DE102017103399A1

DE102017103399A1 - Achsantriebseinheit mit Bremsanlage, Antriebsachse und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017103399A1
Application number: DE102017103399.8A
Authority: DE
Inventors: Philipp Matt
Original assignee: ThyssenKrupp AG
Current assignee: Jheeco eDrive AG Liechtenstein
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2018-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Achsantriebseinheit für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, das wenigstens eine Antriebsachse aufweist. Die Achsantriebseinheit weist wenigstens einen Elektromotor zur Erzeugung eines Antriebsmomentes und wenigstens ein Getriebe zur Übertragung des Antriebsmomentes auf die Antriebsachse auf. Der Elektromotor und das Getriebe bilden eine Baueinheit. Die Erfindung hat das Ziel, eine Achsantriebseinheit anzugeben, mit deren Hilfe der Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs möglichst einfach und gewichtssparend aufgebaut werden kann. Hierzu sind eine Leistungselektronik und eine elektromechanische Betriebsbremsanlage in die Baueinheit integriert. Die Betriebsbremsanlage ist als Inboard-Betriebsbremsanlage zur Übertragung einer Bremskraft auf die Antriebsachse ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Achsantriebseinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Eine derartige Achsantriebseinheit ist beispielsweise aus WO 2016/116104 A1 bekannt. Die Erfindung betrifft ferner eine Antriebsachse für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug.
Mit Blick auf die zukünftigen Mobilitätsbedürfnisse stehen der Automobilindustrie im Zusammenhang mit der Elektrifizierung des Fahrantriebs bedeutende technologische Änderungen bevor. Gerade die gesetzlichen Rahmenbedingungen zur Begrenzung der Schadstoffemissionen sowie des CO₂-Ausstoßes erfordern neue Konzepte. Bspw. dürfen ab dem Jahr 2021 Personenkraftfahrzeuge in Europa durchschnittlich nur noch 95g CO₂/km emittieren. Die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstranges spielt bei der Einhaltung dieser Grenze ebenso wie bei der Einhaltung anderer Emissionsgrenzen eine wichtige Rolle.
Aus der eingangs genannten WO 2016/116104 A1 ist eine Achsantriebseinheit mit einem Elektromotor und einem Getriebe bekannt. Bei dieser bekannten Achsantriebseinheit sollen durch das Getriebe der Schaltkomfort und Wirkungsgrad der Einheit verbessert werden. Dazu weist das Getriebe zwei Schaltstufen mit einem Zwischengetriebe auf, das über eine stufenlose Übersetzung verfügt. Außerdem umfasst die bekannte Achsantriebseinheit eine integrierte elektromechanische Parksperre. Aufgrund des Zwischengetriebes ist die bekannte Achsantriebseinheit konstruktiv aufwändig und relativ schwer, so dass das Gewicht des Antriebsstranges erhöht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Achsantriebseinheit anzugeben, mit deren Hilfe der Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs möglichst einfach und gewichtssparend aufgebaut werden kann. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, eine Antriebsachse und ein Kraftfahrzeug anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Blick auf die Achsantriebseinheit durch den Gegenstand des Anspruchs 1, mit Blick auf die Antriebsachse durch den Gegenstand des Anspruchs 16 und mit Blick auf das Kraftfahrzeug durch den Gegenstand des Anspruchs 17 gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Achsantriebseinheit für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug anzugeben, das wenigstens eine Antriebsachse aufweist. Die Achsantriebseinheit weist wenigstens einen Elektromotor zur Erzeugung eines Antriebsmomentes und wenigstens ein Getriebe zur Übertragung des Antriebsmomentes auf die Antriebsachse auf. Der Elektromotor und das Getriebe bilden eine Baueinheit. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Leistungselektronik und eine elektromechanische Betriebsbremsanlage in die Baueinheit integriert sind. Die Betriebsbremsanlage ist als Inboard-Betriebsbremsanlage zur Übertragung einer Bremskraft auf die Antriebsachse ausgebildet.
Im Rahmen der Erfindung ist die Leistungselektronik zusätzlich zu dem Elektromotor und dem Getriebe in die aus diesen Komponenten aufgebaute, d.h. in ein- und dieselbe Baueinheit integriert. Außerdem ist als weitere Komponente zusätzlich zur Leistungselektronik eine elektromechanische Betriebsbremsanlage in der Form einer Inboard-Betriebsbremsanlage in die Baueinheit integriert.
