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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Antriebseinheit.
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Lenkungen haben die Aufgabe, eine Fahrtrichtung bzw. eine Fahrtrichtungsänderung eines Kraftwagens durch einen korrespondierenden Lenkeinschlag vorzugeben bzw. zu bewirken. Bei Personenkraftwagen kommen vorwiegend Achschenkellenkungen zum Einsatz, bei denen die Räder über eine die Spurstangen beider Räder verbindende mechanische Kopplungseinrichtung synchron bewegt werden. Durch die mechanische Kopplung der Räder der gelenkten Achse entfällt eine separate Synchronisationseinrichtung wie etwa bei einer Einzelradlenkung. Weiterhin kann bei einer mechanischen Kopplung der Spurstangen die Lenkung mit nur einem Aktuator ausgeführt werden. Im Zuge zunehmender Systemintegration ist es gewünscht, immer mehr Funktionen bzw. die diese Funktionen repräsentierenden Bauteile in ein gemeinsames System einzubinden. Insbesondere ist es erwünscht, Längs- und Querdynamik in einem System abzubilden, d.h. Lenkungskomponenten in einen Antriebsstrang bzw. eine Antriebseinheit zu integrieren.
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Aus dem Stand der Technik sind integrierte Achsen bereits bekannt:
EP 3 096 965 A2 offenbart ein separat einbaubares Achsmodul für ein Fahrzeug, auf welchem Motor und Lenkung getrennt voneinander montiert sind.
EP 2 768 720 B1 sowie
EP 0 544 597 A1 offenbaren jeweils ein starr an einer Motoreinheit angebrachtes Lenkgetriebe. Im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen und Nutzfahrzeuge sind federnd aufgehängte Starrachssysteme mit integriertem Lenkgetriebe bekannt, so aus
CN 205573627 U mit einer integrierten Baggerlenkung oder
EP 3 138 718 A1 mit einer E-Achse für Mehrachsfahrzeuge mit integrierten Lenkmotoren für eine Einzelradlenkung. Stand der Technik bilden weiterhin
DE 10 2009 040 821 B3 mit einem in einem Vorderachsrahmen als Querträger integrierten Lenkgetriebe sowie
DE 10 2009 054 727 A1 mit einem elektrischen Lenkmodul mit Einzelradlenkung für ein Flurförderfahrzeug.
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Für eine hohe Spurtreue ist es erforderlich, Lenkungen möglichst verdrehsteif und möglichst spielfrei auszuführen. Aus diesem Grund sind Lenkgetriebe, die die Rotation einer Lenkwelle in eine translatorische Bewegung der Spurstangen umsetzen, starr an den Fahrzeugrahmen angebunden. Eine schwimmende Lagerung des Lenkgetriebes gegenüber dem Fahrzeugrahmen hat Nachteile für die Direktheit der Lenkung, insbesondere für das Lenkgefühl des Fahrers. Bei einer schwimmenden Lagerung würde ein auf das Lenkgetriebe aufgeprägtes Moment bzw. die resultierende Verschiebungskraft eine Verschiebung des Lenkgetriebes bewirken, bis das Spiel entweder ausgeschöpft ist (durch Erreichen eines Anschlags) oder bis die Widerstandskräfte in der Lagerung (durch Stauchung oder Dehnung von Elastomerlagern) groß genug sind, um eine Lenkbewegung zuzulassen. Dies führt aufgrund der zumeist nichtlinearen Lagerungscharakteristik zu einer schweren Vorhersagbarkeit der notwendigen Stellkräfte für einen Radeinschlag und damit zu einem subjektiv schwammigen Fahrgefühl und/oder zu einer schweren Regelbarkeit der Lenkung (sowohl im Hinblick auf reine Lenkkraftunterstützung als auch auf Steer-By-Wire-Systeme).
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Bei den Lösungsvorschlägen im vorstehend genannten Stand der Technik wird die Direktheit der Lenkung zum Teil durch Starrachssysteme realisiert, bei denen keine Relativbewegungen zwischen Rad und Lenkgetriebe auftreten. Allerdings birgt dies den Nachteil, dass die gefederten Massen stark erhöht werden und derlei Lösungen insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten ungünstig sind. Andere Lösungsansätze nehmen den Nachteil einer schwammigen Lenkung in Kauf. Weiterhin ist es nicht praktikabel, Motor bzw. Antriebsachse (mit integrierter Lenkung) starr mit dem Gehäuse zu verbinden, da dies zwar das Problem des direkten Lenkverhaltens löst, allerdings zu unerwünschten Vibrationen und Geräuschentwicklungen sowohl fahrzeuginnenseitig als auch außenseitig führt.
