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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs mit einem Elektromotor, wobei der Elektromotor einen Rotor und einen Stator aufweist und wobei der Rotor und/oder der Stator eine Rotationsachse definieren, mit einer Feststelleinrichtung, wobei die Feststelleinrichtung ein Sperrorgan, welches mit dem Stator gekoppelt ist, ein Lauforgan, welches drehfest mit dem Rotor gekoppelt ist, und eine Aktorik aufweist, wobei die Aktorik das Sperrorgan zwischen einer Sperrstellung und einer Freigabestellung umschalten kann, wobei das Sperrorgan in der Sperrstellung drehfest mit dem Lauforgan gekoppelt ist und in der Freigabestellung das Lauforgan freigibt.
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Elektrische Antriebe für Fahrzeuge bilden eine Alternative für klassische Verbrennungsmotoren und weisen insbesondere bei kurzen und mittleren Fahrtlängen gegenüber von Verbrennungsmotoren Vorteile auf. Allerdings führt die Substitution von Verbrennungsmotoren durch elektrische Antriebe zu einem Umdenken bei der Umsetzung von vielen Funktionen des Fahrzeugs.
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So beschäftigt sich die Druckschrift
DE 10 2010 049 601 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, mit der Umsetzung einer Feststellbremse für ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb. In dieser Druckschrift wird festgestellt, dass die Funktion der Feststellbremse prinzipiell durch den elektrischen Antrieb über die Beaufschlagung eines Haltestroms realisiert werden kann, wobei diese Umsetzung jedoch aufgrund des Haltestroms zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs im Stand und damit zu einer Verringerung der Reichweite führen würde. Als Verbesserung wird in der Druckschrift vorgeschlagen, eine Bremseinrichtung mit einem mechanischen Sperrelement zu verwenden, wobei das Sperrelement in radialer oder axialer Richtung zu einer Rotationsachse des elektrischen Antriebs zugestellt wird und mittelbar oder unmittelbar auf die Radnabe wirkt.
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Gebiet der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder alternative Feststelleinrichtung für einen elektrischen Antrieb vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird eine elektrische Antriebsvorrichtung vorgeschlagen, welche zum Antrieb eines Fahrzeugs geeignet und/oder ausgebildet ist. Insbesondere weist die elektrische Antriebsvorrichtung eine Leistung von mehr als 10 kW zum Antrieb des Fahrzeugs auf. Das Fahrzeug ist vorzugsweise als ein Personenkraftwagen oder als ein Lastkraftwagen ausgebildet.
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Die elektrische Antriebsvorrichtung umfasst einen Elektromotor, welcher zur Erzeugung des Antriebsdrehmoments zum Antrieb des Fahrzeugs ausgebildet ist. Der Elektromotor umfasst einen in der elektrischen Antriebsvorrichtung stationär angeordneten Stator und einen relativ dazu drehenden Rotor. Vorzugsweise ist der Rotor als ein Innenläufer ausgebildet. Der Stator definiert durch seine Geometrie eine Rotationsachse. Alternativ oder ergänzend wird die Rotationsachse durch die Rotation des Rotors festgelegt.
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In der allgemeinsten Ausprägung der Erfindung ist der Rotor mit mindestens einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt und/oder koppelbar, so dass das Antriebsdrehmoment des Elektromotors auf das mindestens eine Rad geleitet werden kann. Insbesondere bildet das Antriebsdrehmoment ein Hauptdrehmoment für das mindestens eine Rad des Fahrzeugs.
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Die elektrische Antriebsvorrichtung umfasst eine Feststelleinrichtung zum Feststellen des mit dem Rotor gekoppelten Bereichs relativ zu dem mit dem Stator gekoppelten Bereich der elektrischen Antriebsvorrichtung. Die Feststelleinrichtung dient zur Fixierung des Fahrzeugs bei einem Abstellen am Hang oder dergleichen und ist damit vorzugsweise funktionsgleich zu der klassischen Feststellbremse – auch Handbremse genannt – eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Die Feststelleinrichtung ist insbesondere als eine Parksperre und/oder als ein Anfahrassistent für ein Hillhold und/oder als ein Anfahrstopp ausgebildet.