Die Baueinheit bildet eine physische Einheit, in der die vorstehend genannten Komponenten als eine Baugruppe zusammenfasst sind. Die Baueinheit ist als Ganzes handhabbar, bspw. beim Zusammenbau der Antriebsachse als Ganzes montierbar. Im eingebauten Zustand bildet die Baueinheit die Schnittstelle zu anderen, außerhalb der Baueinheit angeordneten Bauteilen des Kraftfahrzeugs, mit denen die einzelnen Komponenten der Baueinheit interagieren, bspw. eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs oder ein Generator.
Zusätzlich zu Elektromotor, Getriebe und Leistungselektronik ist mit der Betriebsbremsanlage eine für die Längsdynamik und ggf. auch für die Querdynamik des Kraftfahrzeugs verantwortliche Komponente in die Baueinheit integriert. Durch die Integration der Betriebsbremsanlage in ein- und dieselbe Baueinheit mit dem Elektromotor, dem Getriebe und der Leistungselektronik wird eine hohe funktionale und physische Integration der relevanten Längs- und ggf. Querdynamikkomponenten in eine zentrale Einheit erreicht.
Die Integration der vorstehend genannten Komponenten in die Baueinheit trägt dazu bei, dass der Antriebsstrang insgesamt optimiert werden kann bspw. hinsichtlich des Gewichtes der Achsantriebseinheit, da die Peripherie dieser Komponenten durch die gemeinsame, zentrale Nutzung bereits bestehender Bauteile optimal ausgestaltet werden kann. Außerdem ermöglicht die Integration der Komponenten in ein- und dieselbe Baueinheit eine Verringerung der Anzahl der Haltepunkte, mit denen diese Komponenten im Fahrwerk befestigt werden, wodurch die Montage vereinfacht wird.
Generell gilt, dass die Betriebsbremsanlage mit abstufbarer bzw. veränderbarer Wirkung die Verringerung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges während des Betriebs ermöglicht, insbesondere bis zum Stillstand des Fahrzeugs. Im Unterschied dazu ermöglicht eine Parksperre bzw. eine Feststellbremse nur das Halten des Kraftfahrzeugs auch auf einer geneigten Fahrbahn.
Bei der Inboard-Bremsanlage werden im Unterschied zu einer Outboardbremse die Bremskräfte nicht direkt in die Räder eingeleitet, sondern mit Abstand zu den Rädern, d.h. im Bereich der Antriebsachse (Inboard). Dies hat den Vorteil, dass die Radfederung vom Gewicht der Bremsanlage entlastet wird.
Ein weiterer signifikanter Vorteil der Integration der elektromechanischen Betriebsbremsanlage in die Baueinheit besteht darin, dass die Kühlung der Betriebsbremsanlage durch die für den Elektromotor bereits vorhandene Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsversorgung erfolgt. Der für die Outboardbremse üblicherweise ausschlaggebende Vorteil der Luftkühlung entfällt damit. Ein weiterer Vorteil der Integration der Betriebsbremsanlage in die Baueinheit besteht darin, dass Betriebsbremsanlage gekapselt werden kann, sodass der beim Bremsen entstehende Abrieb die Felgen nicht verschmutzt und nicht zur Feinstaubbelastung beiträgt.
Zusammengefasst ermöglicht die Erfindung eine hochintegrierte, elektrische Antriebsachse, bei der die Achsantriebseinheit die vorstehend genannten Komponenten als integrale Bestandteile zusätzlich zu den bekannten Komponenten, d.h. Elektromotor und Getriebe enthält. Durch die Integration der im Stand der Technik gesondert verbauten Komponenten in einer Baueinheit lassen sich Synergie-Effekte realisieren, die zu einer einfachen und gewichtsmäßig leichten Konstruktion des Antriebsstrangs führen. Die konkrete Umsetzung der Synergie-Effekte ist Gegenstand der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung ist für alle Kraftfahrzeuge, d.h. beispielsweise Personenkraftfahrzeuge oder Nutzkraftfahrzeuge geeignet, bei denen eine elektrische Antriebsachse verbaut wird. Die Erfindung eignet sich besonders gut für ausschließlich batteriebetriebene Fahrzeuge. Diese können mit oder ohne Range Extender ausgestattet sein. Die Erfindung kann auch für Hybridfahrzeuge eingesetzt werden, die über eine elektrifizierte Antriebsachse verfügen.
Es ist möglich, die erfindungsgemäßen Achsantriebseinheit bei einer elektrifizierten Vorderachse und/oder bei einer elektrifizierten Hinterachse einzusetzen.