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Die Erfindung hat die Aufgabe eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug anzugeben, die einerseits dem Wunsch nach einer hochintegrierten Systemlösung Rechnung trägt und andererseits die Möglichkeit bietet, in einem Kraftfahrzeug optimierte Lenkeigenschaften zu realisieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Blick auf die elektrische Antriebseinheit durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und mit Blick auf das Kraftfahrzeug durch den Gegenstand des Anspruchs 23 gelöst.
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Konkret wird die Aufgabe durch eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug gelöst, die eine Servoeinheit zur Übertragung eines Lenkmomentes aufweist. Die Servoeinheit weist wenigstens einen elektrischen Lenkmotor auf. Die elektrische Antriebseinheit weist eine Lenkgetriebeanordnung umfassend ein Lenkgetriebe und ein Verbindungselement auf, das die Servoeinheit und die Lenkgetriebeanordnung bzw. ein Lenkgetriebe drehmomentschlüssig verbindet. Die Servoeinheit weist einen ersten Anbindungspunkt für das Verbindungselement auf. Das Lenkgetriebeanordnung weist einen zweiten Anbindungspunkt für das Verbindungselement auf. Erster und zweiter Anbindungspunkt gehören fest zum jeweiligen Bauteil bzw. Baugruppe, also der Servoeinheit für den ersten Anbindungspunkt und der Lenkgetriebeanorndung für den zweiten Anbindungspunkt. Der erste Anbindungspunkt fällt z.B. mit der Abtriebswelle des Lenkmotors zusammen bzw. ist auf ihr befindlich. Der zweite Anbindungspunkt fällt z.B. mit einer Eingangswelle der Lenkgetriebeanordnung zusammen bzw. ist auf dieser befindlich.
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Der erste Anbindungspunkt ist frei beweglich gegenüber dem Fahrzeugrahmen. Der zweite Anbindungspunkt ist unbeweglich gegenüber dem Fahrzeugrahmen. Das Verbindungselement lässt eine Relativbewegung zwischen erstem und zweitem Anbindungspunkt bei gleichzeitig drehmomentenschlüssiger Verbindung zwischen erstem und zweitem Anbindungspunkt zu.
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Frei beweglich meint, dass der Anbindungspunkt gegenüber dem Fahrzeugrahmen innerhalb gewisser Grenzen beliebige Raumkurven beschreiben, z.B. kann er einer Bewegung und/oder Drehung des mit ihm fest verbundenen Traktionsmotors ungehindert folgen. Dies schließt Verdrehungen des Anbindungspunktes, genauer eines im Anbindungspunkt befindlichen Koordinatensystems, mit ein. Der Traktionsmotor und die zum Traktionsmotor gehörenden Komponenten, wie ein Wechselrichter oder ein Untersetzungsgetriebe sind üblicherweise schwimmend in Fahrzeugrahmen gelagert bzw. aufgehängt. Durch die Verbindung der Servoeinheit mit dem Traktionsmotor folgt die Servoeinheit den Bewegungen des Traktionsmotors im Betrieb, die beispielsweise durch äußere Kräfte, die auf das Fahrzeug wirken, oder durch Trägheitsmomente bei Drehzahländerungen des Traktionsmotors entstehen.
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Die freie Beweglichkeit bezieht sich jeweils auf den montierten Zustand der Antriebseinheit.
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Das Verbindungselement ist mit erstem bzw. zweitem Ende im Wesentlichen spielfrei kraft- und drehmomentenschlüssig mit erstem bzw. zweitem Anbindungspunkt und damit mit der Servounit bzw. dem Lenkgetriebe verbunden. Das Verbindungselement ist so ausgestaltet, dass dieses eine Relativbewegung zwischen erstem und zweitem Anbindungspunkt (unter Ausschluss der drehmomentenschlüssigen Kraftübertragung) bis zu einem gewissen Grade zulässt. Der zweite Anbindungspunkt respektive die Servoeinheit respektive der damit verbundene Traktionsmotor ist daher frei sich im o.g. Sinne frei im Raume zu bewegen ohne dabei vom Verbindungselement behindert oder eingeschränkt zu werden.
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Damit wird erreicht, dass im Wesentlichen nur die für die Lenkung erforderlichen Lenkmomente von der Servoeinheit, konkret vom Lenkmotor, auf das Verbindungselement und von diesem auf die Lenkgetriebeanordnung übertragen werden.
