DE102011076523A1

DE102011076523A1 - Elektrischer Achsantrieb für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011076523A1
Application number: DE102011076523A
Authority: DE
Inventors: Timo WEHLEN; Dr. Ketteler Karl-Hermann; Pedro Casals Ide; Stephan Scharr; Patrick Kniess; Michael Donaubauer; Sebastian Kornexl
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-11-29
Also published as: WO2012159789A1

Abstract

Es wird ein Achsantrieb für ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine (1) als Antrieb vorschlagen, die über ein Zwischengetriebe mit einem Achsdifferential (13) als Abtrieb gekoppelt ist, wobei das Zwischengetriebe einen Planetenradsatz (5) und eine Stirnradstufe (6) umfasst, wobei der Planetenradsatz (5) über ein Sonnenrad (7) mit der elektrischen Maschine (1) und über einen Planetenradträger (9) mit der Stirnradstufe (6) verbunden ist und wobei das Hohlrad (8) gehäusefest angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Achsantrieb für ein Fahrzeug gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2009 031 869 A1 ist eine Achsantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug bekannt. Die Achsantriebseinheit umfasst eine elektrische Maschine, die mit einem Achsdifferentialgetriebe über ein Übersetzungsgetriebe antriebsverbunden ist. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor, der zu einer Drehbewegung um eine Zentralachse der Achsantriebseinheit antreibbar ist. Ein Verzahnungsabschnitt des Rotors kämmt mit einem ersten Zahnrad des Übersetzungsgetriebes, wobei das erste Zahnrad gemeinsam mit einem zweiten Zahnrad auf einer Vorgelegewelle angeordnet ist, die versetzt zur Zentralachse ausgerichtet ist. Das zweite Zahnrad des Übersetzungsgetriebes kämmt mit einem Verzahnungsabschnitt eines Differenzialkorbs des Achsdifferentialgetriebes. An dem Differenzialkorb sind mehrere Ausgleichskegelräder drehbar gelagert, die mit zwei Abtriebskegelrädern kämmen. Jedes Abtriebskegelrad ist mit einer jeweiligen Achswelle drehfest verbunden, wobei jede Achswelle mit einem Rad der Fahrzeugachse gekoppelt ist. Dabei sind die Achswellen des Fahrzeuges zwingend koaxial zur Zentralachse der elektrischen Maschine aufgrund des vorgesehenen Übersetzungsgetriebes angeordnet.
Es hat sich gezeigt, dass bei derartigen Achsantriebskonzepten aufgrund der Verzahnungen des Übersetzungsgetriebes eine erhöhte Geräuschbelästigung auftreten kann. Ferner ist durch die Ausgestaltung des Übersetzungsgetriebes ausschließlich ein koaxial bezogen auf die Rotorwelle der elektrischen Maschine angeordneter Abtrieb möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Achsantrieb für ein Fahrzeug der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, der möglichst geräuschsoptimiert ausgeführt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst, wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen aus den Unteransprüchen und der Zeichnung ergeben.
Demzufolge wird ein Achsantrieb für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Personenkraftwagen oder dergleichen vorgeschlagen, der zumindest eine elektrische Maschine als zumindest einen Antrieb umfasst, wobei die elektrische Maschine über ein Übersetzungsgetriebe bzw. Zwischengetriebe mit einem Achsdifferential als Abtrieb des Fahrzeuges gekoppelt ist. Das Zwischengetriebe ist vorzugsweise zweistufig ausgebildet, wobei beispielsweise ein Planetenradsatz bzw. Planetengetriebe und ein Stirnradsatz bzw. eine Stirnradstufe vorgesehen sind. Bevorzugt kann antriebsseitig ein Sonnenrad des Planetenradsatzes mit der elektrischen Maschine und abtriebsseitig ein Planetenradträger mit der Stirnradstufe verbunden sein. Das Hohlrad ist gehäusefest angeordnet, beispielsweise durch eine geeignete Gehäuseverbindung oder durch gehäuseseitiges Festbremsen.
Auf diese Weise wird ein geräuschsoptimierter Elektroantrieb mit zum Beispiel einem zweistufigen Getriebe für ein Elektrofahrzeug oder auch für eine elektrifizierte Achse, zum Beispiel als Achshybrid oder auch ein Radnabenantrieb realisiert. Durch die Kombination von Stirnradsatz und Planetenradsatz ergibt sich in vorteilhafter Weise zum Beispiel eine achsversetzte Anordnung zwischen der Antriebsachse bzw. Rotorachse der elektrischen Maschine und den Antriebsachsen des Fahrzeuges. Es sind aber auch andere zum Beispiel koaxiale Anordnungsmöglichkeiten zwischen Antrieb und Abtrieb denkbar.
