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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug aufweisend eine elektrische Antriebseinheit mit einem eine Rotorwelle umfassenden Elektromotor. Sie betrifft weiterhin eine entsprechende elektrische Antriebseinheit sowie einen Torsionstilger für eine derartige elektrische Antriebseinheit.
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Bei der Entwicklung eines Kraftfahrzeuges werden häufig große Anstrengungen unternommen, um sicherzustellen, dass die Komforteigenschaften des Kraftfahrzeuges den Ansprüchen potentieller Kunden genügen. Von Bedeutung ist dabei unter anderem, welche Vibrationen und welche Geräusche ein Nutzer des Kraftfahrzeuges im Betrieb wahrnimmt und wie diese auf ihn wirken. Aus diesem Grund werden in der Regel Schwingungen, die tendenziell als unangenehm empfunden werden und sich nicht vermeiden lassen, mit Hilfe von Dämpfungselementen gedämpft, so dass diese von einem Nutzer nicht oder zumindest in einem verringertem Maße wahrgenommen werden.
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So werden zum Beispiel bestimmte Schwingungen als störend empfunden, die durch die lineare und ungleichmäßige Bewegung der Kolben eines Verbrennungsmotors generiert werden. Um zu vermeiden, dass diese Schwingungen an weitere Bauteile und Baugruppen des Antriebsstranges, wie einem Schaltgetriebe, und schließlich auf die Karosserie übertragen werden, werden typischerweise als Dämpfungselemente sogenannte Zweimassenschwungräder eingesetzt, über die einerseits eine Drehmoment-Koppelung von Verbrennungsmotor und Schaltgetriebe erfolgt, die die Übertragung von Drehmomenten ermöglicht, und über die andererseits eine Vibrations-Entkoppelung von Verbrennungsmotor und Schaltgetriebe vorgenommen wird, so dass Vibrationen des Verbrennungsmotors nicht oder nur gedämpft an das Schaltgetriebe weitergegeben werden.
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Ein entsprechendes Zweimassenschwungrad besteht dabei im Wesentlichen aus zwei Schwungmassen, die um eine gemeinsame Rotationsachse rotierbar gelagert und über ein Federelement, meist über eine Spiralfeder, miteinander verbunden sind.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zur Verbesserung des Komforts in einem Kraftfahrzeug anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine elektrische Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 13 sowie durch einen Torsionstilger mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten. Die im Hinblick auf das Kraftfahrzeug und/oder auf die elektrische Antriebseinheit angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die elektrische Antriebseinheit und/oder auf den Torsionstilger übertragbar und umgekehrt.
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Ein entsprechendes Kraftfahrzeug weist dabei eine elektrische Antriebseinheit mit einem eine Rotorwelle umfassenden Elektromotor auf, wobei der Elektromotor bevorzugt nicht als einfacher Stellmotor ausgebildet ist und eingesetzt wird, sondern zur Generierung von Vortrieb genutzt wird und dementsprechend ausgelegt ist. Der Elektromotor dient somit bevorzugt als Ergänzung oder Ersatz für einen Verbrennungsmotor und dementsprechend zum Antreiben des Kraftfahrzeuges. Hierbei weist die elektrische Antriebseinheit einen Torsionstilger oder Drehschwingungstilger zur Tilgung einer Resonanzfrequenz der elektrischen Antriebseinheit und insbesondere des Elektromotors auf, der an der Rotorwelle des Elektromotors angeordnet ist und eine Tilgermasse aufweist, welche über zumindest ein Federelement mittelbar oder unmittelbar mit der Rotorwelle verbunden ist.
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Mit Hilfe eines entsprechenden Torsionstilgers lassen sich gezielt Eigenfrequenzen aus einem Eigenfrequenzspektrum einer elektrischen Antriebseinheit entfernen, die ansonsten im Betrieb der elektrischen Antriebseinheit zum Auftreten störender Vibrationen oder störender Geräusche führen würden. Infolgedessen ist dann unter anderem der Komfort eines Kraftfahrzeuges mit einer entsprechenden elektrischen Antriebseinheit erhöht. Außerdem lässt sich durch das Tilgen bestimmter Eigenfrequenzen oder Resonanzfrequenzen die Lebenserwartung diverser Bauteile der elektrischen Antriebseinheit und diverser Bauteile im Umfeld der elektrischen Antriebseinheit erhöhen.
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Der Torsionstilger ist dabei typischerweise nicht als klassischer Dämpfer oder als einfaches Dämpferelement ausgebildet und ist dementsprechend auch nicht als Koppelungselement zwischen zwei Objekten oder Körpern angeordnet. Stattdessen ist der Torsionstilger als Tilger im eigentlichen Sinne ausgelegt und dementsprechend an einem Objekt, nämlich der Rotorwelle, angeordnet. Der Torsionstilger dient somit zur gezielten Manipulation des Eigenfrequenzspektrums einer rotierenden Baugruppe der elektrischen Antriebseinheit, zu der die Rotorwelle und der Torsionstilger gehören. Hierbei ist Torsionstilger auf eine Eigenfrequenz, die zuvor genannte Resonanzfrequenz, abgestimmt, die charakteristisch für die rotierende Baugruppe ohne den Torsionstilger ist, also insbesondere für die Rotorwelle oder die Rotorwelle mitsamt einem Rotor des Elektromotors. Diese Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz ist dann im Eigenfrequenzspektrum der rotierenden Baugruppe mit dem Torsionstilger nicht enthalten und damit aus dem Eigenfrequenzspektrum getilgt.
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Weiter ist der Torsionstilger bevorzugt als passiver Torsionstilger ausgebildet und dementsprechend bietet der Torsionstilger oder Drehschwingungstilger keine Möglichkeit die Tilgermasse durch eine aktive Ansteuerung zu verlagern, die wirksame Masse der Tilgermasse gesteuert zu verändern oder die Eigenschaften des zumindest einen Federelements durch gezielte Ansteuerung zu verändern.
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Zudem ist die Tilgermasse bevorzugt als freie Tilgermasse ausgebildet, die lediglich über das zumindest eine Federelement oder über eine Anzahl von Federelementen mit einem Bauteil verbunden ist, ansonsten jedoch keinerlei Verbindung oder Kontakt zu anderen Bauteilen aufweist.
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Des Weiteren ist der Torsionstilger, wie bereits dargelegt, auf eine Resonanzfrequenz der Eigenfrequenz einer im Betrieb rotierenden und somit rotierbar gelagerten Baugruppe abgestimmt, wobei diese Baugruppe durch die Rotorwelle, die Rotorwelle mitsamt dem Rotor des Elektromotors und in einigen Fällen weiteren Bauteilen, wie zum Beispiel einer Getriebeeingangswelle, ausgebildet ist, jedoch stets ohne Berücksichtigung des Torsionstilgers selbst. Der Einfachheit halber wird nachfolgend allerdings stets lediglich von der Rotorwelle gesprochen, die quasi stellvertretend für diese rotierbar gelagerte Baugruppe genannt wird.
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Einer bevorzugten Ausgestaltung entsprechend ist das zumindest eine Federelement weiter als Federbalken und insbesondere als Biegebalken ausgebildet. Auf diese Weise ist das Federelement relativ einfach gehalten, was insbesondere auch die Vorgabe konkreter Federeigenschaften erleichtert.
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Weiter ist das zumindest eine Federelement bevorzugt derart gestaltet, dass dieses in einer Richtung quer zur Rotationsachse der Rotorwelle sehr steif ist und sich dementsprechend unter den im Betrieb typischerweise auftretenden Zugbelastungen quer zur Rotationsachse im Wesentlichen nicht verformt. Zudem bevorzugt ist das zumindest eine Federelement so ausgelegt, dass dieses in einer Richtung parallel zur Rotorwelle sehr steif ist und sich somit typischerweise auch nicht in einer Richtung parallel zur Rotorwelle verformt oder verbiegt.
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Derartige Eigenschaften lassen sich zum Beispiel durch eine geeignete Auswahl geometrischer Abmessungen für das zumindest eine Federelement vorgeben.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn das zumindest eine Federelement aus Metall gefertigt ist. Dabei ist weiter bevorzugt der gesamte Torsionstilger aus Metall gefertigt.
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Günstig ist es außerdem, wenn die zu tilgende Resonanzfrequenz in einem Bereich zwischen 500 Hz und 10 kHz und insbesondere zwischen 1 kHz und 3 kHz liegt, also beispielsweise etwa 2 kHz beträgt.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist dabei der Torsionstilger als einteiliges und einstückiges Bauteil ausgebildet, welches beispielsweise aus einem Werkstoffblock und insbesondere aus einem Metallblock herausgefräst ist. Alternativ wird der Torsionstilger durch Gießen oder Spritzgießen hergestellt oder aber aus mehreren Einzelteilen zusammengebaut.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist der Torsionstilger Teil einer einstückigen Baueinheit, die die Rotorwelle und den Torsionstilger umfasst und ggf. auch den Rotor des Elektromotors.
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Alternativ weist der Torsionstilger ein Befestigungsteil zur Befestigung an der Rotorwelle auf, welches über das zumindest eine Federelement mit der Tilgermasse verbunden ist und beispielsweise durch Presssitz, Verschraubung, Verklebung oder Verschweißung an der Rotorwelle fixiert wird. In diesem Fall weist der Torsionstilger somit typischerweise zwei um eine gemeinsame Rotationsachse angeordnete geometrische Grundkörper auf, die über das zumindest eine Federelement miteinander verbunden sind. Dabei ist ein geometrischer Grundkörper, nämlich das Befestigungsteil, als bezogen auf die Rotationsachse innenliegender Grundkörper ausgebildet, wohingegen der andere Grundkörper, nämlich die Tilgermasse, als außenliegender Grundkörper ausgestaltet ist. Infolgedessen umhüllt dann also quasi die Tilgermasse das Befestigungsteil.
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Weiter weist das Befestigungsteil zweckdienlicherweise eine Hülsenform auf und ist insbesondere nach Art einer Steckhülse ausgebildet. Je nach Ausführungsvariante ist das Befestigungsteil zudem mit einer Verzahnung versehen, über die das Befestigungsteil im montierten Zustand mit der Rotorwelle verbunden ist.
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Auch die Tilgermasse ist bevorzugt hülsenartig gestaltet, wobei diese in einigen Fällen mehrere entlang der Rotationsachse aneinandergereihte jeweils hülsenförmige Abschnitte aufweist, die sich hinsichtlich ihrer radialen Ausdehnung unterscheiden. Auf diese Weise lässt sich die Tilgermasse beispielsweise an einen vorhandenen Bauraum anpassen.
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Einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend weist die Tilgermasse innenseitig, also auf der der Rotationsachse zugewandten Seite, eine Aussparung auf, in das zumindest eine Federelement eingreift. Das zumindest eine Federelement ist dann quasi am Boden der Aussparung angeformt und auf diese Weise mit der Tilgermasse verbunden. Sind mehrere solche Federelemente vorgesehen, so weist die Tilgermasse weiter bevorzugt für jedes Federelement eine Aussparung auf, in die dann dementsprechend jeweils ein Federelement nach diesem Prinzip eingreift.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn das zumindest eine Federelement radial vom Befestigungsteil oder der Rotorwelle absteht, also insbesondere als radial abstehender Federbalken ausgebildet ist. Dieser verbiegt sich dann bei einer Verdrehung von Tilgermasse zu Befestigungsteil um die Rotationsachse in oder entgegen einer Umfangsrichtung. Infolge der radialen Ausrichtung ist dabei keine Vorzugsrichtung oder Vorzugsorientierung gegeben und die Eigenschaften des Federelements sind unabhängig davon, ob dieses in oder entgegen der Umfangsrichtung ausgelenkt oder verbogen wird.
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Bevorzugt weist der Torsionstilger zudem mehrere oder insbesondere drei Federelement auf, die insbesondere nach Art nach einer Gleichteilung über den Umfang verteilt angeordnet sind. All diese Federelemente sind bevorzugt gleichartig ausgestaltet und insbesondere als Federbalken ausgebildet, die radial vom Befestigungsteil oder der Rotorwelle abstehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante weist die elektrische Antriebseinheit mehrere Torsionstilger auf, die zur Tilgung einer Resonanzfrequenz des Elektromotors zusammenwirken und/oder zur Tilgung mehrerer Resonanzfrequenzen des Elektromotors eingesetzt werden. Die Torsionstilger sind dabei insbesondere räumlich voneinander beabstandet, also zum Beispiel entlang einer gemeinsamen Rotationsachse oder entlang einer gemeinsamen Welle verteilt angeordnet. Von Vorteil ist dabei insbesondere eine Ausführung, bei der an jedem Ende der Rotorwelle ein Torsionstilger positioniert ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
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1 in einer ersten perspektivischen Ansicht einen Torsionstilger,
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2 in einer zweiten perspektivischen Ansicht den Torsionstilger,
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3 in einer dritten perspektivischen Ansicht den Torsionstilger,
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4 in einer Ansicht von hinten den Torsionstilger,
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5 in einer Ansicht von vorn den Torsionstilger,
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6 in einer Seitenansicht den Torsionstilger,
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7 in einem Längsschnitt den Torsionstilger,
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8 in einem Querschnitt den Torsionstilger sowie
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9 in einem Blockschaltbild ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinheit aufweisend den Torsionstilger.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein nachfolgend exemplarisch beschriebenes und in 9 skizziertes Kraftfahrzeug 2 weist zur Generierung von Vortrieb eine elektrische Antriebseinheit 4 auf, die im Betrieb ein Drehmoment an ein Getriebe 6, beispielsweise ein Übersetzungsgetriebe oder ein Schaltgetriebe, überträgt. Die elektrische Antriebseinheit 4 umfasst dabei einen Elektromotor 8 mit einem nicht näher dargestellten Rotor sowie eine Rotorwelle 10, die zwischen dem Rotor und dem Getriebe 6 zwischengeschaltet ist.
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Teil der elektrischen Antriebseinheit 4 ist weiterhin ein Torsionstilger 12, der als einstückiges Bauteil aus Metall gefertigt und an der Rotorwelle 10 befestigt ist. Der Torsionstilger 12 rotiert somit im Betrieb des Elektromotors 8 zusammen mit der Rotorwelle 10 und dem Rotor des Elektromotors 8 um eine gemeinsame Rotationsachse 14, so dass der Rotor, die Rotorwelle 10 sowie der Torsionstilger 12 gemeinsam eine rotierende Baugruppe ausbilden, deren Eigenfrequenzspektrum durch den Torsionstilger 12 manipuliert und somit konstruktiv vorgegeben ist.
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Hierbei weist der Torsionstilger 12 eine Tilgermasse 16 auf, die im Ausführungsbeispiel gemäß 1 über drei als Federbalken 18 ausgebildete Federelemente mit einem Befestigungsteil 20 verbunden ist. Jenes Befestigungsteil 20 dient dabei zur Befestigung des Torsionstilgers 12 an der Rotorwelle 10 und ist hierfür als Steckhülse mit einer inneren, der Rotationsachse 14 zugewandten, Verzahnung 22 ausgebildet.
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Zur Befestigung des Befestigungsteils 20 wird dieses dementsprechend auf die Rotorwelle 10 aufgesteckt und entlang der Rotationsachse 14 verschoben, bis die Verzahnung 22 des Befestigungsteils 20 in eine komplementär ausgebildete nicht dargestellte Verzahnung an der Rotorwelle 10 greift. Über die dabei ausgebildete Zahnradverbindung ist der Torsionstilger 12 dann drehfest mit der Rotorwelle 10 verbunden. Zudem wird mittels der Verzahnungen ein Presssitz ausgebildet, durch den der Torsionstilger 12 in seiner Relativposition zur Rotorwelle 10 gehalten wird und sich somit nicht mehr entlang der Rotationsachse 14 bewegen kann.
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Einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsvariante entsprechend wird der Torsionstilger 12 und insbesondere das Befestigungsteil 20 zudem genutzt, um zwei Wellen, nämlich die Rotorwelle 10 sowie eine weitere Welle, beispielsweise eine Getriebeeingangswelle, miteinander zu verbinden. In diesem Fall liegen die beiden Wellen stirnseitig aneinander und sind koaxial angeordnet. Der Torsionstilger 12 und somit das Befestigungsteil 20 ist dann quasi an der Schnittstelle angeordnet und mit jeder Welle über eine Zahnradverbindung verbunden. Die beiden Zahnradverbindungen werden dabei ausgebildet zwischen der Verzahnung 22 des Befestigungsteils 20 und komplementär ausgebildeten Verzahnungen an den beiden Wellen.
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Außenseitig an dem Befestigungsteil 20 sind die drei Federbalken 18 positioniert, die nach Art einer Gleichteilung über den Umfang des Befestigungsteils 20 verteilt sind. Die Federbalken 18 stehen dabei radial vom Befestigungsteil 20 ab und greifen in Aussparungen 24 auf der Innenseite der Tilgermasse 16 ein. Hierbei sind die Federbalken 18 einerseits außenseitig am Befestigungsteil 20 angeformt und andererseits innenseitig an der Tilgermasse 16 im Bereich des Bodens der Aussparungen 24. Dies geht insbesondere aus der Darstellung 8 hervor. Mit Hilfe der Aussparungen 24 sind somit quasi freistehende Federbalken 18 realisiert, die lediglich endseitig an der Tilgermasse 16 einerseits und am Befestigungsteil 20 andererseits befestigt sind. Dazwischen sind sie rundherum von einem Freiraum umgeben.
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Die Federbalken 18 sind zudem als Biegebalken ausgebildet, die sich unter normalen Betriebsbedingungen lediglich in oder entgegen einer Umfangsrichtung verbiegen. In einer Richtung parallel zur Rotationsachse findet typischerweise keine Verformung oder Verbiegung statt. Diese Vorgabe wird dabei im Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Federbalken 18 in Richtung parallel zur Rotationsachse 14 eine Ausdehnung aufweisen, die etwa vier- bis fünfmal so stark ist, wie die Ausdehnung in Umfangsrichtung.
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Die Tilgermasse 16 weist so wie das Befestigungsteil 20 eine Hülsenform auf, die sich aus drei entlang der Rotationsachse 14 aneinandergereihte hülsenförmigen Abschnitten mit unterschiedlicher radialer Ausdehnung zusammensetzt. Dies geht im Besonderen aus der Darstellung 7 hervor.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Elektrische Antriebseinheit
- 6
- Getriebe
- 8
- Elektromotor
- 10
- Rotorwelle
- 12
- Torsionstilger
- 14
- Rotationsachse
- 16
- Tilgermasse
- 18
- Federbalken
- 20
- Befestigungsteil
- 22
- Verzahnung
- 24
- Aussparung.