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Damit wird ein schnell ansprechendes und präzise reagierendes Lenksystem geschaffen, das in eine elektrische Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs integriert ist.
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Obgleich eine höhere Systemintegration einer Systemflexibilität zumeist entgegensteht, ist dies für die erfindungsgemäße Antriebseinheit gerade nicht der Fall. Durch die bauliche Trennung bzw. Entkopplung der Lenkgetriebeanordnung und der Servoeinheit ist es möglich, Teilsysteme weitestgehend unabhängig voneinander an geänderte Randbedingungen anzupassen. So ist es z.B. möglich Gleichbauteile auf der Servoeinheit-Seite mit variablen Lenkgetrieben zu koppeln. Dies kann sogar dann stimmig sein, wenn der Einbau von überdimensionierten Lenkmotoren aufgrund von Skaleneffekten günstiger ist, als eine Variantenentwicklung mit den damit verbundenen Kosten für die Variantenentwicklung, die Variantenherstellung und das Variantenmanagement.
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Die Erfindung kann sowohl im Zusammenhang mit herkömmlichen Lenksystemen, bei denen die Lenkung mechanisch mit den gelenkten Rädern zusammenwirkt, als auch im Zusammenhang mit sogenannten Steer-by-wire-Systemen verwendet werden. Unter Steer-by-wire werden Systeme verstanden, bei denen der Lenkbefehl ausgehend vom Lenkrad durch einen Sensor über ein Steuergerät ausschließlich elektrisch zum elektromechanischen Aktuator, der den Lenkbefehl ausführt, weitergeleitet wird. Es besteht bei einem solchen System keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern. Der elektromechanische Aktuator umfasst die Servoeinheit, das Verbindungselement und die Lenkgetriebeanordnung.
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Unter einer elektrischen Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs (auch elektrifizierte Achse oder E-Achse genannt) wird eine Antriebseinheit verstanden, die das für den Antrieb des Kraftfahrzeugs erforderliche Antriebsmoment elektrisch aufbringt. Die elektrische Antriebseinheit umfasst dazu wenigstens einen elektrischen Traktionsmotor. Die Servoeinheit zur Übertragung eines Lenkmomentes, insbesondere zur Lenkkraftunterstützung, ist in die elektrische Antriebseinheit integriert und vorzugsweise mit dem Traktionsmotor direkt oder indirekt verbunden. Die Antriebseinheit weist vorzugsweise einen Wechselrichter oder ein Untersetzungsgetriebe für den Traktionsmotor auf.
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Ein Wechselrichter weist zumindest eine Leistungsstufe und eine Steuerstufe auf. Leistungs- und Steuerstufe sind nicht notwendigerweise räumlich eng benachbart, sondern können auch weit beabstandet sein, z.B. wenn die Steuerstufe des Wechselrichters mit Steuergeräten anderer Einrichtungen integriert ist. Die Begriffe Steuerstufe, Steuereinheit und Steuergerät werden im Wesentlichen synonym gebraucht. Dieses Verständnis des Wechselrichters ist allgemein zu verstehen und nicht auf einen Wechselrichter des Traktionsmotors beschränkt.
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Die elektrische Antriebseinheit umfasst vorzugsweise eine Antriebsachse, die mit zwei angetriebenen Rädern verbunden oder verbindbar ist und die von dem wenigstens einen Traktionsmotor angetrieben wird bzw. antreibbar ist.
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Im Rahmen der Erfindung wird die elektrische Antriebseinheit als solche, d.h. unabhängig vom Kraftfahrzeug bzw. im nicht eingebauten Zustand offenbart und beansprucht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorzugsweise ist die Servoeinheit mit einem elektrischen Traktionsmotor für den Fahrzeugantrieb verbunden. Dadurch wird eine kompakte Antriebseinheit geschaffen, bei der überdies Synergie-Effekte durch die Integration von Peripheriegeräten, wie beispielsweise der Steuergeräte von Traktionsmotor und Servoeinheit, zum Tragen kommen können. Die Integration ist nicht zwingend und kann aus Sicherheitsgründen entfallen. Die gemeinsame Steuerung und Regelung von Fahrzeuglängs- und -querdynamik kann weiterhin in einer übergeordneten Steuereinheit zusammengefasst sein.Die Servoeinheit weist wenigstens einen Wechselrichter für den Lenkmotor umfassend wenigstens eine Leistungsstufe und wenigstens ein Steuergerät auf. Aus Gründen der Sicherheit können die Peripheriegeräte der Servoeinheit redundant vorgesehen sein.. Weiterhin ist es möglich, dass die Servoeinheit ein eigenes Gehäuse und ein eigenes Untersetzungsgetriebe aufweist, das die Drehzahl des elektrischen Lenkmotors ins Langsame übersetzt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Servoeinheit einen einzigen Lenkmotor oder zwei Lenkmotoren in Tandemausführung auf. Die Tandemausführung zielt darauf ab, durch eine redundante Bereitstellung der Lenkmotoren die Sicherheit zu erhöhen. Aus Kostengründen kann auch nur ein einziger Lenkmotor vorgesehen sein.
