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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Rades einer Achse für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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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.
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Bei elektrisch angetriebenen bzw. antreibbaren 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.
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Auch sind im Stand der Technik radnahe elektrische Antriebe bekannt, wobei unter radnahen Antrieben im weiteren Antriebe verstanden werden, welche pro Antriebsrad des Fahrzeugs ein oder mehrere Elektromotoren vorsehen. So sind Fahrzeuge mit zwei oder mehreren Antriebsrädern bekannt, die eine entsprechende Anzahl an Antrieben, also zwei oder mehrere, aufweisen. Dabei kann jeweils ein Elektromotor auf genau ein Antriebsrad wirken.
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Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik radnahe elektrische Antriebe zum Antreiben eines Rades einer angetriebenen Achse für elektrisch antreibbare Fahrzeuge bekannt, die in das Fahrwerk des Fahrzeugs integriert sind, wobei in Anhängigkeit von der Anzahl der angetriebenen Fahrzeugachsen beispielsweise zwei oder vier elektrische Antriebe vorgesehen sind.
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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.
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Eine weitere Möglichkeit der Anordnung der radnahen elektrischen Antriebe besteht darin, diese aufbaufest anzuordnen. Hierbei rücken die elektrischen Antriebe aus der Fahrzeugmitte heraus hin zu den Rädern.
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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.
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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.
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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 radintegrierte Fahrwerke integriert sein.
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Des Weiteren können die radnahen elektrischen Antriebe ein Getriebe aufweisen.
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Aus der
EP 1 961 602 A1 ist eine in ein Fahrzeugrad integrierbare Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Rades bekannt, welche einen Elektromotor und zwei in Reihe geschaltete Planetengetriebe aufweist, die axial betrachtet zwischen dem Elektromotor und dem Rad angeordnet sind.
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In vorteilhafter Weise resultiert die Verwendung von radnahen elektrischen Antrieben zum Antreiben eines Rades einer angetriebenen Achse 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.
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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.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Rades einer Achse für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach wird eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Rades einer Achse für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug vorgeschlagen, umfassend eine elektrische Maschine und zwei in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb betrachtet abtriebsseitig der elektrischen Maschine in Reihe geschaltete Planetengetriebe, wobei die elektrische Maschine als Hohlwellenmotor, d. h. als Innenläufer mit einem als Hohlwelle ausgeführten Rotor ausgeführt ist und das erste und das zweite Planetengetriebe an der dem Rad abgewandten Seite der elektrischen Maschine angeordnet sind und die Abtriebswelle der Antriebsvorrichtung durch den Hohlraum des Rotors der elektrischen Maschine zur Radnabe geführt wird.
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Durch diese Konzeption entsteht der Vorteil, dass im Bereich der Karosserie des Fahrzeugs Bauraum zur Verfügung gestellt wird, der beim Einfedern genutzt wird, da das Gehäuse des ersten und des zweiten Planetengetriebes mit kleinerem Außendurchmesser ausführbar ist als das Gehäuse der elektrischen Maschine. Zudem kann die Verbindung zwischen der elektrischen Maschine und der Radnabe weiniger steif ausgeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann zum Antreiben von Rädern beliebiger Achstypen eingesetzt werden, beispielsweise zum Antreiben der Räder einer Verbundlenkerachse oder einer Federbeinachse.
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Hierbei ist das Gehäuse der elektrischen Maschine oder das Gehäuse der zwei Planetengetriebe für den Fall einer Verbundlenkerachse direkt mit dem Längslenker der Fahrzeugachse verbunden, vorzugsweise verschraubt, als mehrteiliges Schweißbauteil in den Längslenker integriert oder mit dem Längslenker einteilig ausgeführt. Für den Fall einer Federbeinachse kann das Gehäuse der elektrischen Maschine oder das Gehäuse der zwei Planetengetriebe direkt mit dem Radträger verbunden, vorzugsweise verschraubt, als mehrteiliges Schweißbauteil in den Radträger integriert oder mit dem Radträger einteilig ausgeführt sein. Die elektrische Maschine und die Planetengetriebe können auch ein gemeinsames Gehäuse aufweisen.
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Ferner können die Anbindung des Bremssattels und/oder des Dämpfers in das Gehäuse der zwei Planetengetriebe oder in das Gehäuse der elektrischen Maschine der Antriebsvorrichtung integriert sein, wobei die Verbindungsschrauben zur Fixierung des Bremssattels gleichzeitig Gehäuseschrauben für die Befestigung der Antriebsvorrichtung am Längslenker der Achse bzw. am Radträger darstellen können.
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Durch die zwei Planetengetriebe wird eine große Übersetzung ermöglicht, wobei die Abmessungen sowie das Gewicht der elektrischen Maschine gering gehalten werden können; beispielsweise kann die durch die zwei Planetengetriebe erzielbare Übersetzung, also das Verhältnis der Umdrehungsgeschwindigkeit (Drehzahl) der Eingangswelle des Getriebes zur Abtriebswelle des Getriebes, einen Wert annehmen, der größer als 10 ist, bevorzugt zwischen 10 und 20, besonders bevorzugt 14 bis 18, insbesondere um 16.