Dadurch, dass die Rotorwelle der elektrischen Maschine mit dem Sonnenrad des Planetenradsatzes und der Planetenradträger des Planetenradsatzes mit einer Zwischenwelle der Stirnradstufe verbunden ist und das Hohlrad des Planetenradsatzes gehäusefest angeordnet ist, ergibt sich nicht nur eine geräuschoptimierte Verzahnung, sondern es ergibt sich auch eine hohe Leistungsdichte aufgrund des geringen Gewichts des sehr kompakt angeordneten hochdrehenden Achsantriebes, wobei durch die Geräuschsverringerung ein Nachteil eines hochdrehenden Antriebs minimiert werden.
Durch die Auswahl der verwendeten Übersetzungen und der vorgesehenen Getriebestufen ergibt sich eine besonders geringe Frequenzanregung, welches sich positiv auf die Geräuscherzeugung auswirkt. Bei den verwendeten Verzahnungen, werden vorzugsweise Schrägverzahnungen eingesetzt, die eine möglichst geringe Zähnezahl und damit ein hohes Modul aufweisen. Gleichzeitig sollte eine hohe Überdeckung bzw. Sprungüberdeckung zwischen den vorhandenen Verzahnungspaaren bei dem Zwischengetriebe vorgesehen werden. Dadurch wird nicht nur die Geräuscherzeugung reduziert, sondern auch eine hohe Lebensdauer der einzelnen Komponenten des Achsantriebes gewährleistet. Insbesondere sollte bei der Auslegung der Getriebestufen darauf geachtet werden, dass die vorgesehenen Durchmesser möglichst gering sind, so dass ein möglichst geringes Gewicht, möglichst kleine Lagerdurchmesser und ein möglichst geringer Bauraum benötigt werden, so dass möglichst hohe Drehzahlen realisiert werden können, um ein Hochdrehzahlkonzept zu realisieren.
Eine weitere Reduzierung der Geräuschentwicklung kann durch eine nachgiebig gestaltete Hohlradanbindung des Planetenradsatzes realisiert werden. Vorzugsweise kann dazu als gehäuseseitige Befestigung für das Hohlrad ein eine ausreichende Torsionssteifigkeit zum Aufnehmen des Hohlradmomentes aufweisendes Befestigungselement oder dergleichen mit einem Verbindungsabschnitt mit radial geringer Steifigkeit und folglich hoher radialer Nachgiebigkeit vorgesehen sein, an den sich ein Hohlradträger zum Aufnehmen bzw. Halten des Hohlrades anschließt. Durch den einerseits nachgiebig gestalteten Träger und einem Steifigkeitssprung zum sehr steif ausgestalteten Lagerschild bzw. Befestigungselement wird das Geräuschübertragungsverhalten optimiert.
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei Bedarf eine Parksperreneinrichtung an dem erfindungsgemäßen Achsantrieb angeordnet wird. Bevorzugt kann ein Parksperrenrad beispielsweise in das Lagerkonzept zwischen der elektrischen Maschine und dem Planetenradsatz integriert werden. Dazu kann das Parksperrenrad beispielsweise axial zwischen dem Planetenradsatz und der elektrischen Maschine an der Rotorwelle befestigt sein.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Zeichnung weiter erläutert. Die einzige Figur der Erfindung zeigt eine mögliche Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Achsantriebes für ein Fahrzeug.
Der Achsantrieb umfasst eine elektrische Maschine 1 in einem Gehäuse 2. Als elektrische Maschine kann beispielsweise eine Asynchronmaschine, eine permanenterregte Synchronmaschine oder dergleichen eingesetzt werden. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator und einen Rotor, der mit einer Rotorwelle 3 verbunden ist. Der Stator wird von einem Kühlmantel 4 umgeben, um die in der elektrischen Maschine 1 entstehende Wärme abzuführen. Der Kühlmantel 4 ist mit einem Spalt zur Wand des Gehäuses 2 angeordnet, so dass eine Geräuschübertragung durch den Kühlmantel 4 vermieden wird.
Als Zwischengetriebe des Achsantriebes sind ein Planetenradsatz 5 und eine Stirnradstufe 6 beispielhaft vorgesehen. Die Rotorwelle 3 der elektrischen Maschine 1 ist drehfest mit einem Sonnenrad 7 des Planetenradsatzes 5 verbunden, wobei ein Hohlrad 8 des Planetenradsatzes 5 fest an dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Ein Planetenradträger 9 des Planetenradsatzes 5 ist mit einer Zwischenwelle 10 verbunden, an der ein Verzahnungsabschnitt 11 der Stirnradstufe 6 drehfest angeordnet ist. Der Verzahnungsabschnitt 11 kämmt über ein Stirnrad 12 der Stirnradstufe 6 mit dem Achsdifferential 13, das zum Antrieb des Fahrzeuges mit Achsantriebswellen gekoppelt ist.
