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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine, die einen Stator und einen Rotor aufweist, mit einem Planetenradgetriebe, das eine Abtriebswelle aufweist, wobei der Rotor der elektrischen Maschine als ein Hohlrad ausgebildet und das Planetenradgetriebe in dem Hohlrad angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Antriebseinrichtungen der Eingang genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. In modernen Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, werden immer häufiger elektrische Maschinen zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und/oder als Stelleinrichtung für Funktionseinheiten des Fahrzeugs verwendet. Dabei steigen die Ansprüche an die Leistungsfähigkeit sowie die Bauraumoptimierung stetig.
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In der Offenlegungsschrift
EP 2 073 358 A2 wurde bereits ein kompakter Stellantrieb vorgeschlagen, der ein Planetenradgetriebe aufweist, in welches eine elektrische Maschine integriert ausgebildet ist. Dabei wird ein Hohlrad des Planetenradgetriebes von einem Rotor der elektrischen Maschine gebildet. Hieraus ergibt sich eine kompakte Bauweise, die eine gewünschte Über- oder Untersetzung von Drehzahl/Drehmoment der elektrischen Maschine auf eine Abtriebswelle des Planetenradgetriebes erlaubt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber der bekannten Lösung den Vorteil, dass das Planetenradgetriebe nicht auf ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis beschränkt ist. Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Planetenradgetriebe als Nabenschaltung ausgebildet ist. Dabei handelt es sich bei dem Planetenradgetriebe um ein schaltbares Planetenradgetriebe, dessen Übersetzungsverhältnis veränderbar ist. Dadurch wird der Anwendungsbereich der Antriebseinrichtung erweitert. Insbesondere wird es durch die Nabenschaltung ermöglicht, dass die Antriebseinrichtung stets in einem für den Anwendungsfall optimalen Leistungsbereich arbeitet, wodurch auch der Energieverbrauch der elektrischen Maschine optimiert wird. Unter einem Planetenradgetriebe ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung allgemein ein Umlaufrädergetriebe zu verstehen, das wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Getriebewellen besitzt, die selbst auf einer Kreisbahn um die Achse eines Sonnenrads oder Hohlrads umlaufen. Dabei kann das Planetenradgetriebe auch ohne Hohlrad oder Sonnenrad ausgebildet sein. Der als Hohlrad ausgebildete Rotor der elektrischen Maschine weist gemäß einer ersten Ausführungsform bevorzugt an seiner Innenseite eine Verzahnung auf, um einen Bestandteil des Planetenradgetriebes zu bilden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Hohlrad der elektrischen Maschine kein Hohlrad des Planetenradgetriebes, sondern weist ein innen liegendes Sonnenrad auf, das ein Sonnenrad des Planetenradgetriebes bildet. Das Sonnenrad ist zweckmäßigerweise einstückig mit dem Rotor ausgebildet und erstreckt sich axial zweckmäßigerweise über einen kürzeren Bereich als der Rotor.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nabenschaltung wenigstens zwei Schaltstufen aufweist. Die Schaltstufen zeichnen sich dadurch aus, dass sie unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse, übersetzend oder untersetzend, aufweisen. Dadurch kann beispielsweise bei gleich bleibender Drehzahl der elektrischen Maschine an der Abtriebswelle von einem drehmomenthohen Betrieb mit niedriger Drehzahl in einen drehmomentniedrigen Betrieb mit hoher Drehzahl gewechselt werden. Durch die Ausbildung der Nabenschaltung in wenigstens zwei Schaltstufen zeichnet sich die Nabenschaltung dadurch aus, dass das Übersetzungsverhältnis stufenartig veränderbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nabenschaltung als stufenlose Nabenschaltung ausgebildet ist. Eine derartige stufenlose Nabenschaltung lässt sich beispielsweise durch ein Planetenradgetriebe bilden, das anstelle von Zahnrädern Kugeln aufweist, die zwischen Sonnenrad und Hohlrad abrollen. Durch Kippen von Drehachsen der Kugeln im Verhältnis zu seitlich angeordneten Scheiben wird das Übersetzungsverhältnis stufenlos variiert. Derartige Nabengetriebe sind unter dem Namen NuVinci-Getriebe bekannt geworden. Durch eine derartige, stufenlos verstellbare Nabenschaltung lässt sich der Anwendungsbereich der Nabenschaltung erweitern.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor als Innenläuferrotor ausgebildet ist und mehrere Magnetelemente über seinen Umfang verteilt, insbesondere gleichmäßig über seinen Umfang verteilt, aufweist. Eine zum Betreiben der elektrischen Maschine notwendige und ansteuerbare Wicklung ist an einem Stator gehäusefest vorgesehen. Vorzugsweise weist der Rotor die Magnetelemente entsprechend an seiner Mantelaußenumfangsseite auf, während an seiner Innenseite das Hohlrad, gegebenenfalls mit einer Verzahnung, ausgebildet ist.
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Bevorzugt weist das Planetenradgetriebe mindestens ein, insbesondere wenigstens zwei Planetenradsätze auf. Durch die Anzahl der Planetenradsätze lässt sich die Variabilität des Übersetzungsverhältnisses der Antriebseinrichtung weiter beeinflussen. Insbesondere wird durch Hinzufügen weiterer Planetenradsätze die Anzahl der Schaltstufen bei der mit Schaltstufen ausgebildeten Nabenschaltung erhöht. So ist es denkbar, mehrere Planetenradsätze axial hintereinander anzuordnen. Durch eine Betätigungseinrichtung, die zum Verändern des Übersetzungsverhältnisses beziehungsweise zum Verändern der eingestellten Schaltstufe ausgebildet ist, kann dann zwischen den Planetenradsätzen gewechselt beziehungsweise es können die Planetenradsätze und/oder jeweils vorgesehene Hohlräder in ihrer Bewegungsfreiheit beeinflusst werden.
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Vorzugsweise weist das Planetenradgetriebe wenigstens ein weiteres Hohlrad auf. Bildet der Rotor der elektrischen Maschine das (erste) Hohlrad des Planetenradgetriebes, wie zuvor erwähnt, so weist das Planetenradgetriebe bereits ein eigenes Hohlrad auf. Durch das Vorsehen mindestens eines weiteren (zweiten) Hohlrads lässt sich die Variabilität der Schaltstufen beziehungsweise des Übersetzungsverhältnisses weiter erhöhen. Bildet der Rotor der elektrischen Maschine ein Hohlrad, das nicht Bestandteil beziehungsweise wirkender Bestandteil des Planetenradgetriebes ist, sondern ein Sonnenrad, so kann auch hier das Vorsehen eines weiteren Hohlrads für das Planetenradgetriebe die Variabilität der Schaltstufen entsprechend erweitert werden.
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Besonders bevorzugt ist das wenigstens eine weitere Hohlrad gehäusefest unverdrehbar angeordnet und/oder ausgebildet. Das weitere Hohlrad wird insbesondere von einem Gehäuse oder einem die Antriebseinrichtung tragenden Element gebildet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das weitere Hohlrad von einem separaten Bauteil gebildet wird, das an das die Einrichtung tragende Element beziehungsweise an dem Gehäuse befestigbar ist. Besonders bevorzugt weist das weitere Hohlrad einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Rotors, wobei das weitere Hohlrad zumindest bereichsweise – axial gesehen – in den Rotor der elektrischen Maschine hineinragt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei weitere Hohlräder vorgesehen sind, von denen das eine wie oben beschrieben ausgebildet ist und das andere (dritte) Hohlrad drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist. Vorteilhafterweise weist das andere Hohlrad einen kleineren Durchmesser als das eine weitere Hohlrad auf und ist innerhalb des einen weiteren Hohlrads angeordnet. In dem Fall, in welchem der Rotor der elektrischen Maschine das Sonnenrad bildet, sind das eine und das andere weitere Hohlrad die einzigen Hohlräder der Nabenschaltung.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Planetenradgetriebe wenigstens eine betätigbare Kupplung aufweist. Die Kupplung ist vorteilhafterweise als mechanische, elektromechanische, hydraulisch oder pneumatisch betätigbare Kupplung ausgebildet. Mittels der Kupplung lässt sich der Kraftfluss beispielsweise von einem Planetenradsatz zum nächsten unterbrechen oder herstellen, um das Übersetzungsverhältnis der Nabenschaltung weiter zu beeinflussen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit der Abtriebswelle ein Antriebsrad, insbesondere ein Kraftfahrzeugrad, das eine Radfelge und einen auf der Radfelge angeordneten Reifen aufweist, drehfest verbunden ist. Insgesamt ist somit die Antriebseinrichtung als eine Radnabenmaschine mit integrierter Nabenschaltung ausgebildet. Ein Kraftfahrzeug kann ein oder mehrere derartiger Radnabenmaschinen aufweisen, die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und/oder zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Antriebseinrichtung führt zu einer besonders kompakten Bauweise, die aufgrund der Nabenschaltung einen optimalen Betrieb der elektrischen Maschine bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen und/oder Drehmomentanforderungen ermöglicht.
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Vorzugsweise sind dazu die elektrische Maschine und die Nabenschaltung innerhalb der Radfelge angeordnet. Dadurch ergibt sich – in axialer Richtung gesehen – eine besonders kurz bauende Antriebseinrichtung, die in das Fahrzeugrad des Kraftfahrzeugs integrierbar beziehungsweise integriert ist.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Radnabenmaschine,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Radnabenmaschine und
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Radnabenmaschine, jeweils in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung.
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1 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung eine Antriebseinrichtung 1 für ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist ein Trägerelement 2 auf, das beispielsweise von einer Radaufhängung des Kraftfahrzeugs gebildet wird. Das Trägerelement 2 weist einen nach außen weisenden Lagerzapfen 3 sowie eine koaxial zu dem Lagerzapfen 3 angeordnete Zylinderwand 4 auf. Innerhalb der Zylinderwand 4 sind eine elektrische Maschine 5 sowie eine Nabenschaltung 6 angeordnet, wobei die Nabenschaltung 6 ein Planetenradgetriebe 7 aufweist, dessen Abtriebswelle 8 drehfest mit einer Radfelge 9 verbunden ist, an deren Mantelaußenseite ein Reifen 10 angeordnet ist, der in Kontakt mit einer Fahrbahn 11 steht.
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Das Planetenradgetriebe 7 weist ein Hohlrad 12 auf, das durch ein Wälzkörperlager 13 drehbar auf dem Lagerzapfen 3 angeordnet ist. Das Hohlrad 12 weist über seinen Außenumfang verteilt mehrere Magnetelemente 14 auf, die als Permanentmagnete ausgebildet sind. An der Innenseite der Zylinderwand 4 ist ein Stator 15 mit einer Wicklung dem Hohlrad 12 gegenüberliegend angeordnet. Das Hohlrad 12 mit den daran befindlichen Magnetelementen 14 bildet ein mit dem Stator 15 zusammenwirkenden Rotor 16 der elektrischen Maschine 5.
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Das Hohlrad 12 weist auf seiner Innenseite eine Verzahnung 17 auf, die mit einem ersten Planetenradsatz 18 kämmend in Eingriff steht. Der Planetenradsatz 18 weist mehrere Planetenräder 19 auf, die mit einem auf dem Lagerzapfen 3 fest angeordneten Sonnenrad 20 kämmen. Die Planetenräder 19 des Planetenradsatzes 18 sind an einem Planetenradträger 21 insbesondere wälzkörpergelagert gehalten, der eine Innenverzahnung 22 aufweist.
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Axial beabstandet zu dem Planetenradträger 21 ist ein weiteres Zahnrad 23 vorgesehen, das außen mit der Verzahnung 17 des Hohlrads 12 zusammenwirkt und ebenfalls eine Innenverzahnung 24 aufweist.
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Die Abtriebswelle 8 ist als Hohlwelle ausgebildet und auf den Lagerzapfen 3 axial aufgeschoben, wobei zwischen der Abtriebswelle 8 und dem Lagerzapfen 3 Wälzkörperlager zur reibungsarmen Lagerung vorgesehen sind. Die Hohlwelle 8 weist in ihrer Mantelwand Schlitze beziehungsweise durchgehende Nuten 25 auf, die sich axial parallel zueinander erstrecken. In den Nuten sind Radialvorsprünge eines Mitnahmerads 26 angeordnet, die insbesondere zahnradsegmentförmig ausgebildet sind, um mit den Verzahnungen 22 oder 24 zu kämmen. Die Mitnahmeelemente des Mitnahmerads 26 ragen durch die Schlitze radial nach außen, um in Eingriff mit den Verzahnungen 22, 24 gelangen zu können. Das Mitnahmerad 26 ist dabei längsverschieblich gelagert, um zwischen den Verzahnungen 22 und 24 zu wechseln. Das Mitnahmerad 26 ist dazu auf einem axial verlagerbaren Stößel 27 angeordnet, der T-förmig ausgebildet ist, und in dem Lagerzapfen 3 koaxial geführt ist. Der Lagerzapfen 3 weist dabei Aussparungen auf, durch welche der Stößel 27 oder die Mitnahmeelemente des Mitnahmerads 26 radial den Lagerzapfen 3 nach außen durchgreift. Durch ein axiales Verschieben des Stößels 27, wie durch einen Doppelpfeil 28 angedeutet, lassen sich die Mitnahmeelemente außer Eingriff mit der Innenverzahnung 22 und in Eingriff mit der Innenverzahnung 24 bringen. Durch das Verschieben des Stößels 27 wird damit das Übersetzungsverhältnis des Planetenradgetriebes 7 verändert.
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Insgesamt wird somit durch die beschriebene Antriebseinrichtung 1 eine Radnabenmaschine 37 geboten, die eine integrierte Nabenschaltung 6 aufweist. Dadurch lässt sich die elektrische Maschine 5 stets in einem optimalen Leistungsbereich betreiben, da die Schaltstufen der Nabenschaltung 6 die Drehzahl des Rotors 16 unter- oder übersetzen können. Durch die Nabenschaltung 6 kann die elektrische Maschine im optimalen Arbeitsbereich und dadurch wirtschaftlicher arbeiten. Es ergeben sich insbesondere Energieeinsparungspotentiale. Durch die kompakte Bauweise wird darüber hinaus eine optimierte Bauraumausnutzung erreicht. Die Anordnung an dem Trägerelement 2 ermöglicht darüber hinaus eine universell einsetzbare Einarmaufhängung, die nicht nur bei Personenkraftfahrzeugen, sondern beispielsweise zwei Zweirädern oder dergleichen zur Anwendung kommen kann. Dabei kann die Antriebseinrichtung 1 auch generatorisch betrieben werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Vorzugsweise erfasst die Ansteuerung der elektrischen Maschine 5 eine ABS-Funktion (ABS = Antiblockiersystem). Durch Vorgeben eines entsprechenden negativen beziehungsweise generatorischen Drehmoments lässt sich die elektrische Maschine 5 auch als Bremse für das Fahrzeug nutzen. Weist das Kraftfahrzeug auch ein Bremssystem mit einer dem in 1 dargestellten Rad zugeordneten mechanischen Bremseinrichtung auf, so wird diese bevorzugt von der Motorregelung der Antriebseinrichtung 1 mit gesteuert.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Antriebseinrichtung 1. Aus 1 bereits bekannte Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Die Antriebseinrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich im Wesentlichen von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dahingehend, dass das Hohlrad 12 nicht mehr ein Hohlrad des Planetenradgetriebes 7, sondern ein Sonnenrad 29 bildet, das mit dem ersten Planetenradsatz 18 kämmt. Die Planetenräder 19 sind dabei durch den Planetenradträger 21, der auch weiterhin drehfest auf dem Lagerzapfen 3 angeordnet ist, mit drei weiteren Planetenradsätzen 30, 31 und 32 drehfest verbunden, die unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse bewirken, wie in 2 gezeigt. Je nach Schaltstellung des Stößels 27 werden die Mitnahmeelemente 26 mit einem der drei Planetenradsätze 30, 31 oder 32 in kämmende Verbindung gebracht. Dadurch ergeben sich für die Antriebswelle 8 bei einer gleichbleibenden Drehzahl der elektrischen Maschine 5 entsprechend unterschiedliche Drehmomente und Drehzahlen.
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Das Planetenradgetriebe 7 weist außerdem ein weiteres Hohlrad 33 auf, das einerseits mit den Planetenrädern des Planetenradsatzes 32 kämmt, und andererseits mit den Mitnahmeelementen 26 des Stößels 27 durch eine weitere Verlagerung des Stößels 27 in Wirkverbindung bringbar ist. Das Hohlrad 33 überfängt dabei die Planetenräder des Planetenradsatzes 32, so dass dieses mit einer Innenverzahnung des Hohlrads 33 in Eingriff stehen. Der Stößel 27 lässt sich somit auf vier verschiedene Positionen verfahren, in welchen unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse eingestellt werden. Die dadurch realisierte Nabenschaltung 6 weist somit vier Schaltstufen auf.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Antriebseinrichtung 1, das eine Weiterbildung des zweiten Ausführungsbeispiels darstellt, wobei aus der 2 bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist ein zusätzliches Hohlrad 34 vorgesehen, dass gehäusefest mit dem Trägerelement 2 verbunden ist. Das Hohlrad 34 ragt dabei zwischen dem Hohlrad 12 des Rotors 16 und den Planetenradsätzen 30, 31, 32 in das Getriebe 7 axial hinein. Dabei weist das Hohlrad 34 an seiner Innenseite eine Innenverzahnung 35 auf, die mit den Planetenrädern des Planetenradsatzes 30, die von den drei Planetenradsätzen 30, 31, 32 den größten Durchmesser aufweisen, zusammen.
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Das Hohlrad 34 wird dabei von einem scheibenförmigen Deckelelement 36 gebildet, das auf die freie Stirnseite der Zylinderwand 4 aufgebracht und drehfest mit dieser verbunden ist. Wird gemäß einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, eine Kupplung vorgesehen, die beispielsweise zwischen dem Hohlrad 34 und Planetenradsatz 30 wirkt, lassen sich weitere Schaltstufen in das Getriebe 7 integrieren.
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Gemäß einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, ist die Nabenschaltung 6 als stufenlose Nabenschaltung, insbesondere in der Art eines NoVinci-Getriebes ausgebildet.
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Die elektrische Maschine 5 ist vorzugsweise eine Synchronmaschine, wobei die Nabenschaltung 6 die Rotordrehzahl je nach Auslegung unter- und/oder übersetzen kann. Die Regelung der Nabenschaltung 6 erfolgt bevorzugt ganz oder teilweise in und/oder an der elektrischen Maschine 5. Die Regelung kann auch extern erfolgen. Insbesondere ist es denkbar, eine Steuerung zur Regelung vorzusehen, die nicht nur eine Antriebseinrichtung 1, sondern mehrere der Antriebseinrichtung 1 an einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, regelt. Es ist auch vorstellbar, dass die Regelung – wie bereits erwähnt – andere Funktionen, wie beispielsweise eine ABS-Funktion, eine ESP-Funktion (ESP = Elektronisches Stabilitätsprogramm) oder eine Kühlung der elektrischen Maschine 15 wahrnimmt beziehungsweise durchführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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