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Die Servoeinheit kann zwei Steuergeräte aufweisen, wobei den beiden Lenkmotoren jeweils eine Steuereinheit zugeordnet ist. Auch hier steht der Gedanke der redundanten Sicherheit im Vordergrund.
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Wenn der Lenkmotor mit zwei unabhängigen Wicklungen beschaltet ist, kann mit einem einzigen Lenkmotor die Sicherheit gegen den Ausfall der Servoeinheit erhöht werden. Die Beschaltung mit zwei unabhängigen Wicklungen pro Motor ist auch bei mehreren Lenkmotoren möglich.
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Die Servoeinheit kann zwei unabhängige Leistungsstufen aufweisen. Diese Ausführungskorn eignet sich gut im Zusammenhang mit der Verwendung von zwei Lenkmotoren oder zwei unabhängigen Wicklungen pro Lenkmotor, da die Leistungsstufen jeweils mit einer Wicklung bzw. einem Lenkmotor verbunden sein können. Dementsprechend kann die Servoeinheit auch zwei unabhängige Steuerstufen aufweisen.
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Die Servoeinheit kann eine Einrichtung zur Flüssigkühlung aufweisen, sodass die Servoeinheit kompakt ausgebildet sein kann. Wenn die Einrichtung zur Flüssigkühlung mit einem Motorkühlkreislauf verbindbar ist, kann bspw. auf eine gesonderte Pumpe für die Einrichtung zur Flüssigkühlung verzichtet werden.
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Vorzugsweise ist das Steuergerät der Servoeinheit in ein Steuergerät des Traktionsmotors integriert. Die Servoeinheit kann in ein gemeinsames Gehäuse des Traktionsmotors integriert sein.
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Die Lenkgetriebeanordnung kann ein einziges Lenkgetriebe oder zwei Lenkgetriebe in Tandemausführung aufweisen. Die Ausführung mit dem einzigen Lenkgetriebe ist mit der vorstehend genannten Ausführung mit dem einzigen Lenkmotor kombinierbar. Die Ausführung mit den beiden Lenkgetrieben in Tandemausführung ist entsprechend mit den beiden Lenkmotoren in Tandemausführung kombinierbar.
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Vorzugsweise ist die Lenkgetriebeanordnung mit einem Lenkgestänge gekoppelt, das ein linkes Rad und ein rechtes Rad lenksynchron miteinander verbindet.
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Das Verbindungselement kann durch einen Riemen oder eine Gelenkwelle gebildet sein, wobei der Riemen bzw. die Gelenkwelle die Servoeinheit und die Lenkgetriebeanordnung drehmomentschlüssig verbindet.
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Der Riemen bildet eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, das Verbindungselement so zu realisieren, dass aufgrund der Flexibilität des Riemens eine Relativbewegung zwischen ersten und zweitem Anbindungspunkt zugelassen wird. Bspw. kann der Riemen zum Ausgleich rotativer Relativbewegungen tordierbar bzw. verdrehtolerant ausgebildet sein. Zum Ausgleich von translativen Verschiebungsanteilen, insbesondere jener senkrecht zur Fahrzeugquerachse, kann ein zusätzliches Spannelement vorgesehen sein, welches den Riemen beständig auf Zug hält. Translative Verschiebungsanteile parallel zur Fahrzeugachse können bspw. über ein axial verschiebliches Kupplungselement zwischen Riemen und erstem und/oder zweitem Anbindungspunkt ausgeglichen werden. Bei dem Riemen kann es sich um einen Zahnriemen oder einen Keilriemen handeln.
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Die Gelenkwelle ist eine wartungsarme Ausführungsform. Für den Ausgleich der Bewegungen zwischem erstem und zweietm Anbindungspunkt können bspw. Ausgleichselemente wie eine Ausgleichhülse oder ein Ausgleichslager und/oder ein Schiebelager vorgesehen sein.