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Die Feststelleinrichtung umfasst ein Sperrorgan, ein Lauforgan und eine Aktorik, die zur Betätigung des Sperrorgans ausgebildet ist. In der allgemeinsten Ausprägung der Erfindung können das Lauforgan und/oder das Sperrorgan als separate Bauteile oder Bautenabschnitte oder als Bauteilbereiche von anderen Bauteilen der elektrischen Antriebsvorrichtung ausgebildet sein.
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Das Sperrorgan ist drehfest mit dem Stator gekoppelt, so dass das Sperrorgan keine Relativrotation zu dem Stator durchführen kann. Allerdings ist das Sperrorgan vorzugsweise in axialer Richtung zu der Rotationsachse verschiebbar relativ zu dem Stator angeordnet. Zwischen dem Stator und dem Sperrorgan können weitere Komponenten angeordnet sein. Beispielsweise umfasst die elektrische Antriebsvorrichtung ein Gehäuse, in dem der Stator stationär befestigt ist und das Sperrorgan ist auf oder an dem Gehäuse angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Stator an einem Gehäusedeckel befestigt und das Sperrorgan auf oder an dem Gehäusedeckel angeordnet.
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Das Lauforgan ist drehfest mit dem Rotor gekoppelt, so dass dieses bei einer Rotation des Rotors und/oder des mindestens einen Rads mitrotiert oder mitgenommen wird.
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Die Aktorik ist vorzugsweise elektromechanisch ausgebildet, kann bei abweichenden Ausführungsformen auch pneumatisch oder hydraulisch realisiert sein. Bei besonders einfachen Ausführungsformen ist sogar eine handkraftbetätigte Aktorik möglich. Die Aktorik ist ausgebildet, das Sperrorgan zwischen einer Sperrstellung und einer Freigabestellung umzuschalten. In der Sperrstellung Ist das Sperrorgan drehfest mit dem Lauforgan gekoppelt, so dass eine Drehung des Rotors und/oder des mindestens einen Rads verhindert ist. In der Freigabestellung sind dagegen das Sperrorgan und das Lauforgan zueinander entkoppelt, so dass diese relativ zueinander drehen können. Folglich ist auch eine Rotation des Rotors und/oder des mindestens einen Rads relativ zu dem Sperrorgan möglich.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Lauforgan auf einer in Bezug auf die Rotationsachse axialen Stirnseite eine Verzahnung trägt, in die das Sperrorgan in der Sperrstellung formschlüssig eingreift. Besonders bevorzugt ist die axiale Stirnseite in einer Radialebene zu der Rotationsachse angeordnet.
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Der Vorteil der Erfindung ist es, dass durch den formschlüssigen Eingriff des Sperrorgans in die Verzahnung sehr hohe Haltekräfte erzeugt werden können, da der formschlüssige Eingriff eine Relativdrehung zwischen Sperrorgan und Lauforgan formschlüssig verhindert. Durch die Anordnung der Verzahnung auf der axialen Stirnseite wird zudem erreicht, dass der Bauraumbedarf sehr gering ausfällt, so dass die Feststelleinrichtung in einfacher Weise integriert werden kann.
