) des Planetengetriebes (13) an ein Lagerschild (19) der elektrischen Maschine (12) gekoppelt ist, bei der die elektrische Maschine (12) als Innenläufer ausgeführt ist, wobei der Rotor (14) der elektrischen Maschine (12) mit dem Sonnenrad (16) des Planetengetriebes (13) drehfest verbunden ist, wobei der Steg (18) des Planetengetriebes (13) über eine Welle (20) mit der Radnabe (21) verbunden ist und wobei das Hohlrad (17) des Planetengetriebes (13) in das Lagerschild (19) der elektrischen Maschine (12) integriert, eingearbeitet oder eingepresst ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Rades für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der Regel entspricht die Anordnung des Antriebsstrangs bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen der Anordnung des Antriebsstrangs bei Fahrzeugen, welche einen Zentralantrieb, umfassend einen Verbrennungsmotor, aufweisen. Hierbei wird eine Antriebsvorrichtung, umfassend eine elektrische Maschine, ein Getriebe und ein Differenzial karosseriefest in der Fahrzeugmitte zwischen den Vorder- oder Hinterrädern angeordnet; das Abtriebsmoment wird wie bei konventionellen Zentralantrieben über Seitenwellen auf die angetriebenen Räder übertragen. Bei einer derartigen Anordnung des Antriebsstrangs bleibt das Fahrwerkkonzept weitestgehend erhalten, wobei lediglich Modifikationen der Aggregatelagerung und des Hilfsrahmens erforderlich sind.
Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, umfassend einen Zentralantrieb stellt die Batterieunterbringung einen erheblichen Eingriff in die Fahrzeugstruktur dar. Hierbei ist bekannt, die Batterie in den Unterboden, beispielsweise unter der Rücksitzbank oder im Bereich, der bei Zentralantrieben mit einem Verbrennungsmotor vom Getriebetunnel eingenommen wurde, zu integrieren.
Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik radnahe elektrische Antriebe zum Antreiben eines Rades einer Achse für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug bekannt, wobei in Anhängigkeit von der Anzahl der angetriebenen Fahrzeugachsen beispielsweise zwei oder vier elektrische Antriebe vorgesehen sind.
Unter einem radnahen elektrischen Antrieb kann hier ein Antrieb verstanden werden, bei dem eine oder mehrere elektrische Maschinen jeweils genau auf ein Rad wirken. So sind auch radnahe elektrische Antriebe möglich, welche zwei elektrische Antriebe oder vier elektrische Antriebe umfassen, um mit je einem elektrischen Antrieb ein Rad anzutreiben, und so einen elektrischen Vorderradantrieb, einen elektrischen Hinterradantrieb oder einen elektrischen Allradantrieb zu erhalten. Auch ist es möglich radnahe elektrische Antriebe mit anderen Antrieben, wie einem Verbrennungsmotor zu kombinieren.
Hierbei können die elektrischen Antriebe radträgerfest angeordnet sein; in diesem Fall federt der elektrische Antrieb unmittelbar mit dem jeweiligen Rad mit und die ungefederte Masse wird durch den Antrieb direkt beeinflusst.
Eine weitere Möglichkeit der Anordnung der radnahen elektrischen Antriebe besteht darin, diese aufbaufest anzuordnen. Hierbei sind die Antriebe fest bezüglich des Aufbaus angeordnet und beeinflussen daher die ungefederte Masse nicht.
Ferner können die elektrischen Antriebe lenkerfest angeordnet sein, wobei sie in diesem Fall an den Fahrwerkslenkern, beispielsweise am Verbundlenker befestigt sind. Durch diese Konzeption wird die ungefederte Masse reduziert, indem die elektrischen Antriebe nahe am aufbaufesten Lenkeranbindungspunkt angeordnet werden.
Aus der DE 10 2007 039 059 A1 der Anmelderin ist eine als Verbundlenkerachse ausgeführte angetriebene Fahrzeugachse bekannt, bei der für jedes Rad der Achse ein Elektromotor vorgesehen ist, welcher mit der Drehachse in Fahrzeuglängsrichtung angeordnet ist, wobei dessen Gehäuse einen Teil der Längsschwinge der Verbundlenkerachse darstellt.
