DE102011076527A1

DE102011076527A1 - Elektrischer Fahrantrieb für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011076527A1
Application number: DE102011076527A
Authority: DE
Inventors: Stephan Scharr; Timo WEHLEN; Michael Donaubauer
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: WO2012159787A1

Abstract

Es wird ein elektrischer Fahrantrieb für ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine (3) vorgeschlagen, die über ein Zwischengetriebe (4) mit einem Abtrieb gekoppelt ist, wobei ein die elektrische Maschine (3) und das Zwischengetriebe (4) aufnehmendes Antriebsgehäuse (2) vorgesehen ist, in dem ein gemeinsamer, passiv betriebener Ölkreislauf zum Schmieren und/oder Kühlen vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Fahrantrieb für ein Fahrzeug gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Aus der Fahrzeugtechnik ist ein elektrischer Fahrantrieb für ein Fahrzeug bekannt. Üblicherweise werden die vorhandenen Kühl- und Schmiermittelkreisläufe einer elektrischen Antriebseinheit mittels zugeordneten Pumpen betrieben, um eine ausreichende Kühlung und Schmierung der elektrischen Maschine und der Getriebekomponenten sicherzustellen. Es hat sich gezeigt, dass bei dem bekannten Fahrantrieb aufgrund der erforderlichen Pumpen und der damit verbundenen Verlustleistung der Wirkungsgrad des Fahrantriebes verringert wird. Zudem ergeben sich aufgrund der notwendigen Pumpen und auch der notwendigen Gehäusegestaltungen hohe Herstellungskosten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektrischen Fahrantrieb der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, welcher möglichst geringe Herstellungskosten und einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst, wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen ergeben.
Somit wird ein elektrischer Fahrantrieb für ein beliebiges Fahrzeug vorgeschlagen, wobei ein Zwischengetriebe vorgesehen ist, um die Antriebsleistung der elektrischen Maschine auf den Abtrieb zu übertragen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine und das Zwischengetriebe mit dem Abtrieb in einem gemeinsamen Antriebsgehäuse aufgenommen sind, wobei zum Kühlen und/oder Schmieren ein gemeinsamer Kühlmittel- und/oder Schmiermittelkreislauf bzw. Ölkreislauf vorgesehen ist, der passiv betrieben wird, ohne dass in vorteilhafter Weise eine Pumpe erforderlich ist.
Zum Realisieren eines passiv betriebenen Ölkreislaufes wird dabei eine axiale Öldurchführung durch das gesamte Antriebsgehäuse zwischen den beiden Gehäuseseitendeckeln realisiert, indem beispielsweise die vorgesehenen Wellen der elektrischen Maschine und auch des Zwischengetriebes jeweils als Hohlwellen oder dergleichen ausgeführt werden, so dass das Öl auf einfachste Weise axial durch die koaxial hintereinander angeordneten Hohlwellen geführt wird.
Auf diese Weise kann ein Fahrantrieb als Achsantrieb oder auch als Einzelradantrieb realisiert werden, der eine ausreichende Deckung des Kühl- und Schmierbedarfs an allen relevanten Bereichen, wie zum Beispiel den Lagern, den Verzahnungen oder dergleichen in dem Antriebsgehäuse sicherstellt. Außerdem können durch die gezielte Steuerung bzw. Führung des Kühl- und Schmiermittels bzw. des Öls die Wärmequellen der elektrischen Maschine gezielt gekühlt werden, so dass aufgrund der größeren möglichen Verlustleistung eine höhere Leistungsfähigkeit des Fahrantriebes realisiert wird.
Beispielsweise bei einem als Achsantrieb ausgebildeten Fahrantrieb kann das abtriebsseitige Stirnrad des Zwischengetriebes, welches zum Beispiel mit einem Achsdifferential gekoppelt ist, zur Ölförderung aus dem Sumpf des Antriebsgehäuses oder dergleichen verwendet werden, so dass das Öl dem Eintrittsbereich der axialen Hohlwellendurchführung zugeleitet wird. Dadurch wird das Ölniveau in dem Sumpf des Antriebsgehäuses reduziert, wodurch eventuell auftretende Planschverluste auf ein Minimum reduziert werden.