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Die Verzahnung ist vorzugsweise mit einer Winkelteilung von Zahn zu Zahn von 0,5° bis zu 5° ausgebildet. Diese vergleichsweise enge Winkelteilung hat den Vorteil, dass Totwege oder Verlustwege beim Aktivieren der Feststelleinrichtung sehr gering gehalten sind, da diese bei vielen Relativpositionierungen von Sperrorgan und Lauforgan einrastbar ist. Es ist ferner bevorzugt, dass die Verzahnung in einem Durchmesserbereich von größer als 15 cm, vorzugsweise größer als 20 cm angeordnet ist, sodass eine ausreichende Hebelwirkung zum Sperren des Lauforgans gegeben ist. Auch aufgrund des großen Durchmessers ist es möglich, dass das Sperrorgan und/oder das Lauforgan aus Kunststoff ausgebildet sein kann, was die elektrische Antriebsvorrichtung leichter und damit besser macht und zugleich Produktionskosten deutlich senkt. Besonders bevorzugt ist die Verzahnung um die Rotationsachse vollständig umlaufend ausgebildet.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Antriebsvorrichtung als eine Radnabenmotoreinheit ausgebildet. Insbesondere ist der Radnabenmotoreinheit genau ein Rad des Fahrzeugs zugeordnet, welches es insbesondere exklusiv antreibt. Besonders bevorzugt ist die Radnabenmotoreinheit als ein Direktantrieb ausgestaltet, so dass der Rotor drehfest und/oder getriebefrei mit dem Rad gekoppelt ist und beide stets die gleiche Drehzahl aufweisen. Bei einer möglichen, besonders kompakten Ausführungsform sind der Elektromotor, insbesondere der Rotor und/oder der Stator, und das Rad in radialer Richtung zu der Rotationsachse überlappend oder sogar deckungsgleich angeordnet. Optional umfasst die elektrische Antriebsvorrichtung das Rad. In dieser Ausgestaltung kommen die Vorteile hinsichtlich der verbesserten Integration der Feststelleinrichtung in die elektrische Antriebsvorrichtung besonders gut zum Tragen.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung, insbesondere ausgestaltet als Radnabenmotoreinheit, ist vorgesehen, dass die Verzahnung in axialer Richtung, insbesondere axialer Projektion, überlappend, insbesondere deckungsgleich mit dem Rotor angeordnet ist. Wie bereits zuvor erläutert wird durch den großen Durchmesser der Verzahnung aufgrund von Hebelgesetzen ermöglicht, große Haltekräfte aufzubringen ohne eine Überlastung des Feststellorgans oder des Lauforgans zu riskieren. Besonders bevorzugt ist die Verzahnung in radialer Richtung überlappend, insbesondere deckungsgleich mit dem Stator angeordnet, so dass die Verzahnung in einem Längsschnitt durch die Rotationsachse in einem Eckbereich angeordnet ist, der durch den Übergang von Rotor zu Stator gebildet ist. Durch die Positionierung der Verzahnung in diesem Eckbereich wird ein ausgezeichnete Bauraumausnutzung und damit eine Verbesserung der Antriebsvorrichtung realisiert.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, insbesondere ausgestaltet als Radnabenmotoreinheit, ist das Lauforgan als ein Ringelement ausgebildet, welches auf dem Rotor ausgesteckt ist. In dieser Weiterbildung wird der Rotor als Träger für das Lauforgan verwendet, so dass eine weitere Verringerung des Bauraums für die Feststelleinrichtung erreicht ist. Besonders bevorzugt weist das Ringelement einen Flanschabschnitt, der die Verzahnung trägt und sich in einer Radialebene zu der Rotationsachse erstreckt, und einen Rohrabschnitt auf, der in den Rotor eingesteckt wird und mit sein radialen Außenseite an dem Rotor anliegt. Bei einer Alternative ist das Lauforgan einstückig in dem Rotor enthalten. Beispielsweise kann eine Stirnfläche, insbesondere eine metallische Stirnfläche des Rotors eine Stirnverzahnung aufweisen, die das Lauforgan bildet. Die Stirnverzahnung kann umformtechnisch, z. B. durch eine Prägung, oder abtragend in den Rotor eingebracht sein.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung umfasst die Aktorik einen Axialstellantrieb, insbesondere einen elektrischen Axialstellantrieb, wobei der Axialstellantrieb ausgebildet ist, das Sperrorgan in axialer Richtung zu bewegen und gegen das Lauforgan zu fahren, so dass das Sperrorgan die Sperrstellung einnimmt. Der Axialstellantrieb ist vorzugsweise als ein Spindelantrieb, insbesondere mit einem Trapezgewinde, ausgebildet. Dabei ist es möglich, dass eine Spindelmutter von einem Stellmotor bewegt und die Spindel ein- und ausgefahren wird oder, dass die Spindel von dem Stellmotor bewegt und die Spindelmutter ein- und ausgefahren wird. Besonders bevorzugt ist der Spindeltrieb selbsthemmend ausgebildet, um auch bei Stromausfall die eingenommene Stellposition sicher zu halten.