Der Achsantrieb ist derart gestaltet, dass eine Gesamtübersetzung i_Gesamt von etwa 12 bis 20, vorzugsweise von ca. 16 realisiert wird. Das daraus resultierende Hochdrehzahlkonzept der elektrischen Maschine 1 wird dadurch erreicht, dass der Planetenradsatz 5 eine Übersetzung i_P von etwa 3,5 bis 6, vorzugsweise von ca. 4,8 und die Stirnradstufe eine Übersetzung i_S von etwa –2 bis –5,7, vorzugsweise von ca. –3,2 aufweist. Darüber hinaus sind die Elemente des Planetenradsatzes 5 und die Elemente der Stirnradstufe 6 vorzugsweise schrägverzahnt ausgeführt. Die Verzahnungspaare des Planetenradsatzes 5 und der Stirnradstufe 6 sind derart gestaltet, dass jeweils eine Sprungüberdeckung ε_β von etwa größer 2 vorzugsweise von ca. 2,2 vorgesehen ist. Dadurch wird sichergestellt, dass bei jedem Verzahnungspaar zumindest zwei Zähne gleichzeitig im Eingriff stehen, wodurch besonders geräuscharme Verzahnungen realisiert werden.
Die vorgenannten bevorzugten Angaben bei den Übersetzungen i_Gesamt, i_P, und i_S sowie bei der Sprungüberdeckung ε_β sind als besonders optimierte Auslegung des erfindungsgemäßen Achsantriebes zu verstehen, so dass sich bei diesen Werten eine besonders hohe Geräuschreduzierung und ein besonders hoher Wirkungsgrad ergeben. Jedoch können je nach Anwendungsfall Abweichungen von diesen konkreten Werten bezogen auf die jeweils vorgegebene Spanne notwendig sein.
Eine weitere Geräuschminimierung ergibt sich aus der vorgesehenen Hohlradanbindung an dem Gehäuse 2. Dazu ist ein das Hohlrad 8 aufnehmender Hohlradträger 14 als Teil des Befestigungselementes über einen Verbindungsabschnitt mit radial geringer Steifigkeit und folglich hoher radialer Nachgiebigkeit an dem Gehäuse 2 befestigt. Auf diese Weise wird vorzugsweise eine einteilige Hohlradanbindung realisiert.
Um möglichst geringe Abmessungen bei dem erfindungsgemäßen Achsantrieb zu erreichen, ist eine optimierte Struktur des Gehäuses 2 durch zylindrische Hauptformen und gewölbte Seitendeckel vorgesehen. In dem Gehäuse 2 ist vorzugsweise ein passiver Schmier- und Kühlölkreislauf für das Zwischengetriebe und die elektrische Maschine 1 mit einer axialen Durchführung durch die Zwischenwelle 10 und die Rotorwelle 3 vorgesehen. Demzufolge sind die Zwischenwelle 10 und die Rotorwelle 3 jeweils als Hohlwellen ausgeführt. Auf diese Weise kann das dem Zwischengetriebe abgewandte Lager 15 der elektrischen Maschine 1 ausreichend mit Öl versorgt werden. Die Ölversorgung des Planetenradsatzes 5 und der dazugehörigen Lagerung sowie des dem Planetenradsatz 5 zugewandten Lagers 16 der elektrischen Maschine 1 kann durch entsprechende radiale Bohrungen 17 in der Rotorwelle 3 versorgt werden.
Vorzugsweise ist ein optimiertes Dichtungskonzept ohne berührende Dichtungen zwischen der elektrischen Maschine 1 und dem Zwischengetriebe vorgesehen, da ansonsten aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten an den Dichtstellen zu hohe Dichtungsverluste auftreten würden. Ferner sind Schleuderscheiben, gehäusefeste Abtropfbleche oder dergleichen Elemente vorgesehen, um die Ölbenetzung der elektrischen Maschine 1 zu minimieren. Darüber hinaus ist die Rotorwelle 3 in dem gemeinsamen Gehäuse 2 höher angeordnet als die Achsantriebswellen, so dass das Öl aus dem Gehäuse 2 im Bereich der elektrischen Maschine 1 unterhalb des Kühlmantels 4 in den Sumpf des Gehäuses 2 zurücklaufen kann.
Des Weiteren ist bei dem vorgeschlagenen Achsantrieb ein Lagerkonzept mit gering belasteten und vorgespannten Rillenkugellagern 15, 16 zur Lagerung der elektrischen Maschine 1 vorgesehen, wobei die Lagersitze eine hohe Steifigkeit aufweisen. Der Planetenradsatzes 5 stellt bei hoher Unwuchterregung eine zusätzliche Schnittstelle für die Rotorwelle 3 dar. Darüber hinaus weist die Rotorwelle 3 einen deutlichen Durchmessersprung nahe des Rotors auf der dem Planetenradsatz 5 abgewandten Seite auf, wodurch der Wärmefluss durch die Verluste der elektrischen Maschine 1 in Richtung des dem Planetenradsatz 5 abgewandten Lagers 15 begrenzt ist.