Um das mithilfe der Stirnradstufe in den oberen Bereich des Antriebsgehäuses geförderte Öl möglichst optimal dem Eintrittsbereich der axialen Öldurchführung zuzuführen, kann gemäß einer nächsten Ausführung der Erfindung vorgesehen sein, dass beispielsweise eine geeignete Sammeleinrichtung derart in dem Antriebsgehäuse vorgesehen ist, dass das geförderte Öl vorzugsweise am Seitenwandbereich des Antriebsgehäuses gesammelt bzw. aufgefangen werden kann. Das aufgefangene Öl kann dann auf einfachste Weise einem Reservoir für den Eintrittbereich der Öldurchführung zugeleitet werden. Als konstruktive Ausführungen der Sammeleinrichtung können beispielsweise in den Gehäuseseitendeckelbereich eingebrachte Ausbuchtungen, Aussparungen oder dergleichen vorgesehen sein. Es ist auch denkbar, dass separate Bauteile, wie Bleche oder dergleichen an dem Wandbereich vorgesehen werden. Eine in den Gehäuseseitendeckel integrierte Sammeleinrichtung wäre besonders kostengünstig.
Um die Ölströmung durch die als Öl-Durchführung ausgebildeten Hohlwellen zu verbessern, können entsprechend angepasste Querschnittsformen der Hohlwellen vorgesehen werden. Beispielsweise kann die Durchführung als zumindest abschnittsweise vorgesehenem Gewinde ausgeführt werden, wodurch die Ölströmung bei sich drehenden Hohlwellen entsprechend beschleunigt wird. Es sind aber auch andere konstruktive Formen und Bauteile möglich, die die Ölströmung entsprechend positiv beeinflussen.
Das an dem Austrittsbereich der Öldurchführung austretende Öl kann nach absolvierter Kühlung und Schmierung der in diesem Bereich vorgesehenen Komponenten der elektrischen Maschine über entsprechende Leit- bzw. Führungselemente in dem Antriebsgehäuse dem Sumpf wieder zugeführt werden, so dass der Kühl- und Schmiermittelkreislauf geschlossen wird.
Der vorgeschlagene elektrische Fahrantrieb kann für beliebigen Antriebssysteme, wie zum Beispiel Achsantrieben, Einzelradantrieben oder auch zur Ergänzungen von Hybridsystemen, wie zum Beispiel Achshybridantrieben oder dergleichen eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische, geschnittene Ansicht einer möglichen Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Fahrantriebes;
2 eine schematische Draufsicht auf die Innenseite eines ersten Gehäuseseitendeckels des Antriebsgehäuses des Fahrantriebes gemäß 1;
3 eine schematische, geschnittene Teilansicht einer ersten Ausführung einer axialen Öl-Durchführung der als Hohlwellen ausgebildeten Zwischenwelle und der Rotorwelle des Fahrantriebes;
4 eine schematische, geschnittene Teilansicht einer zweiten Ausführung der axialen Öl-Durchführung; und
5 eine schematische, geschnittene Teilansicht einer dritten Ausführung der axialen Öl-Durchführung.
In den Figuren ist ein elektrischer Fahrantrieb 1 beispielhaft als Achsantrieb für ein Fahrzeug dargestellt. Der Fahrantrieb 1 umfasst ein Antriebsgehäuse 2, in dem eine elektrische Maschine 3 und ein Zwischengetriebe 4 vorgesehen ist, welches mit dem als Abtrieb ausgebildeten Achsdifferential 5 zum Antrieb der Antriebsachsen des Fahrzeuges gekoppelt ist.