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Bauraumtechnisch ist es bevorzugt, wenn der Axialstellantrieb außermittig zu der Rotationsachse und insbesondere in dem radialen Bereich der Verzahnung angeordnet ist. Beispielsweise kann die Spindel und/oder Spindelmutter in axialer Projektion überlappend zu der Verzahnung angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Stellmotor von dem Elektromotor und/oder einer Schnittstelle zu dem mindestens einen Rad weggerichtet, um den verfügbaren Bauraum besonders gut auszunutzen. Bei einer möglichen Weiterbildung umfasst der Axialstellantrieb an seinem freien Ende, also abgewandt von der Verzahnung, eine mechanische Notschnittstelle, die eine manuelle Betätigung des Axialstellantriebs erlaubt, z. B. für den Fall, dass kein elektrischer Strom zur Verfügung steht. Über die mechanische Notschnittstelle ist das Sperrorgan von der Sperrstellung in die Freigabestellung zu überführen.
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Bei einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung ist das Sperrorgan unmittelbar auf dem Axialstellantrieb, insbesondere auf dem Ende der Spindel, aufgesetzt und wird von diesem gegen das Lauforgan gefahren. In dieser Ausgestaltung ist das Sperrorgan als ein Stirnzahnelement ausgebildet. Die Reaktionskräfte werden nur im Bereich des Axialstellantriebs in den stationären Abschnitt der elektrischen Antriebsvorrichtung, insbesondere in das Gehäuse abgeleitet.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Axialstellantrieb und dem Sperrorgan ein Federspeicher angeordnet. Der Federspeicher ist in axialer Richtung elastisch verformbar ausgebildet. Der Vorteil des Federspeichers zeigt sich in insbesondere, wenn der Axialstellantrieb in Überlast geht oder wenn Sperrorgan und Lauforgan derart in einer Winkelzwischenstellung zueinander angeordnet sind, dass diese nicht ineinander geschoben werden können. In diesem Fall kann der Axialstellantrieb trotzdem ohne Überlast in seine Endposition fahren. Bei einer geringen Relativverdrehung von Sperrorgan und Lauforgan können die Organe formschlüssig durch die Energie des Federspeichers ineinander gefahren werden. Der Federspeicher kann zum einen bei der ersten beschriebenen Ausführungsform oder zum anderen bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen zum Einsatz kommen.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Sperrorgan und dem Axialstellantrieb ein Getriebe, insbesondere ein Hebelwerk angeordnet. Das Getriebe dient zur Übertragung oder – bei bevorzugten Weiterbildungen – zur Umsetzung des Axialhubs des Axialstellantriebs in einen Axialhub des Sperrorgans.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung umfasst das Getriebe eine Ausrückgabel, wobei die Ausrückgabel an einer ersten Position in Umlaufrichtung mit dem Axialstellantrieb, z. B. über eine Klaue gekoppelt ist, so dass der Axialstellantrieb die Ausrückgabel an der ersten Position in Axialrichtung bewegen kann. An einer zweiten Position gegenüberliegend zu der ersten Position ist die Ausrückgabel stationär abgestützt. Damit bildet die Ausrückgabel eine Wippeneinrichtung, wobei durch die zweite Position ein Schwenkpunkt definiert ist. Die Ausrückgabel überträgt den Axialhub von dem Axialstellantrieb auf das Sperrorgan.