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Auch kann die elektrische Maschine eine hochdrehende elektrische Maschine sein. Unter einer hochdrehenden elektrischen Maschine wird insbesondere eine Maschine verstanden, die eine maximale Rotorgeschwindigkeit von mehr als 15000 Umdrehungen pro Minute aufweist, bevorzugt zwischen 19000 und 25000 Umdrehungen/Minute.
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In vorteilhafter Weise ergibt die Kombination eines niedrigen Antriebsmomentes mit einer hohen Drehzahlausnutzung in Summe in Verbindung mit den zwei Planetengetrieben der Antriebsvorrichtung ein hohes Leistungs-/Gewichtsverhältnis (kW/kg). Die elektrische Maschine kann dadurch klein dimensioniert sein, was die Integration der elektrischen Maschine in den Längslenker oder in den Radträger ermöglicht bzw. vereinfacht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figur, welche eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung für eine Verbundlenkerachse eines elektrisch antreibbaren Fahrzeug darstellt, beispielhaft näher erläutert.
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Bezugnehmend auf die beigefügte Figur umfasst eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1 zum Antreiben eines Rades 2 einer Verbundlenkerachse eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs eine elektrische Maschine 3 und zwei in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb betrachtet abtriebsseitig der elektrischen Maschine 3 in Reihe geschaltete Planetengetriebe 4, 5. In der Figur ist das Querprofil der Verbundlenkerachse mit dem Bezugszeichen 6 versehen, wobei der Längslenker mit dem Bezugszeichen 7 und eine Scheibenbremse mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet sind.
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Gemäß der Erfindung ist die elektrische Maschine 3 als Hohlwellenmotor, d. h. als Innenläufer mit einem als Hohlwelle ausgeführten Rotor 8 ausgeführt, wobei das erste und das zweite Planetengetriebe 4, 5 an der dem Rad 2 abgewandten Seite der elektrischen Maschine 3 angeordnet sind. Demnach ergibt sich axial betrachtet die Reihenfolge Rad 2 – elektrische Maschine 3 – Planetengetriebe 4, 5. Der Stator der elektrischen Maschine 3 ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 9 versehen.
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Hierbei ist die Abtriebswelle der Antriebsvorrichtung 1, die bei dem gezeigten Beispiel durch eine mit dem Steg 13 des zweiten Planetengetriebes 5 drehfest verbundene Welle 18 gebildet ist, durch den Hohlraum des Rotors 8 der elektrischen Maschine 3 zum Rad 2 geführt, wo sie beispielsweise über vorzugsweise ein konventionelles Keilwellenprofil mit der Radnabe 21 verbunden ist oder die Radnabe 21 selbst darstellt.
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Der Rotor 8 der elektrischen Maschine 3 ist über eine Sonnenradwelle 16 des ersten Planetengetriebes 4 mit dem Sonnenrad 10 des ersten Planetengetriebes 4 drehfest verbunden, wobei der Steg 11 des ersten Planetengetriebes 4 über eine Sonnenradwelle 17 des zweiten Planetengetriebes 4 mit dem Sonnenrad 12 des zweiten Planetengetriebes 5 drehfest verbunden ist und wobei, wie bereits erläutert, der Abtrieb der Antriebsvorrichtung 1 über den Steg 13 des zweiten Planetengetriebes 5 und eine mit dem Steg 13 drehfest verbundene Welle 18 erfolgt, die mit der Radnabe 21 drehfest verbunden ist oder die Radnabe 21 selbst darstellt.
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Des Weiteren sind das Hohlrad 14 des ersten Planetengetriebes 4 und das Hohlrad 15 des zweiten Planetengetriebes 5 gehäusefest angeordnet; sie können an das Gehäuse 19 der Planetengetriebe 4, 5 der Antriebsvorrichtung 1 gekoppelt oder einstückig mit dem Gehäuse 19 ausgeführt oder in das Gehäuse 19 eingepresst sein. Für den Fall, dass ein Hohlrad einstückig mit dem Gehäuse 16 ausgeführt ist, kann ein radialer Absatz vorgesehen sein, um den Durchmesserunterschied zwischen dem Gehäuse 16 und dem Hohlrad auszugleichen. Ferner kann durch die Ausgestaltung eines Hohlrades als in ein zylindrisches Gehäuse einpressbarer Hohlradring in Abhängigkeit der Belastung der Werkstoff gewählt werden, wobei dies in einer Reduzierung des Gewichts resultieren kann.
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In der Figur ist das Gehäuse der elektrischen Maschine 3 mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet; die elektrische Maschine 3 und die Planetengetriebe 4, 5 können ein gemeinsames Gehäuse aufweisen.