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Der Riemen kann eine Spannvorrichtung aufweisen, die eine Spannung des Riemens aufrecht hält. Die Spannvorrichtung kann zur Aufnahme translativer Bewegungsanteile einer ersten und zweiten vorzugsweise jeweils senkrecht zur Fahrzeugquerachse befindlichen Ebene angepasst sein.
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Vorzugsweise ist der Riemen durch eine erste Scheibe mit dem Lenkmotor und/oder einer zweiten Scheibe mit der Lenkgetriebe drehfest verbunden, wobei die Scheibe in einer Querrichtung des Riemens verschiebbar angeordnet ist. Translative Bewegungsanteile in der fehlenden Translationsachse kann der Riemen deshalb über eine Verschiebung von Riemen und Scheibe aufnehmen.
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Im Fall eines Zahnriemens handelt sich bei der Scheibe um eine Zahnscheibe.
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Die Gelenkwelle kann eine Ausgleichshülse oder ein Ausgleichslager und/oder ein Schiebelager aufweisen, durch die/das eine Längenänderung der Gelenkwelle ausgleichbar ist. Bei einer Gelenkwelle mit Ausgleichshülse wird ein Längenausgleich über die Ausgleichshülse/Schiebelager ermöglicht. Winkelfehler werden durch das Gelenk oder die Gelenke der Gelenkwelle ausgeglichen.
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Je nach Relativposition von Lenkgetriebe und Servoeinheit und dem überlagernden Spiel durch die Bewegung der Antriebseinheit bzw. der E-Achse kommen für die Gelenkwelle verschiedene Optionen in Frage. Das sind bspw. eine eingelenkige Welle mit Kreuzgelenk (kein Gleichlauf, kein gleichmäßiges Drehmoment) oder eine zweigelenkige Welle mit zwei Kreuzgelenken (Gleichlauf, aber pulsierendes Drehmoment) oder eine eingelenkige Welle mit homokinetischem Gelenk, auch Gleichlaufgelenk, CV = Constant Velocity Joints genannt (Gleichlauf, konstantes Drehmoment).
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Der Gelenkwelle oder dem Riemen kann ein Übersetzungsgetriebe, insbesondere ein Übersetzungsgetriebe ins Langsame (Untersetzungsgetriebe) zugeordnet sein, das mit der Gelenkwelle und dem Lenkmotor drehmomentschlüssig verbunden und zwischen der Gelenkwelle und dem Lenkmotor angeordnet ist. Das Übersetzungsgetriebe kann etwa ein Stirnradgetriebe für den oder die Lenkmotoren sein, welches zwischen den jeweiligen Lenkmotor und die Gelenkwelle zwischengeschaltet ist. Dadurch kann ein vergleichsweise teurer Kugelgewindetrieb für das Lenkgetriebe in der Lenkgetriebeanordnung durch ein kostengünstigeres Getriebe, z.B. ein Schneckenradgetriebe, ersetzt werden.
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Im Rahmen der Erfindung wird ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrzeugrahmen und einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit offenbart und beansprucht, die mit dem Fahrzeugrahmen verbunden ist, wobei der zweite Anbindungspunkt unbeweglich und der erste Anbindungspunkt beweglich gegenüber dem Fahrzeugrahmen sind.
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Vorzugsweise umfasst die elektrische Antriebseinheit einen elektrischen Traktionsmotor, der im Fahrzeugrahmen schwimmend gelagert bzw. gehalten ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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In diesen zeigen
- 1 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform der Antriebseinheit mit Riemen als Servolenkung;
- 2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform der Antriebseinheit mit Riemen-Tandemlenkung als Steer-By-Wire-System;
- 3 eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform mit teleskopierbarer Gelenkwelle als Servolenkung;
- 4 eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform mit Gelenkwellen-Tandemlenkung als Steer-By-Wire-System und
- 5 die Freiheitsgrade einer schwimmenden Lagerung einer elektrischen Antriebsachse
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1 zeigt den Grundaufbau einer elektrischen Antriebseinheit 10, der bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen gemäß 2 bis 4 ebenfalls verwirklicht ist und auch im Zusammenhang mit diesen Ausführungsbeispielen offenbart wird. Die elektrische Antriebseinheit 10 wird sowohl als solche, d.h. unabhängig von dem Kraftfahrzeug, in das die Antriebseinheit 10 verbaut wird, als auch im Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug in, d.h. im eingebauten Zustand offenbart und beansprucht.