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Bei einer möglichen Ausführungsform ist das Sperrorgan als eine Gegenverzahnung auf der Ausrückgabel ausgebildet, wobei die Gegenverzahnung vorzugsweise komplementär zu der Verzahnung auf dem Lauforgan ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform wird der Axialhub in einem 1:1-Verhältnis umgesetzt. Optional ist zwischen der Ausrückgabel und dem Sperrorgan der zuvor beschriebene Federspeicher angeordnet.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist das Sperrorgan als ein Sperrring ausgebildet, welcher eine oder die Gegenverzahnung aufweist. Der Sperrring wird durch das Getriebe in axialer Richtung verschoben, um von der Freigabestellung in die Sperrstellung überführt zu werden. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass der Sperrring in der Sperrstellung umlaufend an dem Lauforgan anliegt, so dass sich Verzahnung und Gegenverzahnung in einem 350° Bereich um die Rotationsachse formschlüssig verbinden können. Diese Ausgestaltung führt dazu, dass die benötigten Haltekräfte über einen weiten Bereich übertragen werden können, so dass die Gefahr einer Überlastung der Feststelleinrichtung verringert ist.
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Besonders bevorzugt ist der Sperrring auf der Ausrückgabel angeordnet bzw. wird durch diese in axialer Richtung bewegt. Hierfür ist der Sperrring in gegenüberliegenden Stellpositionen mit der Ausrückgabel verbunden, wobei die Stellpositionen zwischen den ersten und zweiten Positionen angeordnet sind. Vorzugsweise sind alle vier Positionen in einem 90° Abstand regelmäßig um die Rotationsachse verteilt. Durch einen Axialhub des Axialstellantriebs an der ersten wird ein Axialhub des Sperrrings mit halber Hubhöhe umgesetzt. Durch diese Umsetzung kann die Haltekraft des Axialstellantriebs vergrößert werden, um die Funktion der Feststelleinrichtung auch bei einem klein dimensionierten Stellmotor sicherzustellen, Ferner werden durch diese konstruktive Ausgestaltung Kippkräfte vermeiden und eine gleichmäßige Bewegung ermöglicht.
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Um ein Verkippen des Sperrrings zu unterbinden kann optional vorgesehen sein, dass der Sperrring gegenüber der stationären Umgebungskonstruktion, insbesondere gegenüber dem Gehäuse mit mehreren im Umfangsrichtung verteilten Federeinrichtungen abgestützt ist, die ein Verkanten des Sperrrings ausschließen.
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Optional ergänzend umfasst die elektrische Antriebsvorrichtung eine Sensorik zur Detektion der Sperrstellung bzw. der Freigabestellung des Sperrorgans.
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Durch die elektrische Antriebsvorrichtung mit der Feststelleinrichtung können in Abhängigkeit der Ausgestaltung eine Vielzahl von Vorteilen erreicht werden:
Die Feststelleinrichtung ist funktionssicher und benötigt aufgrund der Anordnung der Verzahnung auf einer axialen Stirnseite nur geringe Axialhübe und kann daher kurze Schaltzeiten von z. B. weniger als 300 ms zwischen der Freigabestellung der Sperrstellung erreichen. Der Bauraumbedarf ist gering, zugleich können aufgrund der formschlüssigen Kopplung von Sperrorgan und Lauforgan hohe Haltekräfte erzeugt werden. Die eigene Masse ist gering, da für das Sperrorgan und das Lauforgan leichte Kunststoffteile verwendet werden können, so dass keine unangenehmen Geräusche entstehen können. Alternativ können Sperr- und/oder Lauforgan aus einem metallischen Werkstoff gefertigt werden. Durch die feine Winkelteilung sind die Totwege gering und damit kann die Feststelleinrichtung in einer Vielzahl von Relativpositionen von Sperrorgan und Lauforgan aktiviert werden. Durch die bevorzugte selbsthemmende Bauweise des Axialstellantriebs ist die Feststelleinrichtung bistabil, da diese sowohl in der Sperrstellung als auch in der Freigabestellung stromlos selbsthaltend ist. Für die Feststelleinrichtung sind nur wenige Bauteile notwendig, so dass diese robust, zuverlässig und fehlerunanfällig ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Radnabenmotoreinheit als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Feststelleinrichtung der Radnabenmotoreinheit in der 1;
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3 eine Explosionsdarstellung der Feststelleinrichtung in der 2;
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4 eine Ausschnittvergrößerung des Axialstellantriebs in den 2 und 3.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine elektrische Antriebsvorrichtung in Form von einer Radnabenmotoreinheit 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Radnabenmotoreinheit 1 ist als ein Direktantrieb für ein Rad 2 eines Fahrzeugs ausgebildet. Das Rad 2 umfasst einen Reifen 3, der auf eine Felge 4 aufgezogen ist.