Die elektrische Maschine 3 umfasst einen Stator 6, der einen Rotor 7 umgibt. Der Rotor 7 ist über zwei Lager 8, 9 drehbar mit einer Rotorwelle 10 in dem Antriebsgehäuse 2 gelagert. Das Zwischengetriebe 4 umfasst eine Planetenstufe 11 und eine Stirnradstufe 12, wobei das Sonnenrad 13 der Planetenstufe 11 mit der Rotorwelle 10 der elektrischen Maschine 3 drehfest verbunden ist. Das Hohlrad 14 ist gehäusefest angeordnet, wobei der Planetenradträger 15 mit einer Zwischenwelle 16 des Zwischengetriebes 4 bzw. der Stirnradstufe 12 verbunden ist. Die Zwischenwelle 16 ist als Hohlwelle ausgebildet. Das abtriebseitige Stirnrad 17 der Stirnradstufe 12 ist mit dem Achsdifferential 5 gekoppelt und fördert Öl aus einem Sumpf 18 in den oberen Bereich des Antriebsgehäuses 2.
Bei dem erfindungsgemäßen Fahrantrieb 1 ist vorgesehen, dass für die elektrische Maschine 3, für die Planetenstufe 11 und für die Stirnradstufe 12 sowie für das Achsdifferential 5 in dem gemeinsamen Antriebsgehäuse 2 ein gemeinsamer, passiv betriebener Kühlkreislauf zum Schmieren und/oder Kühlen vorgesehen ist. Auf diese Weise wird ein verbessertes Kühl- und Schmierkonzept für den erfindungsgemäßen Fahrantrieb 1 realisiert.
Das gemeinsame Antriebsgehäuse 2 ist mit einem ersten Gehäuseseitendeckel 19 und einem zweiten, gegenüberliegenden Gehäuseseitendeckel 20 seitlich abgedichtet, wobei ein gemeinsamer Sumpf 18 für den Kühl- und Schmiermittelkreislauf vorhanden ist. Das aus dem Sumpf 18 über das abtriebsseitige Stirnrad 17 geförderte Öl wird über eine als Ausbuchtung in dem ersten Gehäuseseitendeckel 19 vorgesehene Sammeleinrichtung 21 aufgefangen und einem ebenfalls als Ausbuchtung in dem ersten Gehäuseseitendeckel 19 vorgesehenem Reservoir 22 zugeführt. Durch das Planschen des Stirnrades 17 in dem Sumpf 18 verteilt sich zusätzlich in dem Antriebsgehäuse 2 ein Öl-Luft-Gemisch, das eine ausreichende Schmierung aller beweglichen Teile sicherstellt. Die interne Ölförderung durch das Stirnrad 17 senkt zudem den Getriebeölsumpfstand im Betrieb und verringert dadurch die Planschverluste des Stirnrades 17.
In 1 ist die Sammeleinrichtung 21 nur schemenhaft durch eine gestrichelte Linie angedeutet, da diese Ausbuchtung in dieser Perspektive aus der Zeichnungsebene vorspringt. Aus 2 wird die konkrete Gestaltung der als Ausbuchtung in dem Gehäuseseitendeckel 19 vorgesehenen Sammeleinrichtung 21 deutlich, die mit dem ebenfalls als Ausbuchtung ausgeführten Reservoir 22 in Verbindung steht. Die Ausbuchtungen sind vorzugsweise nach außen gerichtet, sodass diese in 2 in die Zeichnungsebene hineinragen bzw. sich hineinwölben.
Um das in dem Reservoir 22 gesammelte Öl zum Kühlen und Schmieren der in dem Antriebsgehäuse 2 vorgesehenen Komponenten verwenden zu können, ist eine axiale Öl-Durchführung 23 vorgesehen, die das Öl aus dem Reservoir 22 durch die Durchführung 23 in einen dem zweiten Gehäuseseitendeckel 20 zugeordneten Bereich des Antriebsgehäuses 2 führt. Die Öl-Durchführung 23 wird im Wesentlichen durch die als Hohlwellen ausgebildeten Zwischenwelle 16 und der daran anschließenden Rotorwelle 10 gebildet. Dadurch, dass das Öl durch die als Hohlwellen ausgebildeten Zwischenwelle 16 und Rotorwelle 10 geführt wird, kann zusätzlich eine gezielte Kühlung der Rotorwelle 10 und damit auch des Rotors 7 der elektrischen Maschine 3 realisiert werden, so dass gegenüber einer reinen Außenkühlung die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine 3 erhöht werden kann.