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In die Antriebseinheit 10 ist ein Lenksystem bzw. eine Lenkeinrichtung integriert. Das Lenksystem bzw. die Lenkeinrichtung kann, wie in den 1, 3 dargestellt, eine mechanische Lenkung aufweisen, bei der das Lenkrad 47 mechanisch mit einem Lenkgestänge 32 verbunden ist. Das Lenksystem kann, wie in den 2, 4 dargestellt, eine Lenkung auf der Basis eines Steer-by-Wire Systems umfassen, bei der keine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad 47 und den gelenkten Rädern 33, 34 besteht. Ein weiteres Kennzeichen der Lenkung ist, dass ein linkes und rechtes Rad 33, 34 über ein Lenkgestänge 32 miteinander gekoppelt sind (keine Einzelradlenkung).
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Das in die Antriebseinheit 10 integrierte Lenksystem umfasst eine Servoeinheit 20, die zur Lenkkraftunterstützung ausgebildet ist, insbesondere wenn es sich um eine mechanische Lenkung handelt. Alternativ kann die Servoeinheit 20 das gesamte Lenkmoment übertragen, wenn die Lenkung als Steer-by-Wire System ausgeführt ist. Die Servoeinheit 20 weist wenigstens einen elektrischen Lenkmotor 21 auf. Die Servoeinheit 10 wird von einer elektronischen Steuereinrichtung 52 angesteuert, die über Signalleitungen 53 Vorgaben vom Fahrer und weitere Messsignale über Signalleitungen 54 zugeführt werden. Daraus werden Vorgabe für die Servoeinheit 20 bestimmt und diese über die Signalleitungen 55 entsprechend übertragen. Wie in den 2, 4 dargestellt, können mehrere Lenkmotoren 21, insbesondere zwei Lenkmotoren 21 vorgesehen sein. Die Servoeinheit 20, insbesondere der Lenkmotor 21 ist mit einem Traktionsmotor 22 der Antriebseinheit 10 fest verbunden. Bei dem Traktionsmotor 22 handelt es sich um einen elektrischen Traktionsmotor, der schwimmend, über z.B. elastische Lagerungspunkte 51 in einem Fahrzeugrahmen 14 gelagert ist. Die Antriebseinheit 10 umfasst ferner wenigstens einen Wechselrichter 23 für den Traktionsmotor 22 und ein Übersetzungsgetriebe ins Langsame 49 (Untersetzungsgetriebe) mit entsprechenden Gehäuse. Zusammen mit der Antriebsachse 48, d.h. der Rad-Antriebsachse 48 bildet der Traktionsmotor 22 und das vorstehend genannte Lenksystem die elektrische Antriebseinheit 10, die daher auch elektrifizierte Achse oder E-Achse genannt wird. Mit Bezugszeichen 50 ist das Differential bezeichnet.
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Das Lenksystem bzw. die Antriebseinheit 10 umfasst ferner eine Lenkgetriebeanordnung 30, die mit dem Fahrzeugrahmen 14 verbunden ist. Zwischen der Lenkgetriebeanordnung 30 und der Servoeinheit 20 ist ein Verbindungselement 40 angeordnet, dass die in der Servoeinheit 20 generierten Lenkmomente auf die gelenkten Räder 33, 34 überträgt. Dazu verbindet das Verbindungselement 40 die Servoeinheit 20, konkret den Lenkmotor 21 drehmomentschlüssig mit der Lenkgetriebeanordnung 30.
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Die Servoeinheit 20 weist einen ersten Anbindungspunkt 12 auf. Der erste Anbindungspunkt 12 ist auf der Lenk-Antriebsseite angeordnet. Am ersten Anbindungspunkt 12 sind das Verbindungselement 40 und die Servoeinheit 20 spielfrei verbunden
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Der erste Anbindungspunkt 12 ist spielbehaftet im Raum und zwar in dem Sinne, dass der erste Anbindungspunkt 12 innerhalb gewisser Grenzen in allen 6 Freiheitsgraden translatorisch und rotatorisch verdreh- bzw. verschiebbar ist, insbesondere zusammen mit dem Traktionsmotor 22. Der erste Anbindungspunkt 12 folgt der Bewegung des schwimmend gelagerten Traktionsmotors 22 bzw. der elektrischen Antriebseinheit 10 direkt. Ursächlich für die Bewegung der elektrischen Antriebseinheit 10 sind Fahrmanöver (Beschleunigen, Bremsen, Bodenunebenheiten, Schlaglöcher, Kurvenfahrten etc.), weshalb die Bewegungsbahn der elektrischen Antriebseinheit 10 bzw. des ersten Anbindungspunktes 12 relativ zum Fahrzeugrahmen 14 nicht vorhersagbar ist.