Zusammenfassend ergeben sich durch die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Achsantriebes geringe Geräusche durch eine geringe Frequenzanregung, eine optimierte Verzahnungsauslegung insbesondere durch die gewählte Sprungüberdeckung, eine steife Lageranbindung und eine optimierte Gehäusestruktur sowie eine Begrenzung der Schallübertragungswege insbesondere durch die Hohlradanbindung und die vom Gehäuse entfernte Kühlmantelanordnung. Durch die gewählten hohen Übersetzungen ergibt sich das Hochdrehzahlkonzept, welches zusammen mit der zweistufigen Getriebeauswahl mit Planetenradsatz und Stirnradstufe eine hohe Leistungsdichte bei dem vorgeschlagenen Achsantrieb realisiert. Durch die geringen Lagerdurchmesser und durch den Verzicht von berührenden Dichtungen innerhalb des Antriebs ergibt sich der vorteilhaft hohe Wirkungsgrad des Achsantriebes.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Gehäuse
3: Rotorwelle
4: Kühlmantel
5: Planetenradsatz
6: Stirnradstufe
7: Sonnenrad
8: Hohlrad
9: Planetenradträger
10: Zwischenwelle
11: Verzahnungsabschnitt
12: Stirnrad
13: Achsdifferential
14: Hohlradträger
15: Lager der elektrischen Maschine
16: Lager der elektrischen Maschine
17: Öl-Bohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009031869 A1 [0002]

Claims

Achsantrieb für ein Fahrzeug, mit zumindest einer elektrischen Maschine (1) als Antrieb, die über ein Zwischengetriebe mit einem Achsdifferential (13) als Abtrieb gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischengetriebe zumindest einen Planetenradsatz (5) und zumindest eine Stirnradstufe (6) umfasst, wobei der Planetenradsatz (5) über ein Sonnenrad (7) mit der elektrischen Maschine (1) und über einen Planetenradträger (9) mit der Stirnradstufe (6) verbunden ist und wobei das Hohlrad (8) gehäusefest angeordnet ist.
Achsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotorwelle (3) der elektrischen Maschine (1) mit dem Sonnenrad (7) des Planetenradsatzes (5) verbunden ist, wobei ein Hohlrad (8) des Planetenradsatzes (5) gehäusefest angeordnet ist und der Planetenradträger (9) des Planetenradsatzes (5) mit einer Zwischenwelle (10) der Stirnradstufe (6) verbunden ist, wobei an der Zwischenwelle (10) zumindest ein Verzahnungsabschnitt (11) der Stirnradstufe (6) drehfest angeordnet ist und wobei der Verzahnungsabschnitt (11) der Stirnradstufe (6) über ein Stirnrad (12) mit dem Achsdifferential (13) zum Antreiben der Achsantriebswellen des Fahrzeuges verbunden ist.
Achsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als gehäuseseitige Befestigung für das Hohlrad (8) ein Befestigungselement mit einem Verbindungsabschnitt vorgesehen ist, an den sich ein Hohlradträger (14) zum Aufnehmen des Hohlrades (8) anschließt, wobei der Verbindungsabschnitt eine ausreichende Torsionssteifigkeit zum Übertragen des Hohlradmomentes und eine reduzierte Steifigkeit in radialer Richtung aufweist.
Achsantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement zusätzlich als Lagerschild für eine Zwischenwellenlagerung der Stirnradstufe (6) vorgesehen ist.
Achsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Achsantrieb eine Gesamtübersetzung (i_Gesamt) von etwa 12 bis 20 aufweist.
Achsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenradsatz (5) eine Übersetzung (i_P) von etwa 3,5 bis 6 aufweist.
Achsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnradstufe (6) eine Übersetzung (i_S) von etwa –2 bis –5,7 aufweist.
Achsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente des Planetenradsatzes (5) und die Elemente der Stirnradstufe (6) derart gestaltet sind, dass bei den vorhandenen Zahnpaaren jeweils eine Sprungüberdeckung (ε_β) von etwa größer 2 vorgesehen ist.
Achsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Maschine (1) eine hochdrehende Asynchronmaschine oder eine hochdrehende permanenterregte Synchronmaschine vorgesehen ist.
Achsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Achsdifferential (13) ein Kugel-, Planeten- und/oder ein Kronendifferential vorgesehen ist.
Achsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Parksperreneinrichtung axial zwischen dem Planetenradsatz (5) und der elektrischen Maschine (1) an der Rotorwelle (3) angeordnet ist.