Um die Überführung des Öls aus dem Reservoir 22 in die Durchführung 23 zu gewährleisten, ist eine zum Beispiel hülsenförmige Öl-Übergabe 24 vorgesehen. Zwischen den einander zugewandten Enden der Zwischenwelle 16 und der Rotorwelle 10 ist eine weitere Öl-Übergabe 25 vorgesehen. Somit kann das Öl aus dem Reservoir 22 bis zu dem dem zweiten Gehäuseseitendeckel 20 zugeordneten Lager 9 der elektrischen Maschine 3 geführt werden. Für die Rückführung des Öls in dem Sumpf 18 sind entsprechende Leit- und Führungselemente 29 z. B. als Bleche oder dergleichen an dem Gehäuseseitendeckel 20 und an der Rotorwelle 10 vorgesehen, so dass das Öl entlang der eingezeichneten Pfeile über einen nur teilweise angedeuteten Rücklaufkanal an der elektrischen Maschine 3 vorbei zurückgeführt wird, wobei in 1 die Bodenseite des Antriebsgehäuses 2 mit dem integrierten Rücklaufkanal der Einfachheit halber nur teilweise angedeutet ist.
Die Durchführung 23 weist im Bereich der Planetenstufe 11 und des dem Zwischengetriebe zugeordneten Lager 8 der elektrischen Maschine 3 jeweils eine oder mehrere Radialbohrungen 26, 27 auf, so dass das Öl aus der Durchführung 23 zu den zu schmierenden und kühlenden Komponenten gelangen kann, in dem es durch die auf die drehende Rotorwelle 10 wirkenden Fliehkräfte verteilt wird.
In den 3 bis 5 sind verschiedene Ausführungen quasi als Einzelteil-Ansicht der in dem Antriebsgehäuse 2 vorgesehenen Öl-Durchführung 23 vergrößert dargestellt. Die Durchführung 23 besteht wie bereits beschrieben, aus dem Hohlwellenabschnitt der Zwischenwelle 16 und dem Hohlwellenabschnitt der Rotorwelle 10 der elektrischen Maschine 3.
3 zeigt eine erste Ausführung der Durchführung 23, bei der als Übergabe 25 zwischen der Zwischenwelle 16 und der Rotorwelle 10 eine zumindest abschnittsweise konisch ausgeführte Hülse quasi als Trichter vorgesehen ist. Aufgrund des erweiterten Querschnittes im Bereich der Rotorwelle 10 ist die Durchführung 23 im Bereich der Rotorwelle 10 mit einem größeren Bohrungsdurchmesser als bei der Zwischenwelle 16 versehen. Dadurch wird die Ölströmung ausgehend von der Zwischenwelle 16 in Richtung der Rotorwelle 10 beschleunigt.
In 4 ist eine zweite Ausführung gezeigt, bei der im Unterschied zur ersten Ausführung gemäß 3 die Übergabe 25 etwa zylindrisch ausgeführt ist. Um auch bei der zweiten Ausführung die Strömungsgeschwindigkeit des Öls zu erhöhen, ist eine Gewindehülse 28 in die Durchführung 23 eingesetzt. Die Gewindehülse 28 weist ein Innengewinde auf, entlang dessen das Öl entsprechen geführt wird. Aufgrund der gewählten Gewindesteigung ergibt sich bei einer Drehung der Rotorwelle 10 quasi eine Förderspirale, so dass das Öl in der Zeichnungsebene nach rechts gefördert wird.
Gemäß 5 ist eine dritte Ausführung der Durchführung 23 dargestellt, bei der im Unterschied zur zweiten Ausführung gemäß 4 nur ein vorbestimmter Abschnitt der Durchführung 23 im Bereich der Rotorwelle 10 mit einer Gewindehülse 28 versehen ist, wobei im weiteren Verlauf die Durchführung als Bohrung ohne Gewinde versehen ist.