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Die Freiheitsgrade des Traktionsmotors 22 sind in 5 verdeutlicht. Die translatorischen Freiheitsgrade sind durch durchgezogene Pfeile und die rotatorischen Freiheitsgrade durch strichpunktierte Pfeile angezeigt.
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Der zweite Anbindungspunkt 13 ist auf der Lenk-Abtriebsseite angeordnet.
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Am zweiten Anbindungspunkt 13 sind die Lenkgetriebeanordnung 30 und der Fahrzeugrahmen 14 spielfrei verbindbar, wenn die Antriebseinheit 10 montiert wird. Im montierten Zustand, d.h. im Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug 11 sind die Lenkgetriebeanordnung 30 und der Fahrzeugrahmen 14 spielfrei verbunden. Der zweite Anbindungspunkt 13 ist nahezu unbeweglich bezogen auf den Fahrzeugrahmen 14. Die Lenkgetriebeanordnung 30, die die eingangsseitige Rotation des Lenkrades 47 in eine Translation des Lenkgestänges 32, insbesondere der der Spurstange umsetzt, ist dadurch starr mit dem Fahrzeugrahmen 14 verbunden bzw. verbindbar.
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Die Lenkgetriebeanordnung 30 weist wenigstens ein Lenkgetriebe 31 (bei den 1, 3 ein einziges Getriebe 31; bei den 2, 4 zwei Lenkgetriebe 31) auf, das dazu dient, die Drehbewegungen des Verbindungselements 40 in eine translatorische Bewegung des Lenkgestänge 32 in an sich bekannter Weise umzuwandeln. Ein Beispiel für ein derartiges Lenkgetriebe 31 ist ein Zahnstangen-Lenkgetriebe, bei dem ein Ritzel, das in einem Lenkgehäuse gelagert ist, über eine Schrägverzahnung in die Verzahnung einer Zahnstange eingreift. Andere Getriebearten, beispielsweise ein Kugelumlaufgetriebe (insbesondere für Nutzfahrzeuge) oder ein Schneckengetriebe sind möglich.
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Die im Wesentlichen spielfreie Verbindung des Lenkgetriebes 31 mit dem Fahrzeugrahmen 14 erfolgt zumindest im Fall des Zahnstangen-Lenkgetriebes durch eine entsprechende Ausbildung des Lenkgehäuses, das starr mit dem Fahrzeugrahmen 14 verbunden ist. Das Verbindungselement 40 ist so ausgewählt, dass dieses ein Spiel zwischen erstem und zweitem Anbindungspunkt 12, 13 zulässt. Mit anderen Worten ist das Verbindungselement 40 so ausgebildet, dass Relativbewegungen zwischen den beiden Anbindungspunkten 12, 13 möglich sind.
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Wie in den 1, 2 zu erkennen, handelt es sich bei dem Verbindungselement 40 um einen Riemen 41, beispielsweise um einen Keilriemen oder einen Zahnriemen. Bei der Riemenvariante ist der Riemen 41 zum Ausgleich rotativer Relativbewegungen ausreichend tordierbar/verdrehtolerant. Zur Aufnahme translativer Bewegungsanteile einer ersten und zweiten Ebene senkrecht zur Fahrzeugquerachse ist der Riemen, insbesondere Zahnriemen über eine Spannvorrichtung (nicht abgebildet) spannbar. Translative Bewegungsanteile parallel zur Fahrzeugquerachse kann der Zahnriemen über eine Verschiebung von Zahnriemen und Zahnscheibe aufnehmen.
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Wie in den 3, 4 dargestellt kann eine Gelenkwelle 44 mit Ausgleichshülse 45 und Schiebelager 46 anstelle des Riemens als Verbindungselement 40 eingesetzt werden. Die Gelenkwelle 44 kann beispielsweise in Schiebebauweise ausgeführt sein, sodass die Gelenkwelle 44 teleskopierbar ist. Eine derartige Lenk-Gelenkwelle wurde bspw. von der Anmelderin unter der Bezeichnung InCar®plus-Hybrid-Lenkwelle entwickelt und ist im Rahmen der Erfindung einsetzbar.