Im Rahmen der Erfindung wird die Achsantriebseinheit unabhängig von der Antriebsachse beansprucht. Zusätzlich wird die Kombination der Antriebsachse mit der erfindungsgemäßen Achsantriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug beansprucht, das die erfindungsgemäße Achsantriebseinheit enthält.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Baueinheit ein gemeinsames Gehäuse auf. Dies hat den Vorteil, dass das Gehäuse als Mehrfunktionsbauteil ausgebildet sein kann, das verschiedene Funktionen, wie beispielsweise Kühlung oder Kopplung mit einer Energieversorgung, für die im Gehäuse angeordneten Komponenten zentral übernimmt. Ebenso können die Leistungselektronik einerseits und eine elektromechanische Betriebsbremsanlage und/oder eine elektromechanische Lenkanlage und/oder ein induktiver Ladeempfänger für ein Batteriesystem andererseits, genauso wie deren Elemente wie z.B. Bremsen der Betriebsbremsanlage, an/in der Baueinheit und/oder dem Gehäuse angebaut und/oder angeflanscht sein.
Die Betriebsbremsanlage kann wenigstens eine Betriebsbremse mit wenigstens einem mechanischen Bremselement zur Übertragung der Bremskraft und wenigstens einem elektrisch betätigbaren Aktuator für das Bremselement aufweisen. Die Betriebsbremse kann bspw. als Reibungsbremse, insbesondere als Keilbremse ausgeführt sein. Die Erfindung ist nicht auf Keilbremsen beschränkt, sondern umfasst auch andere elektromechanisch betätigbare Betriebsbremsen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung sind der Elektromotor und die Betriebsbremsanlage jeweils flüssigkeitsgekühlt. Das Gehäuse weist eine Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsversorgung des Elektromotors und der Betriebsbremsanlage auf. Die Integration der vorstehend genannten Komponenten in eine Baueinheit bietet die Möglichkeit einer zentralen Kühlflüssigkeitsversorgung, sodass die für den Elektromotor erforderliche Kühlflüssigkeitsversorgung auch für andere Komponenten, wie die Betriebsbremsanlage, nutzbar gemacht wird. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, weil der Kühlwasservorlauf des Elektromotors in der Regel ca. 65 °C beträgt.
Vorzugsweise weist das Gehäuse Anschlüsse zur Verbindung der Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsversorgung mit einem externen Kühlflüssigkeitskreislauf auf. Zusätzlich oder alternativ kann das Gehäuse einen internen Kühlflüssigkeitskreislauf aufweisen. Bei der ersten Variante wird die von der Kühlflüssigkeit aufgenommene Wärme außerhalb der Baueinheit abgeführt. Dazu wird die Kühlflüssigkeit von außen zugeleitet und wieder nach außen abgeleitet, nachdem die Kühlflüssigkeit den zu kühlenden Komponenten passiert hat. Bei der zweiten Variante handelt es sich um einen geschlossenen Kühlflüssigkeitskreislauf innerhalb der Baueinheit. Dieser hat den Vorteil, dass die Baueinheit gekapselt werden kann, insbesondere die Betriebsbremsanlage, sodass die durch Bremsabrieb entstehende Verschmutzung der Felgen sowie die Feinstaubbelastung praktisch eliminiert werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Leistungselektronik zur Steuerung bzw. Energieversorgung des Elektromotors und zur Steuerung bzw. Energieversorgung der elektromechanischen Betriebsbremsanlage ausgebildet. Der zentrale Einsatz der Leistungselektronik zur gemeinsamen Steuerung bzw. Energieversorgung mehrerer Komponenten in der Baueinheit bietet die Voraussetzung für eine verbesserte Regelungsperformance, da die Regelung der verschiedenen Komponenten der Baueinheit, beispielsweise des Elektromotors und der Betriebsbremsanlage aufeinander abgestimmt werden können (blending). Beim Bremsen ist im Zusammenhang mit einem elektrifizierten Antriebsstrang die Möglichkeit der Rekuperation zu berücksichtigen, bei der die Bremsleistung dazu verwendet wird, den Elektromotor anzutreiben, um diesen als Generator zu nutzen. Mit der dadurch erzeugten elektrischen Energie wird die Traktionsbatterie oder eine Niedervoltbatterie aufgeladen. Die Verteilung der Bremskraft auf die elektromechanische Betriebsbremsanlage und den als Generator wirkenden Elektromotor wird als Blending bezeichnet.
Vorzugsweise weist die Leistungselektronik einen Hochvolt/Niedervolt-DC/DC Wandler zur zusätzlichen Niedervoltenergieversorgung der Betriebsbremsanlage auf. Alternativ kann die Baueinheit und/oder die Leistungselektronik elektrische Anschlüsse für wenigstens 2 Niedervolt-Spannungserzeuger (z.B. von 12 Volt) zur Niedervoltenergieversorgung der Betriebsbremsanlage aufweisen. Bei beiden Ausführungen wird eine redundante Energieversorgung der Betriebsbremsanlage bereitgestellt.
Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Betriebsbremsanlage und der Elektromotor wahlweise oder gleichzeitig zur Verzögerung des Kraftfahrzeugs ansteuerbar sind. Wie oben beschrieben kann der Elektromotor zur Rekuperation der Bremsenergie als Generator betrieben werden. Der Elektromotor/Generator wirkt damit wie eine Dauerbremsanlage. Die Fahrzeugverzögerungssteuerung bringt durch den integrierten Antriebssteuersatz wahlweise, in Abhängigkeit der vorgegebenen Führungsgröße und des Betriebszustandes der elektrifizierten Antriebsachse den Elektromotor und/oder die elektromechanische Bremse zur Anwendung.
Vorzugsweise ist die Betriebsbremsanlage im Gehäuse gekapselt. Dies hat den Vorteil, dass sich der beim Bremsen entstehende Abrieb weder nach außen in die Umgebung noch unkontrolliert im Gehäuse verteilen kann. Weiter vorzugsweise ist die Betriebsbremsanlage in einem Partikelkollektor des Gehäuses angeordnet. Durch die Austauschbarkeit des Partikelkollektors wird die Wartung der Betriebsbremsanlage vereinfacht.
Die Betriebsbremsanlage kann am Ausgang des Getriebes angeordnet sein, wodurch eine günstige Einleitung der Bremskraft bzw. des Bremsmomentes erreicht wird.
Vorzugsweise weist die Betriebsbremsanlage zwei Betriebsbremsen auf, die zur Übertragung radindividueller Bremsmomente auf die Antriebsachse ausgebildet sind. Dadurch wird ein redundantes Sicherheitssystem für den Fall geschaffen, dass eine der beiden Betriebsbremsen ausfällt. Außerdem können die beiden Betriebsbremsen aufgrund der Übertragung radindividueller Bremsmomente für die Verteilung der Antriebsmomente auf die verschiedenen Räder eingesetzt werden (torque vectoring).
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Baueinheit einen Zentralmotor mit Getriebe und korrespondierendem Differenzial aufweist, und die Betriebsbremsanlage radindividuelle Inboardbremsen zur Verwendung von Torque-Vectoring aufweist.
Zur Antriebsdrehmomentverteilung kann entweder ein Differenzialgetriebe oder eine geteilte Antriebsachse eingesetzt werden.
Die Betriebsbremsen können in Längsrichtung der Antriebsachse auf beiden Seiten der Baueinheit angeordnet sein, wodurch sich die Zuordnung der Betriebsbremsen zum jeweiligen Rad unter Beibehaltung des Prinzips der Inboard-Bremse ergibt.
Die Betriebsbremsanlage kann als Parkbremse und/oder als Notbremse angepasst sein. Die Funktion als Feststellbremse kann zusätzlich zur Hauptfunktion der Betriebsbremsanlage bestehen, eine abstufbare bzw. veränderbare Verzögerung des Kraftfahrzeugs zu bewirken.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
In diesen zeigen

1 einen Querschnitt einer Achsantriebseinheit nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit einem einzigen Elektromotor als Traktionsmotor;
2 einen Querschnitt einer Achsantriebseinheit nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit zwei Elektromotoren als Traktionsmotoren;
3 einen Querschnitt einer Achsantriebseinheit nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit einem Hilfselektromotor zur Verteilung des Achsantriebsmomentes; und
4 einen Querschnitt einer Achsantriebseinheit nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit zwei unabhängigen Niedervolt-Stromquellen zum Steuern jeweils einer Bremsanlage.

Die Achsantriebseinheit gemäß 1 kann mit der Vorderachse und/oder der Hinterachse eines Kraftfahrzeuges kombiniert sein. Dasselbe gilt für die anderen Ausführungsbeispiele. Die Achsantriebseinheit ist für alle Kraftfahrzeuge, d.h. beispielsweise Personenkraftfahrzeuge oder Nutzkraftfahrzeuge geeignet, bei denen eine elektrische Antriebsachse verbaut wird. Die Achsantriebseinheit eignet sich besonders gut aber nicht ausschließlich für rein batteriebetriebene Fahrzeuge. Die Achsantriebseinheit kann auch für Hybridfahrzeuge eingesetzt werden, die über eine elektrifizierte Antriebsachse verfügen.