Bezugszeichenliste

1: Fahrantrieb
2: Antriebsgehäuse
3: elektrische Maschine
4: Zwischengetriebe
5: Achsdifferential
6: Stator
7: Rotor
8: Lager der elektrischen Maschine
9: Lager der elektrischen Maschine
10: Rotorwelle
11: Planetenstufe
12: Stirnradstufe
13: Sonnenrad
14: Hohlrad
15: Planetenradträger
16: Zwischenwelle
17: abtriebsseitiges Stirnrad
18: Sumpf
19: erster Gehäuseseitendeckel
20: zweiter Gehäuseseitendeckel
21: Sammeleinrichtung
22: Reservoir
23: Öl-Durchführung
24: Öl-Übergabe
25: Öl-Übergabe
26: Radialbohrung
27: Radialbohrung
28: Gewindehülse
29: Leit- und Führungselemente

Claims

Elektrischer Fahrantrieb für ein Fahrzeug, mit einer elektrischen Maschine (3), die über ein Zwischengetriebe (4) mit einem Abtrieb gekoppelt ist, wobei ein die elektrische Maschine (3) und das Zwischengetriebe (4) aufnehmendes Antriebsgehäuse (2) vorgesehen ist, in dem ein gemeinsamer, passiv betriebener Ölkreislauf zum Schmieren und/oder Kühlen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Hohlwelle ausgebildete Zwischenwelle (16) koaxial zu einer als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle (10) der elektrischen Maschine (3) derart hintereinander angeordnet sind, dass die beiden Hohlwellen eine axiale Öl-Durchführung (23) in dem Antriebsgehäuse (2) von einem ersten Gehäuseseitendeckel (19) zu einem zweiten, gegenüberliegenden Gehäuseseitendeckel (20) bilden.
Elektrischer Fahrantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischengetriebe (4) eine der Rotorwelle (10) zugeordnete Planetenstufe (11) und eine der Zwischenwelle (16) zugeordnete Stirnradstufe (12) umfasst, wobei ein abtriebsseitiges Stirnrad (17) der Stirnradstufe (12) mit einem Achsdifferential (5) als Abtrieb gekoppelt ist und Öl aus einem Sumpf (18) des Antriebsgehäuses (2) zu einem dem ersten Gehäuseseitendeckel (19) zugewandten Eintrittsbereich der Durchführung (23) fördert.
Elektrischer Fahrantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseseitendeckel (19) als Reservoir (22) eine Ausbuchtung aufweist, die über eine Sammeleinrichtung (21) mit von dem abtriebsseitigen Stirnrad (12) geförderten Öl versorgbar ist.
Elektrischer Fahrantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinrichtung (21) als Blech oder als längliche Ausbuchtung in dem ersten Gehäuseseitendeckel (19) vorgesehen ist.
Elektrischer Fahrantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Durchführung (23) jeweils eine Öl-Übergabe (24, 25) zwischen dem Reservoir (22) des ersten Getriebeseitendeckels (19) und der Zwischenwelle (16) sowie zwischen der Zwischenwelle (16) und der Rotorwelle (10) aufweist.
Elektrischer Fahrantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergabe (24, 25) als Hülse zumindest abschnittsweise konisch oder zylindrisch ausgebildet ist.
Elektrischer Fahrantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (23) als Bohrung mit einem zumindest abschnittsweise in axialer Richtung verlaufenden Gewinde ausgebildet ist.
Elektrischer Fahrantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (23) als Bohrung mit einer zumindest abschnittsweise eingebrachten Gewindehülse (28) ausgebildet ist.
Elektrischer Fahrantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (23) zumindest eine Radialbohrung (26, 27) zur Ölversorgung aufweist.
Elektrischer Fahrantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Radialbohrung (26) im Bereich der Planetenstufe (11) des Zwischengetriebes (4) und eine weitere Radialbohrung (27) im Bereich des dem Zwischengetriebe (4) zugewandten Lagers (8) der Rotorwelle (10) vorgesehen sind.
Elektrischer Fahrantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dem zweiten Gehäuseseitendeckel (20) zugewandte Ende der Durchführung (23) dem dem Zwischengetriebe (4) abgewandten Lager (9) der Rotorwelle (10) zur Ölversorgung zugeordnet ist.
Elektrischer Fahrantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite des zweiten Gehäuseseitendeckels (20) und/oder der Rotorwelle (10) Leit- und Führungselemente (29) zur Ölrückführung in den Sumpf (18) des Antriebsgehäuses (2) vorgesehen sind.