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Im Rahmen einer Weiterbildung kann der Rotor 8 der elektrischen Maschine 3 einstückig mit der Sonnenradwelle 16 des ersten Planetengetriebes 4 ausgeführt sein; ferner kann die Sonnenradwelle 17 des zweiten Planetengetriebes 5 mit dem Steg 11 des ersten Planetengetriebes 4 einstückig ausgeführt sein.
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Die Verzahnungen der Getriebe 4, 5 sind vorzugsweise schrägverzahnt ausgeführt, wobei die Verbindung zwischen dem Steg 11 des ersten Planetengetriebes 4 und dem Sonnenrad 12 des zweiten Planetengetriebes 5 axial und radial durch Wälzlager, Gleitlager oder Anlaufscheiben abgestützt wird.
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Die Lagerung der Sonnenradwelle 16 des ersten Planetengetriebes 4 wird vorzugsweise durch die Lagerung des Rotors 8 der elektrischen Maschine 3 gebildet, so dass die Notwendigkeit separater Lager entfällt, wobei die an der den Planetengetrieben 4, 5 abgewandten Seite des Rotors 8 vorgesehene Rotorlagerung vorzugsweise durch ein Federelement axial vorgespannt sein kann.
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Ferner wird die radseitige Lagerung der mit dem Steg 13 des zweiten Planetengetriebes 5 verbundenen Welle 18, d. h. des Abtriebs der Antriebsvorrichtung 1, durch das Radlager des Rades 2 gebildet, welches als Lager üblicher Bauart, beispielsweise als zweireihiges Rollenlager oder als Lager umfassend zwei Einzelschrägrollenlager mit einem Druckwinkel zwischen 15° und 60° ausgeführt sein kann. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Lageranzahl der Antriebsvorrichtung reduziert werden.
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An dem der elektrischen Maschine 3 abgewandten Ende der Antriebsvorrichtung 1 ist eine weitere Lagerung der mit dem Steg 13 des zweiten Planetengetriebes 5 drehfest verbundenen Welle 18 vorgesehen, die vorzugsweise auf einem Zapfen der Welle 18 angeordnet ist.
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Die elektrische Maschine 3 der 1 kann als Asynchronmaschine, als fremderregt- oder permanentmagneterregte Synchronmaschine oder als Querfeldmaschine ausgeführt werden, was eine hohe Flexibilität bietet.
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In vorteilhafter Weise kann das Gehäuse 20 der elektrischen Maschine 3 der Antriebsvorrichtung 1 oder das Gehäuse 19 der Planetengetriebe 4, 5 ferner auch als Radträger oder als Teil des Radträgers dienen und somit auftretende Kräfte ins Fahrwerk des Fahrzeugs einleiten.
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Durch die erfindungsgemäße Konzeption kann bei einer geringen ungefederten Masse und hohem Leistungs-/Gewichtsverhältnis (kW/kg) eine sehr kompakte Bauweise der Antriebsvorrichtung realisiert werden.
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Die hier vorgestellte Antriebsvorrichtung kann mit beliebigen Achstypen, beispielsweise mit einer Verbundlenker-, Federbein-, Zentrallenker-, Schwertlenker-, oder Trapezlenkerachse kombiniert werden.
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Des Weiteren weist die Antriebsvorrichtung eine geringe Lageranzahl und eine gute Zugänglichkeit auf, wobei sie mit geringer Modifikation einer bestehenden Fahrzeugachse in die Achse integriert werden kann. Beispielsweise muss für den Fall einer Verbundlenkerachse lediglich der Längslenker durch ein modifiziertes Teil ersetzt werden.
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Ferner kann die Bremsvorrichtung der Räder als Scheibenbremse oder Trommelbremse ausgeführt sein; die Antriebsvorrichtung kann luftgekühlt oder fluidgekühlt ausgeführt sein, wobei die elektrische Maschine, die Planetengetriebe und die Leistungselektronik eine gemeinsame Kühlung aufweisen können. Die Leistungselektronik kann zudem radträgerfest oder motorfest angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsvorrichtung
- 2
- Rad
- 3
- elektrische Maschine
- 4
- erstes Planetengetriebe
- 5
- zweites Planetengetriebe
- 6
- Querprofil
- 7
- Längslenker
- 8
- Rotor
- 9
- Stator
- 10
- Sonnenrad des ersten Planetengetriebes 4
- 11
- Steg des ersten Planetengetriebes 4
- 12
- Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes 5
- 13
- Steg des zweiten Planetengetriebes 5
- 14
- Hohlrad des ersten Planetengetriebes 4
- 15
- Hohlrad des zweiten Planetengetriebes 5
- 16
- Sonnenradwelle des ersten Planetengetriebes 4
- 17
- Sonnenradwelle des zweiten Planetengetriebes 5
- 18
- Abtriebswelle
- 19
- Gehäuse der Planetengetriebe 4, 5
- 20
- Gehäuse der elektrischen Maschine 3
- 21
- Radnabe
- 22
- Scheibenbremse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007039059 A1 [0009]
- EP 1961602 A1 [0012]