Die Achsantriebseinheit gemäß 1 weist eine Baueinheit 15 auf, in die verschiedene zumindest teilelektrische Komponenten integriert sind. Die in die Baueinheit 15 integrierten Komponenten bilden eine Baugruppe, die als eine Einheit montiert und mit anderen außerhalb der Baueinheit 15 angeordneten Bauteilen des Kraftfahrzeugs interagieren. Dazu weist die Baueinheit 15 ein gemeinsames Gehäuse 19 auf, in dem die zur Baueinheit 15 gehörenden Komponenten angeordnet sind bzw. an dem Komponenten der Baueinheit 15 befestigt sind. Es ist also möglich, dass die Komponenten der Baueinheit 19 sowohl im Gehäuse 19 als auch am Gehäuse 19, d.h. an der Außenseite des Gehäuses 19 angeordnet sind.
Das Gehäuse 19 ist als multifunktionales Gehäuse ausgebildet, das die darin angeordneten Komponenten nicht nur mechanisch und thermisch schützt, sondern auch die Kopplung der Komponenten mit außerhalb des Gehäuses befindlichen Geräten und Bauteilen des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Dazu weist das Gehäuse 19 verschiedene Einrichtungen, wie beispielsweise eine Kühleinrichtung oder die Leistungselektronik 27 auf, die zentral von den im bzw. am Gehäuse angeordneten Komponenten genutzt werden. Weitere Funktionalitäten des Gehäuses 19 sind möglich.
Das Gehäuse 19 ist geschlossen und für das Thermomanagement wärmeisoliert.
Die Baueinheit 15 gemäß 1 weist einen einzigen Elektromotor 10 als Traktionsmotor auf, der das für die Bewegung des Kraftfahrzeuges erforderliche Antriebsmoment erzeugt. Das vom Elektromotor 10 erzeugte Antriebsmoment wird durch ein Getriebe 12 übersetzt und auf die Antriebsachse 1 übertragen. Der Elektromotor 10 und das Getriebe 12 sind dementsprechend miteinander verbunden.
Der Elektromotor 10 kann ein Asynchronmotor oder ein permanenterregter Synchronmotor sein. Das gilt für alle im Rahmen der Erfindung und den zugehörigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Elektromotoren.
Die Baueinheit 15 weist eine elektromechanische Betriebsbremsanlage 16 auf, die im Gehäuse 19 angeordnet ist. Die Steuerung der elektromechanischen Betriebsbremsanlage 16 erfolgt durch ein elektrisches Signal der Steuersignalübertragung, das bspw. durch Betätigung des Bremspedals oder einer anderen Betätigungseinrichtung ausgelöst wird. Die Bremswirkung ist dabei vom Fahrzeugführer im Fahrbetrieb veränderbar. Dadurch wird ein elektrisches Ausgangssignal bzw. Stellsignal erzeugt, das die mechanischen Bauteile der Betriebsbremsanlage 16, bspw. die Bremsbacken oder den Bremskeil einer Reibungsbremse, steuert, wodurch die Bremskräfte auf die Antriebsachse übertragen werden. Konkret umfasst die Betriebsbremsanlage 16 zwei Betriebsbremsen 23, 24, die in Längsrichtung der Antriebsachse 1 mit Abstand von den Rädern angeordnet sind. Bei der Betriebsbremsanlage 16 handelt es sich demnach um eine Inboard-Betriebsbremsanlage, bei der die Bremskräfte auf die Antriebsachse 1 übertragen werden. Jede Betriebsbremse 23, 24 umfasst einen elektrisch betätigbaren Aktuator, der eine Stellkraft auf die jeweiligen mechanischen Bremselemente ausübt und dadurch die gewünschten Bremskräfte erzeugt.
Als ein mögliches, aber nicht ausschließliches Beispiel kann die Betriebsbremse in der Form einer Keilbremse ausgestaltet sein. Dabei umfasst der elektrisch betätigbare Aktuator einen Elektromotor und einen Bremskeil, der vom Elektromotor in zwei entgegengesetzte Richtung, d.h. vor und zurück, bewegt werden kann. Das Bremselement ist als Bremsbelag bzw. Bremsklotz ausgebildet, der durch die schräge Fläche des Bremskeils gegen ein Gegenstück, bspw. eine Bremsscheibe gepresst wird, die mit einer Radantriebswelle der Antriebsachse drehfest verbunden ist. Sobald der Bremsklotz die Bremsscheibe berührt, wirkt die Selbstverstärkung des Keilprinzips.