Radnahe Antriebe können bei Fahrzeugen mit Allrad-, Front-, oder Heckantrieb vorgesehen sein, wobei die Achstypen der angetriebenen Fahrzeugachsen konventionelle Achstypen, wie z. B. Federbein- oder Doppelquerlenkerachstypen sein können. Ferner können radnahe Antriebe in Fahrwerke integriert sein, was z. B. bei Radnabenantrieben der Fall ist.
Des Weiteren können die Antriebsvorrichtungen zum Antreiben eines Rades für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug ein Getriebe aufweisen.
Aus der EP 1 979 186 B1 ist eine Raddrehvorrichtung für ein Radnabenmotorfahrzeug bekannt, umfassend einen Motor mit einem Stator und einem Rotor, einen Drehzahluntersetzer, der mit einem Ausgangsteil des Motors gekoppelt ist, eine Nabe, die mit einem Ausgangsteil des Drehzahluntersetzers gekoppelt ist und eine Achse, die relativ zu einem Fahrzeugaufbau fixierbar ist und die Nabe in einer Weise trägt, die eine Drehung der Nabe gestattet. Hierbei ist der Stator des Motors einwärts in radialen Richtungen des Rades entlang einer Innenumfangsfläche des Rads angeordnet, wobei der Rotor des Motors einwärts in radialen Richtungen des Stators angeordnet ist.
Bei der bekannten Raddrehvorrichtung ist vorgesehen, dass der Drehzahluntersetzer zwischen dem Rotor und der Nabe mit zwischen dem Drehzahluntersetzer und der Nabe vorgesehenen Lagern angeordnet ist. Der Drehuntersetzer kann als Planetengetriebe ausgeführt sein, wobei das Hohlrad mittels eines separaten Bauteils an ein Gehäuse gekoppelt ist.
In vorteilhafter Weise resultiert die Verwendung von Antriebsvorrichtungen zum Antreiben eines Rades für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug beim Fahrzeugaufbau in einer hohen Flexibilität, da sich durch den Entfall des zentralen Antriebs in der Fahrzeugmitte neue Freiheitsgrade bei der Fahrzeuggestaltung, insbesondere bei der Gestaltung des Fahrzeuginnenraums, der Batterieunterbringung und der Crash-Sicherheit ergeben.
Zudem können durch radnahe elektrische Antriebe radindividuelle Antriebsmomente erzeugt werden, wodurch Funktionen wie Torque-Vectoring, ESP, ABS, ASR etc. auf einfache Weise realisiert werden können. Durch die schnelle und genauere Regelbarkeit von elektrischen Antrieben können diese Funktionen im Vergleich zu herkömmlichen bremsenbasierten Regelsystemen optimiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Rades für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird eine radnahe Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Rades für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug vorgeschlagen, umfassend eine elektrische Maschine und ein in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb betrachtet abtriebsseitig der elektrischen Maschine geschaltetes Planetengetriebe, welches in die elektrische Maschine integriert ist. Axial betrachtet ist das Planetengetriebe zwischen der Radnabe und dem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet.
Die elektrische Maschine kann als Innenläufer mit einem bevorzugt als Hohlwelle ausgeführten Rotor ausgeführt sein, wobei die Antriebswelle des Planetengetriebes im Hohlraum des Rotors innerhalb der elektrischen Maschine angeordnet und mit dem Rotor drehfest verbunden ist.
Hierbei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Rotor der elektrischen Maschine funktional mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes drehfest verbunden ist, wobei der Abtrieb über den Steg des Planetengetriebes erfolgt, welcher über eine Welle mit der Radnabe verbunden ist und wobei das Hohlrad des Planetengetriebes gehäusefest angeordnet ist. Alternativ kann der Abtrieb über das Hohlrad des Planetengetriebe erfolgen, wobei in diesem Fall der Steg des Planetengetriebes gehäusefest angeordnet ist.