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Die Radnabenmotoreinheit 1 umfasst einen Elektromotor 5, welcher einen Rotor 6 und einen Stator 7 aufweist. Der Rotor 6 ist als ein Innenläufer ausgebildet und ist über eine Lagereinrichtung 8 auf einer Achse 9 gelagert. Der Rotor 6 ist drehfest mit der Felge und damit mit dem Rad 2 verbunden. Der Stator 7 ist über einen oder mehrere Gehäusedeckel 10 stationär befestigt. Insbesondere ist der Gehäusedeckel 10 mit der Achse 9 mittelbar oder unmittelbar verbunden. Im Betrieb rotiert der Rotor 6 gemeinsam mit dem Rad 2 relativ zu dem Stator 7 und dem Gehäusedeckel 10 um eine Rotationsachse 11.
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Für eine hohe Integrationsdichte sind der Rotor 6 und der Stator 7 in einem Bauraum innerhalb des Rads 2 angeordnet. Insbesondere überlappen Rotor 6 und/oder Stator 7 in Bezug auf die Rotationsachse 11 in radialer Richtung mit dem Rad 2, insbesondere mit dem Reifen 3 und/oder der Felge 4.
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In dem Übergangsbereich zwischen Rotor 6 und Stator 7 ist ein Bauraum 12 in Form eines umlaufenden Rings dargestellt, der in axialer Richtung von dem Rotor 6 und in radialer Richtung nach außen von dem Stator 7 begrenzt ist. Insbesondere überlappt der Bauraum 12 in axialer Richtung mit dem Rotor 6. In diesem Bauraum 12 sind einige Komponenten einer integrierten Feststelleinrichtung 13 angeordnet, die in den 2 und 3 gezeigt ist. Die 2 und 3 zeigen die Feststelleinrichtung 13 in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung bzw. in einer Explosionsdarstellung.
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Die Feststelleinrichtung 13 umfasst eine Lauforgan in Form eines Ringelements 14, Das Ringelement 14 ist aus einem z. B. thermoplastischen Kunststoff ausgebildet und umfasst einen Flanschabschnitt 15 und einen Rohrabschnitt 16. Der Flanschabschnitt 16 erstreckt sich in einer Radialebene senkrecht zu der Rotationsachse 11 und ist in dem Bauraum 12 angeordnet. Der Rohrabschnitt 16 ist in der Form eines geraden Hohlzylinders ausgebildet und ragt in den Rotor 6 hinein und ist mit diesem drehfest verbunden. Auf dem Flanschabschnitt 15 ist auf der axialen Stirnseite eine Verzahnung 17 eingebracht, insbesondere eingeformt. Die Verzahnung 17 ist von dem Rotor 6 abgewandt angeordnet. Die Verzahnung 17 ist umlaufend, insbesondere ununterbrochen ausgebildet, wobei die Zähne in radialer Richtung zu der Rotationsachse 11 verlaufend angeordnet sind. Insbesondere bildet die Verzahnung 17 einen Zahnkranz. Der Abstand der Zähne der Verzahnung 17 in Umlaufrichtung um die Rotationsachse 11 ist so gewählt, dass sich eine Winkelteilung in Umlaufrichtung zwischen 0,5° und 5° ergibt. Bei einem beispielhaften Durchmesser des Rads 2 von 600 mm ist somit bezogen auf den Laufweg des Rads 2 alle 2,6 mm bis 26 mm ein Zahn angeordnet.
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Ferner umfasst die Feststelleinrichtung 13 ein Sperrorgan in Form eines Sperrrings 18, welcher ebenfalls aus einem z. B. thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist. Der Sperrring 18 weist auf einer dem Ringelement 14 zugewandten axialen Stirnseite eine Gegenverzahnung 19 auf, welche komplementär zu der Verzahnung ausgebildet ist, so dass Verzahnung 17 und Gegenverzahnung 19 im Eingriff eine formschlüssige Verbindung in Bezug auf die Umlaufrichtung um die Rotationsachse 11 bilden. Der Sperrring 18 bzw. die Gegenverzahnung 19 ist bzw. sind in dem Bauraum 12 angeordnet.