Die beiden Betriebsbremsen 23, 24 sind als redundante Sicherheitssysteme für den Fall ausgebildet, dass eine der beiden Betriebsbremsen 23, 24 ausfällt. Außerdem können die die beiden Betriebsbremsen 23, 24 radindividuell angesteuert werden, so dass durch unterschiedliche Bremskräfte an den Rädern die dort wirkenden Antriebsmomente radindividuell verändert werden können. Somit ist zusätzlich ein Torque Vectoring möglich oder kann unterstützt werden. Dazu kann die Achsantriebseinheit ein Differenzialgetriebe (s. 1, Bezugszeichen 1, Pfeil im Uhrzeigsinn) aufweisen oder mit einer geteilten Antriebsachse 1 verbindbar bzw. verbunden sein (s. 2)
Die beiden Betriebsbremsen 23, 24 sind im Gehäuse 19 gekapselt, das somit als Partikelkollektor erwirkt. Die Verschmutzung der Felgen durch Bremsabrieb sowie die Feinstaubbelastung wird dadurch verringert. Außerdem kann der Bremsabrieb sich nicht im Gehäuse 19 verteilen, weil die Betriebsbremsen 23, 24 auch nach innen, d.h. zum Gehäuse 19 hin gekapselt sind.
Die Baueinheit 15 gemäß 1 weist ferner eine Lenkanlage 17 mit einem Elektromotor 25 auf. Der Elektromotor 25 ist durch ein Lenkgetriebe 26 und ein Gestänge mit den Rädern der Antriebsachse 1 mechanisch verbunden.
Vorzugsweise, aber nicht ausschließlich handelt es sich bei der Lenkanlage 17 um eine Steer-by-wire-Lenkanlage, also um eine Lenkanlage, bei der das Lenkrad und das Lenkgetriebe 26 mechanisch entkoppelt sind. Die vom Fahrer in das Lenkrad eingeleitete Lenkbewegung wird sensorisch erfasst. Das Sensorsignal wird in einer Steuerung verarbeitet, die ein Stellsignal an einen Stellantrieb zur Einstellung des gewünschten Lenkwinkels eines gelenkten Rades übermittelt. Der Stellantrieb kann der vorstehend genannte Elektromotor 25 der Lenkanlage 17 sein. Um die für ein sicheres Fahren erforderlichen Betätigungskräfte und Reaktionskräfte zu simulieren, wird durch ein weiteres Stellorgan ein Handmoment in das Lenkrad eingeleitet. Auf Grund der mechanischen Entkopplung des Lenkrades vom Lenkgetriebe 26 ist es möglich, automatische Lenkkorrekturen auszuführen oder autonomes Fahren zu realisieren, ohne dass das Lenkrad hierfür bewegt wird. Die Steer-by-wire-Lenkung ist eine elektromechanische Lenkung, da das vom Elektromotor 25 erzeugte Lenkmoment durch ein mechanisches Lenkgetriebe 26, beispielsweise ein Zahnstangengetriebe oder einen Kugelgewindetrieb, auf die Räder übertragen wird.
Der Elektromotor 25 kann auch als Hilfsmotor zur Unterstützung eines mechanisch erzeugten Lenkmomentes ausgebildet sein. Bei der Lenkung kann es sich um eine Achsschenkellenkung oder um eine Einzelradlenkung handeln. Für die Umsetzung der Antriebsmomentverteilung wird die Achsschenkellenkung bevorzugt.
Die mechanischen Komponenten der Lenkanlage 17 können an der Außenseite des Gehäuses 19 befestigt, insbesondere angeflanscht sein. Die mechanischen Komponenten der Lenkanlage 17 können in Fahrtrichtung vorne oder hinten am Gehäuse 19 angeordnet sein. Dadurch wird die jeweilige Einbaulage der Achsantriebseinheit berücksichtigt. Der Elektromotor 15 ist im Gehäuse 19 angeordnet, wodurch die Kühlung und elektrische Ansteuerung des Elektromotors 15 erleichtert wird.
Im unteren Bereich des Gehäuses 19 ist ein induktiver Ladeempfänger 18 angeordnet, durch den im Betrieb der Achsantriebseinheit die Traktionsbatterie aufgeladen werden kann.
Folgende Komponenten der Baueinheit werden von den vorstehend beschriebenen Komponenten zentral genutzt.
In die Baueinheit 15 ist eine Leistungselektronik 27 integriert, die den Elektromotor 10 sowie wenigstens eine weitere Komponente der Baueinheit 15 regelt. Die Leistungselektronik 27 übernimmt die Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt sowie die Regelung der Leistungsflüsse. Derartige Geräte sind im Stand der Technik bekannt und müssen nicht näher beschrieben werden. Bei dem Beispiel gemäß 1 wird die Leistungselektronik 27 zusätzlich dazu verwendet, die Lenkanlage 17, die Betriebsbremsanlage 16 sowie den induktiven Ladeempfänger 18 anzusteuern. Dies hat den Vorteil, dass die Leistungsregelung der einzelnen Komponenten, beispielsweise des Elektromotors und der Betriebsbremsanlage 16 abgestimmt werden kann (blending). Außerdem kann die Leistungselektronik 27 zentral durch die für den Elektromotor 10 vorgesehene Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsversorgung mitgekühlt werden.