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Die Lenkgetriebeanordnung 30 kann vorteilhaft als Tandem-Lenkgetriebe mit zwei Lenkmotoren 21 und zwei Lenkgetrieben 31 ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft weisen beide Lenkmotoren 21 ein separates bzw. unabhängiges Wechselrichter auf. Hiermit kann ein redundantes Lenkungssystem bereitgestellt werden, das sich insbesondere im Hinblick auf die mechanische Entkopplung von Lenkrad und Lenkgetriebe besonders eignet (Steer by Wire) und sowohl auf mechanischer Seite (zwei Motoren, zwei Getriebe) als auch auf elektronischer Seite (zwei Wechselrichter) Redundanz aufweist. Die Motoren und Wechselrichter können vorteilhafterweise gleichfalls verschiedene Stufen der Redundanz aufweisen: Etwa kann der Motor mit zwei unabhängigen Wicklungen beschaltet sein. Die Leistungsstufe jedes Wechselrichters kann aus zwei unabhängigen Leistungsstufen beschickt bestehen, die jeweils eine unabhängige Wicklung des Lenkmotors 21 ansteuern. Die Kontrollstufe bzw. Steuerstufe der Leistungseinheit kann doppelt ausgeführt sein (2 Mikrocontroller). Es können zwei Steckverbindungen für jeden Wechselrichter vorliegen. Die Sensoren können redundant ausgeführt sein.
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Bei den Ausführungsbeispielen kann eine gemeinsame Kühlung vorgesehen sein. Die Servoeinheit 20 der Lenkeinrichtung bzw. des Lenksystems kann über den Kühlkreislauf der E-Achse bzw. der Antriebseinheit 10 gekühlt werden. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung des flüssiggekühlten Lenkmotors 21 gegenüber einem luftgekühlten Motor.
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Es kann eine hard- und/oder softwareseitige Integration der Wechselrichter oder Teilen davon vorgesehen sein. Das Steuergerät der Lenkeinrichtung bzw. des Lenksystems kann in das Steuergerät der E-Achse, konkret des Traktionsmotors 22 integriert sein. Hierbei kann unnötige Redundanz abgebaut werden (z.B. gemeinsame Nutzung eines Zwischenkreiskondensators für alle Leistungsebenen (power stages) der Steuergeräte von Lenkeinrichtung und Traktionsmotor 22).
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Für eine weiterführende Systemintegration möglich sind außerdem:
- - Verzicht auf eigene Stecker für Teilsysteme für die Spannungsversorgung oder Sensorsignale
- - Integration von Leistungs und/oder Steuerstufen auf einer gemeinsamen Platine
- - Gemeinsame Kühlung aller Steuergeräte über einen Kühlkreislauf
- - Mechanische Gehäuse-Integration: Systemkomponenten der Servoeinheit 20 sind bevorzugt in die E-Achse bzw. in ein gemeinsames Gehäuse integriert
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Die im Zusammenhang mit der elektrischen Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug gemäß
DE 20 20178 103 400 beschriebenen Ausgestaltungen und Vorteile können mit der vorliegenden Erfindung kombiniert werden. Konkret wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Achsantriebseinheit für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug offenbart, das wenigstens eine Antriebsachse aufweist, mit wenigstens einem Elektromotor zur Erzeugung eines Antriebsmomentes und wenigstens einem Getriebe zur Übertragung des Antriebsmomentes auf die Antriebsachse, wobei der Elektromotor und das Getriebe eine Baueinheit bilden. Eine Leistungselektronik und eine elektromechanische Lenkanlage mit wenigstens einem Elektromotor zur Erzeugung eines Lenkmomentes sind in die Baueinheit integriert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrische Antriebseinheit
- 11
- Kraftfahrzeug
- 12
- erster Anbindungspunkt
- 13
- zweiter Anbindungspunkt
- 14
- Fahrzeugrahmen
- 20
- Servoeinheit
- 21
- Lenkmotor
- 22
- Traktionsmotor
- 23
- Wechselrichter
- 30
- Lenkgetriebeanordnung
- 31
- Lenkgetriebe
- 32
- Lenkgestänge
- 33
- linkes Rad
- 34
- rechtes Rad
- 40
- Verbindungselement
- 41
- Riemen
- 43
- Scheibe
- 44
- Gelenkwelle
- 45
- Ausgleichshülse
- 46
- Schiebelager
- 47
- Lenkrad
- 48
- Antriebsachse
- 49
- Getriebe
- 50
- Differential
- 51
- Lagerungspunkt
- 52
- elektronische Steuereinrichtung
- 53
- Signalleitung
- 54
- Signalleitung
- 55
- Signalleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3096965 A2 [0003]
- EP 2768720 B1 [0003]
- EP 0544597 A1 [0003]
- CN 205573627 U [0003]
- EP 3138718 A1 [0003]
- DE 102009040821 B3 [0003]
- DE 102009054727 A1 [0003]
- DE 2020178103400 [0061]