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Wie sich aus der 3 am besten ergibt, ist der Sperrring 18 über eine Vielzahl von axial ausgerichteten Federn 20 axial verschieblich oder verschiebbar auf dem Gehäusedeckel 10 und somit relativ zu dem Stator 7 angeordnet ist. Die Federn 20 sind auf dem Gehäusedeckel 10 festgelegt, der Sperrring 18 weist eine korrespondierende Anzahl von axial ausgerichteten Führungen 21 auf. Der Sperrring 18 wird im Nabenbereich durch den Gehäusedeckel 10 in axialer Richtung geführt. Als Verdrehsicherung weist der Gehäusedeckel 10 eine oder mehrere Führungsnasen 34 auf, die in entsprechende Ausnehmungen im Durchgangsbereich des Sperrrings 18 eingreifen und den Sperrring 18 in Umlaufrichtung formschlüssig sichern. Durch die Anordnung ist sichergestellt, dass sich der Sperrring 18 nicht relativ zu dem Gehäusedeckel 10 und damit zu dem Stator 7 um die Rotationsachse 11 verdrehen kann. Sperrring 18 und Stator 7 sind somit zueinander drehfest und zugleich zueinander axial verschiebbar angeordnet.
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Funktionell betrachtet kann der Sperrring 18 eine Sperrstellung einnehmen, wobei die Verzahnung 17 und die Gegenverzahnung 19 in Eingriff stehen und somit eine formschlüssige Verbindung in Umlaufrichtung bilden. Nachdem der Sperrring 18 drehfest mit dem Stator 7 und das Ringelement 14 drehfest mit dem Rotor 6 verbunden ist, ist eine Relativdrehung von Rotor 6 und Stator 7 unterbunden. Nachdem Rotor 6 und Rad 2 miteinander drehfest verbunden sind, ist auch eine Drehung des Rads 2 unterbunden. Somit wirkt die Feststelleinrichtung 13 in Sperrstellung des Sperrrings 18 als Feststellbremse oder Parkbremse für das Rad 2 und somit für das Fahrzeug. Nimmt der Sperrring 18 dagegen eine Freigabestellung ein, so dass Verzahnung 17 und Gegenverzahnung 19 voneinander gelöst sind, können sich Rotor 6 und Stator 7 unabhängig von der Feststelleinrichtung 13 drehen und auch das Rad 2 ist freigegeben.
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Die Aktuierung des Sperrrings 18 von der Sperrstellung in die Freigabestellung und in Gegenrichtung wird durch eine Aktorik 22 umgesetzt. Die Aktorik 22 umfasst einen Axialstellantrieb 23 und eine Ausrückgabel 24. Der Axialstellantrieb 23 ist außermittig zu der Rotationsdrehachse 11 angeordnet und an dem Gehäusedeckel 10 befestigt. Wie sich insbesondere aus der 4 ergibt, die den Axialstellantrieb 23 in einem schematischen Längsschnitt zeigt, umfasst dieser einen Stellmotor 25, der eine Spindelmutter 26 antreibt. In der Spindelmutter 26 ist eine Spindel 27 geführt, die bei einer Drehung der Spindelmutter 26 in axialer Richtung bewegt wird. Das Gewinde der Spindelmutter 26 bzw. der Spindel 27 ist als ein selbsthemmendes Gewinde ausgebildet, welches z. B. als ein Trapezgewinde realisiert ist. An dem freien Ende der Spindel 27 ist eine Klaue 28 befestigt, die an einer ersten Position I an der Ausrückgabel 24 angreift (siehe 2).