Dir Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsversorgung (nicht dargestellt) versorgt neben dem flüssigkeitsgekühlten Elektromotor 10 weitere Komponenten der Baueinheit 15 mit Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise die Betriebsbremsanlage 16, den Elektromotor 25, der Lenkanlage 17 sowie den Ladeempfänger 18. Die Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsversorgung kann, wie in 1 dargestellt Anschlüsse für die Zufuhr der Kühlflüssigkeit bzw. die Abfuhr der Kühlflüssigkeit aufweisen. Die Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsversorgung gemäß 1 ist dementsprechend mit einem externen Kühlflüssigkeitskreislauf verbindbar. Alternativ kann ein geschlossener interner Kühlflüssigkeitskreislauf verwendet werden, der die im Gehäuse 19 angeordneten Komponenten kühlt.
In 1 ist weiterhin dargestellt, dass das Gehäuse 19 über Anschlüsse zur Verbindung mit einem Niedervoltbordnetz und einem Hochvoltbordnetz verfügt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 darin, dass anstelle des einzigen Elektromotors 10 zwei gesonderte Elektromotoren 10, 11 (erste und zweite Elektromotoren 10, 11) als Traktionsmotoren angeordnet sind. Zur Übertragung radindividueller Antriebsmomente durch die beiden Elektromotoren 10, 11 ist die Antriebsachse 1 in zwei Achsabschnitte geteilt, wobei jeweils ein Elektromotor 10, 11 mit einem Achsabschnitt durch entsprechende Getriebe 12, 13 (erste und zweite Getriebe 12, 13) verbunden ist. Alternativ kann ein Differenzialgetriebe zwischen den beiden Elektromotoren 10, 11 angeordnet sein.
Im Übrigen wird auf die Ausführungen im Zusammenhang mit der Achsantriebseinheit gemäß 1 Bezug genommen.
Die Achsantriebseinheit gemäß 3 ist ebenfalls dazu geeignet, unterschiedliche Antriebsmomente auf die beiden Räder zu übertragen. Die Achsantriebseinheit gemäß 3 weist einen einzigen Elektromotor 10 als Traktionsmotor auf. Dieser ist durch das Getriebe 12, das als Differenzialgetriebe ausgebildet ist, mit der Antriebsachse 1 verbunden. Durch das Differenzialgetriebe 12 wird eine Leistungsverzweigung zur Übertragung unterschiedlicher Antriebsmomente auf die beiden Räder bewirkt. Die Antriebsmomentverteilung wird durch einen Hilfselektromotor 22 (dritter Elektromotor) erreicht, der durch ein zusätzliches (drittes) Getriebe 14 mit der Antriebsachse 1 mechanisch verbunden ist. Durch den Hilfselektromotor 22 kann das vom Elektromotor 10 aufgebrachte Antriebsmoment überlagert werden, sodass auf beide Räder unterschiedliche Antriebsmomente aufgebracht werden können. Der zusätzliche Elektromotor 22 und das zugehörige dritte Getriebe 14 sind im Gehäuse 19 untergebracht und werden durch die zentrale Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsversorgung gekühlt und durch die zentrale Leistungselektronik 27 mit Energie versorgt. Zu den übrigen Komponenten der Baueinheit 15 wird auf die Ausführungen zur 1 verwiesen.
Die Achsantriebseinheit gemäß 4 ist ähnlich der Achsantriebseinheit gemäß 1 aufgebaut, wobei die Betriebsbremsanlage 16, insbesondere die erste und die zweite Betriebsbremse 23, 24, durch jeweils eine Niedervolt-Stromquelle 28 elektrisch versorgt und gesteuert wird/werden. Die beiden Niedervolt-Stromquellen 28 sind unabhängig voneinander und werden mit Energie über die Leistungselektronik 27 aus einem Batteriesystem oder über einen Gleichspannungswandlers der Leistungselektronik 27, der die Spannung aus dem Hochvoltbordnetz runtertransformiert, versorgt.