Das Hohlrad des Planetengetriebes kann in das dem Planetengetriebe zugewandte Lagerschild der elektrischen Maschine integriert sein, in das dem Planetengetriebe zugewandte Lagerschild unmittelbar eingearbeitet oder in dieses eingepresst sein, wodurch die Notwendigkeit eines separaten Bauteils zur gehäusefesten Anordnung des Hohlrades entfällt.
Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung kann die Antriebsvorrichtung in das Rad bzw. in die Radfelge integriert sein. Ferner können der Antrieb und/oder der Abtrieb des Planetengetriebes über ein weiteres Element des Planetengetriebes erfolgen.
Vorzugsweise ist das Planetengetriebe hoch übersetzend ausgeführt, so dass die Kombination eines niedrigen Antriebsmomentes (und somit einer klein dimensionierten elektrischen Maschine) mit einer hohen Drehzahlausnutzung in Summe in Verbindung mit dem hoch übersetzenden Planetengetriebe der Antriebsvorrichtung ein hohes Leistungs-/Gewichtsverhältnis (kW/kg) ergibt.
Unter einer Übersetzung wird hier auch eine Untersetzung verstanden, wobei unter einer hohen Übersetzung ein Verhältnis der Drehzahl der Getriebeeingangswelle zur Getriebeausgangswelle von größer als 2:1 bevorzugt zwischen 3:1 und 7:1, besonders bevorzugt um 4:1 verstanden werden kann.
In vorteilhafter Weise ergibt die Kombination eines niedrigen Antriebsmomentes mit einer hohen Drehzahlausnutzung in Summe in Verbindung mit dem hoch übersetzenden Planetengetriebe der Antriebsvorrichtung ein hohes Leistungs-/Gewichtsverhältnis (kW/kg), was eine kleine Dimensionierung und für den Fall einer Verbundlenkerachse die Integration der elektrischen Maschine in den Längslenker ermöglicht. Auch ist die Verwendung mit anderen Achsentypen, wie Federbeinachsen, Schräglenkerachsen und/oder Längslenkerachsen möglich.
So sind auch Übersetzungen in Kombination mit einer weiteren Getriebestufe möglich, wobei das Übersetzungsverhältnis von der Drehzahl der Getriebeeingangswelle zu der Drehzahl der Getriebeausgangswelle von größer als 10:1, bevorzugt zwischen 10:1 und 20:1, besonders bevorzugt zwischen 14:1 und 18:1, insbesondere um 16:1 erreicht werden kann.
Dies ermöglicht auch die Verwendung von hochdrehenden elektrischen Antriebsmaschinen maximalen Drehzahlen von mehr als 15000 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt mit einer maximalen Drehzahl zwischen 19000 und 25000 Umdrehungen pro Minute.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren für den Fall einer Verbundlenker-Hinterachse beispielhaft näher erläutert, wobei für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
1: Eine schematische Draufsicht einer nach dem Stand der Technik ausgeführten Verbundlenker-Hinterachse; und
2: Eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Rades einer Achse für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.
Die Erfindung wird anhand einer Verbundlenker-Hinterachse erläutert, da dies das meist verbreitete Hinterachskonzept darstellt. Bezugnehmend auf 1 umfasst eine nach dem Stand der Technik ausgeführte Verbundlenker-Hinterachse 1 zwei Längslenker 2, 3, welche durch ein Querprofil 4 miteinander verbunden sind.
Die Verbundlenker-Hinterachse 1 ist durch zwei Gummilager 5, 6 mit der Karosserie des Fahrzeugs verschraubt. Die Räder der Verbundlenker-Hinterachse 1 sind in der Figur mit den Bezugszeichen 7 bzw. 8 versehen. Ferner sind in der beigefügten 1 mit 9 ein Dämpfer und mit 10 eine Feder der Achse 1 bezeichnet.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist eine Antriebsvorrichtung 11 zum Antreiben eines Rades einer Achse für ein elektrisch antreibbares Fahrzeugvorgesehen, welche eine elektrische Maschine 12 und ein in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb betrachtet abtriebsseitig der elektrischen Maschine 12 geschaltetes Planetengetriebe 13 umfasst, welches in die elektrische Maschine 12 integriert ist.
Die elektrische Maschine 12 ist als Innenläufer ausgeführt, wobei der Rotor 14 der elektrischen Maschine 12 einstückig mit dem Sonnenrad 16 des Planetengetriebes 13 ausgebildet ist.
Ferner ist das Hohlrad 17 des Planetengetriebes 13 in das Lagerschild 19 der elektrischen Maschine 12 integriert. Der Abtrieb der Antriebsvorrichtung 11 erfolgt über den Steg 18 des Planetengetriebes 13, welcher über eine Welle 20 oder eine nachgeschaltete Getriebestufe mit der Radnabe verbunden ist. Der Stator der elektrischen Maschine 12 ist in 2 mit dem Bezugszeichen 15 versehen; mit den Bezugszeichen 22 und 23 ist die Lager zur Lagerung der Antriebswelle 21 bezeichnet.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist der Außendurchmesser des Hohlrades 17 größer als der Durchmesser des Luftspalts 24 zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 15 der elektrischen Maschine 12, wobei der Wickelkopf 25 der elektrischen Maschine 12 radial betrachtet nach außen komprimiert ist.
Für den Fall, dass abweichend von 2 der Außendurchmesser des Hohlrades 17 kleiner als der Durchmesser des Luftspalts 24 zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 15 ist, kann der Wickelkopf 25 in vorteilhafter Weise in unveränderter Form eines konventionellen Drehstrommotors mit verteilter oder konzentrierter Wicklung ausgeführt werden.
Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung und bezugnehmend auf 2 wird vorgeschlagen, den Rotor 14 der elektrischen Maschine 12 axial betrachtet an der dem Getriebe 13 zugewandten Seite oder an beiden Seiten für den Fall einer selbsterregten Synchronmaschine radial betrachtet unterhalb der oberflächennah eingebrachten bzw. aufgebrachten Dauermagnete oder für den Fall einer fremderregten Synchronmaschine unterhalb der Rotorwicklung. axial mit einer zylindrischen Tasche 26, 27 zu versehen.
Durch diese Konzeption wird das dem Getriebe 13 zugewandte Lager 22 in axialer Richtung teilweise in der dem Planetengetriebe 13 zugewandten Tasche 26 aufgenommen. Somit kann das Getriebe 13 axial betrachtet näher an die elektrische Maschine 12 angeordnet werden, was in vorteilhafter Weise in einer axialen Verkürzung der Antriebsvorrichtung 11 und in einer kompakten. Bauweise bei geringerem Gewicht resultiert.
Die hier vorgestellte Antriebsvorrichtung kann mit beliebigen Achstypen, beispielsweise mit einer Längslenker-, Federbein-, Zentrallenker-, Schwertlenker-, oder Trapezlenkerachse kombiniert werden.
Das Gehäuse der elektrischen Maschine 12 der Antriebsvorrichtung 11 kann auch als Radträger oder als Teil des Radträgers dienen und somit auftretende Kräfte ins Fahrwerk des Fahrzeugs einleiten.
Die Antriebsvorrichtung 11 kann luftgekühlt oder fluidgekühlt ausgeführt sein, wobei die elektrische Maschine, das Planetengetriebe und die Leistungselektronik eine gemeinsame Kühlung aufweisen können. Die Leistungselektronik kann zudem radträgerfest oder motorfest angeordnet sein.
Zudem kann das Gehäuse der elektrischen Maschine 12 direkt mit dem Längslenker 2 der Fahrzeugachse, die als Verbundlenkerachse ausgeführt sein kann, verschraubt werden. Alternativ kann das Gehäuse der elektrischen Maschine 12 beispielsweise als mehrteiliges Schweißbauteil in den Längslenker 2 integriert werden.
Bezugszeichenliste

1: Verbundlenker-Hinterachse
2: Längslenker
3: Längslenker
4: Querprofil
5: Gummilager
6: Gummilager
7: Rad
8: Rad
9: Dämpfer
10: Feder
11: Antriebsvorrichtung
12: elektrische Maschine
13: Planetengetriebe
14: Rotor der elektrischen Maschine 12
15: Stator der elektrischen Maschine 12
16: Sonnenrad des Planetengetriebes 13
17: Hohlrad des Planetengetriebes 13
18: Steg des Planetengetriebes 13
19: Lagerschild der elektrischen Maschine 12
20: Welle
21: Antriebswelle
22: Lager
23: Lager
24: Luftspalt zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 15 der elektrischen Maschine 12
25: Wickelkopf
26: zylindrische Tasche
27: zylindrische Tasche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007039059 A1 [0009]
EP 1979186 B1 [0012]

Claims

Antriebsvorrichtung (11) zum Antreiben eines Rades (7) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine (12) und ein in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb betrachtet abtriebsseitig der elektrischen Maschine (12) geschaltetes Planetengetriebe (13), dessen Sonnenrad (16) den Antrieb des Planetengetriebes (13) bilden, wobei das Hohlrad (17) des Planetengetriebes (13) an ein Lagerschild (19) der elektrischen Maschine (12) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) als Innenläufer ausgeführt ist, wobei der Rotor (14) der elektrischen Maschine (12) funktional mit dem Sonnenrad (16) des Planetengetriebes (13) drehfest verbunden ist und sich das Hohlrad (17) des Planetengetriebes (13) mit dem Lagerschild (19) der elektrischen Maschine (12) in axialer Richtung überlagert.
Antriebsvorrichtung (11) zum Antreiben eines Rades (7) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Hohlrades (17) des Planetengetriebes (13) größer als der Durchmesser des Luftspalts (24) zwischen dem Rotor (14) und dem Stator (15) der elektrischen Maschine (12) ist, wobei der Wickelkopf (25) der elektrischen Maschine (12) radial betrachtet nach außen komprimiert ist.
Antriebsvorrichtung (11) zum Antreiben eines Rades (7) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Hohlrades (17) des Planetengetriebes (13) kleiner als der Außendurchmesser des Luftspalts (24) zwischen dem Rotor (14) und dem Stator (15) der elektrischen Maschine (12) ist.
Antriebsvorrichtung (11) zum Antreiben eines Rades (7) einer Achse für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) der elektrischen Maschine (12) axial betrachtet an der dem Getriebe (13) zugewandten Seite oder an beiden Seiten, eine oder mehrere Taschen (26, 27) aufweist.
Antriebsvorrichtung (11) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) für den Fall einer permanenterregten Synchronmaschine radial betrachtet unterhalb der oberflächennah eingebrachten bzw. aufgebrachten Dauermagnete und für den Fall einer fremderregten Synchronmaschine unterhalb der Rotorwicklung axial mit einer Tasche (26) bzw. (27) versehen ist.
Antriebsvorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasche kegelig oder zylindrisch ausgeformt ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Planetengetriebe (13) zugewandte Lager (22) der Antriebswelle (21) teilweise in der dem Planetengetriebe (13) zugewandten Tasche (26) aufgenommen wird.
Antriebsvorrichtung (11) zum Antreiben eines Rades (7) einer Achse für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall einer Verbundlenkerachse das Gehäuse der elektrischen Maschine (12) direkt mit dem Längslenker (2) der Fahrzeugachse verschraubt ist oder als mehrteiliges Schweißbauteil in den Längslenker (2) integriert ist.
Antriebsvorrichtung (11) zum Antreiben eines Rades (7) einer Achse für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der elektrischen Maschine (12) als Radträger oder als Teil des Radträgers dient.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (17) des Planetengetriebes (13) in das Lagerschild (19) der elektrischen Maschine (12) integriert, eingearbeitet oder eingepresst ist.