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An einer gegenüberliegenden, zweiten Position II ist die Ausrückgabel 24 über eine Schwenkeinrichtung 29 schwenkbar an dem Gehäusedeckel 10 angelenkt. In axialer Draufsicht sind erste Position I und zweite Position II um 180° um die Rotationsachse 11 zueinander versetzt angeordnet. Durch eine Betätigung des Axialstellantriebs 23 wird somit die Klaue 28 in axialer Richtung verschoben und die Ausrückgabel 24 wie eine Wippe um die Schwenkeinrichtung 29 geschwenkt.
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An Stellpositionen III und IV, die zueinander um 180° und zu den ersten und zweiten Positionen I, II um 90° versetzt angeordnet sind, sind die Ausrückgabel 24 und der Sperrring 18 über Mitnahmebolzen 30 schwenkbar miteinander verbunden. Die Mitnahmebolzen 30 bilden gemeinsam eine Schwenkachse, die durch die Rotationsachse 11 verläuft und senkrecht zu dieser ausgerichtet ist.
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Bei einer Betätigung des Axialstellantriebs 23 wird die Klaue 28 um einen Axialhub in axialer Richtung verschoben. Dabei wird die Ausrückgabel 24 um die Schwenkeinrichtung 29 geschwenkt, so dass die Mitnahmebolzen 30 in axialer Richtung um ca. den halben Axialhub mitgenommen werden. Durch die Mitnahme der Mitnahmebolzen 30 wird der Sperrring 18 in axialer Richtung verschoben, sodass dessen Gegenverzahnung 19 in Eingriff mit der Verzahnung 17 kommt. Die Feststelleinrichtung 13 ist in der Sperrstellung. In gleicher Weise wird durch ein Verschieben der Klaue 28 in Gegenrichtung der Sperrring 18 von dem Ringelement 14 gelöst und die Feststelleinrichtung 13 gibt das Rad 2 frei. Der benötigte Axialhub der Klaue 28 beträgt beispielsweise 10 mm.
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Die Feststelleinrichtung 13 kann Sensoren 31 aufweisen, welche den Zustand der Ausrückgabel 24, also den Unterscheid Sperrstellung oder Freigabestellung detektieren und z. B. an eine Bordelektronik des Fahrzeugs weiterleiten können. Wie bereits erläutert ist der Axialstellantrieb 23 selbsthemmend ausgebildet, so dass dieser bistabil ist. Insbesondere muss sowohl bei der Sperrstellung als bei der Freigabestellung kein Strom für die Haltekräfte aufgewendet werden. In Sonderzuständen der Radnabenmotoreinheit 13, wie z. B. bei einem Stromausfall, kann es sich als notwendig erweisen, dass die Feststelleinrichtung manuell lösbar ist. Vor diesem Hintergrund weist der Stellmotor 25 eine Notschnittstelle 32 auf, die unter einer Kappe 33 angeordnet ist. Über die Notschnittstelle 32 kann mit einem speziell kodierten Schlüssel oder einem anderen Werkzeug der Stellmotor 25 gedreht werden und dadurch die Feststelleinrichtung 13 manuell von der Sperrstellung in die Freigabestellung überführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radnabenmotoreinheit
- 2
- Rad
- 3
- Reifen
- 4
- Felge
- 5
- Elektromotor
- 6
- Rotor
- 7
- Stator
- 8
- Lagereinrichtung
- 9
- Achse
- 10
- Gehäusedeckel
- 11
- Rotationsachse
- 12
- Bauraum
- 13
- Feststelleinrichtung
- 14
- Ringelement
- 15
- Flanschabschnitt
- 16
- Rohrabschnitt
- 17
- Verzahnung
- 18
- Sperrring
- 19
- Gegenverzahnung
- 20
- Feder
- 21
- Führungen
- 22
- Aktorik
- 23
- Axialstellantrieb
- 24
- Ausrückgabel
- 25
- Stellmotor
- 26
- Spindelmutter
- 27
- Spindel
- 28
- Klaue
- 29
- Schwenkeinrichtung
- 30
- Mitnahmebolzen
- 31
- Sensoren
- 32
- Notschnittstelle
- 33
- Kappe
- 34
- Führungsnasen
- I
- erste Position
- II
- zweite Position
- III
- Stellposition
- IV
- Stellposition
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010049601 A1 [0003]