In allen Ausführungsbeispielen können die Betriebsbremsen 23, 24 so mit den als Traktionsmotoren wirkenden ersten und zweiten Elektromotoren 10, 11 oder mit dem einzigen Elektromotor 10 und dem Hilfselektromotor (dritter Elektromotor) kombiniert werden, dass die Betriebsbremsanlage 16 die Antriebsmomentverteilung auf die Räder unterstützt. Der Elektromotor 25 der Lenkanlage 17 kann als vierter Elektromotor bezeichnet werden.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsachse
10: erster Elektromotor (Traktionsmotor)
11: zweiter Elektromotor (Traktionsmotor)
12: erstes Getriebe
13: zweites Getriebe
14: drittes Getriebe
15: Baueinheit
16: Betriebsbremsanlage
17: Lenkanlage
18: Ladeempfänger
19: Gehäuse
20: frei
21: frei
22: dritter Elektromotor (Hilfselektromotor für Torque Vectoring)
23: erstes Betriebsbremse
24: zweite Betriebsbremse
25: vierter Elektromotor (Lenkanlage)
26: Lenkgetriebe (Lenkanlage)
27: Leistungselektronik
28: Niedervolt-Stromquelle (für Betriebsbremsanlage)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/116104 A1 [0001, 0003]

Claims

Achsantriebseinheit für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, das wenigstens eine Antriebsachse (1) aufweist, mit wenigstens einem Elektromotor (10, 11) zur Erzeugung eines Antriebsmomentes und wenigstens einem Getriebe (12, 13) zur Übertragung des Antriebsmomentes auf die Antriebsachse (1), wobei der Elektromotor (10, 11) und das Getriebe (12, 13) eine Baueinheit (15) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungselektronik (27) und eine elektromechanische Betriebsbremsanlage (16) in die Baueinheit (15) integriert ist, wobei die Betriebsbremsanlage (16) als Inboard-Betriebsbremsanlage zur Übertragung einer Bremskraft auf die Antriebsachse (1) ausgebildet ist.
Achsantriebseinheit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (15) ein gemeinsames Gehäuse (19) aufweist.
Achsantriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbremsanlage (16) wenigstens eine Betriebsbremse (23, 24) mit wenigstens einem mechanischen Bremselement zur Übertragung der Bremskraft und wenigstens einem elektrisch betätigbaren Aktuator für das Bremselement aufweist.
Achsantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10, 11) und die Betriebsbremsanlage (16) jeweils flüssigkeitsgekühlt sind und das Gehäuse (19) eine Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsversorgung des Elektromotors (10, 11) und der Betriebsbremsanlage (16) aufweist.
Achsantriebseinheit nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (19) Anschlüsse zur Verbindung der Einrichtung zur Kühlflüssigkeitsversorgung mit einem externen Kühlflüssigkeitskreislauf oder einen internen Kühlflüssigkeitskreislauf aufweist.
Achsantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (27) zur Steuerung des Elektromotors (10, 11) und der elektromechanischen Betriebsbremsanlage (16) ausgebildet ist.
Achsantriebseinheit nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (27) einen Hochvolt/Niedervolt-DC/DC Wandler und/oder zwei getrennte/separate 12V Anschlüsse zur zusätzlichen Niedervoltenergieversorgung der Betriebsbremsanlage (16) aufweist.
Achsantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (15) elektrische Anschlüsse für wenigstens 2 Niedervolt-Spannungserzeuger zur Niedervoltenergieversorgung der Betriebsbremsanlage (16) aufweist.
Achsantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbremsanlage (16) und der Elektromotor (10, 11) wahlweise oder gleichzeitig zur Verzögerung des Kraftfahrzeugs ansteuerbar sind.
Achsantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbremsanlage (16) im Gehäuse (19) gekapselt ist.
Achsantriebseinheit nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbremsanlage (16) in einem Partikelkollektor des Gehäuses (19) angeordnet ist.
Achsantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbremsanlage (16) am Ausgang des Getriebes (12, 13) angeordnet ist.
Achsantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbremsanlage (16) zwei Betriebsbremsen (23, 24) aufweist, die zur Übertragung radindividueller Bremsmomente auf die Antriebsachse (1) ausgebildet sind.
Achsantriebseinheit nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbremsen (23, 24) in Längsrichtung der Antriebsachse (1) auf beiden Seiten der Baueinheit (15) angeordnet sind.
Achsantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbremsanlage (16) als Parkbremse und/oder als Notbremse angepasst ist.
Achsantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (15) einen Zentralmotor mit Getriebe und korrespondierendem Differenzial aufweist, und wobei die Betriebsbremsanlage (16) radindividuelle Inboardbremsen zur Verwendung von Torque-Vectoring aufweist.
Antriebsachse für ein Kraftfahrzeug mit einer Achsantriebseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug mit einer Achsantriebseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche.