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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Achsantrieb eines Fahrzeuges, welcher eine Antriebsachse des Fahrzeuges, einen Rotor einer elektrischen Maschine mit einer Rotorwelle, ein zwischen der Rotorwelle und der Antriebsachse angeordnetes Übersetzungsgetriebe sowie eine Parksperrenvorrichtung mit Parksperrenrad umfasst.
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Parksperren sind bekannt bei Automatgetrieben und haben den Zweck, das Fahrzeug bei abgeschaltetem Motor am Wegrollen zu hindern. Eine Parksperre ist eine mechanische Verriegelung der Getriebeabtriebswelle gegenüber dem Getriebegehäuse.
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Durch die
DE 199 33 618 A1 und die
DE 102 45 951 A1 der Anmelderin wurden Parksperrenvorrichtungen für Automatgetriebe bekannt. Eine Parksperrenvorrichtung umfasst im Wesentlichen ein Parksperrenrad, welches auf seinem Umfang eine Verzahnung aufweist und vorzugsweise mit der Getriebeabtriebswelle drehfest verbunden ist. In die Verzahnung greift - bei eingelegter Parksperre - eine Sperrklinke ein, welche über einen Sperrbolzen gegenüber dem Getriebegehäuse gelagert und abgestützt ist. Ein Problem bei derartigen Parksperren kann sich dann ergeben, wenn die Parksperre dynamisch, d. h. bei noch rollendem Fahrzeug eingelegt wird: in diesem Falle entsteht ein Stoß, welcher starke Reaktionskräfte an der Sperrklinke und dem im Getriebegehäuse gelagerten Parksperrenbolzen hervorruft.
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DE 10 2011 080 236 A1 offenbart eine radnahe Antriebsvorrichtung für ein einzelnes Rad eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein elektrisches Antriebsmittel mit zumindest einer Antriebsachse für das Rad und ein Getriebe, welches mit der zumindest einen Antriebsachse zur Übertragung von Drehmomenten zum Antrieb des Rades zusammenwirkt und das mit dem einzelnen Rad verbindbar ist.
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DE 10 2011 016 584 A1 zeigt einen Sperrmechanismus zum drehfesten Arretieren einer Welle, insbesondere eine Parksperre für eine Welle eines Kraftfahrzeugs, mit einer Sperrklinke, die in einer Sperrstellung in zumindest eine Rastausnehmung eines mit der Welle verbundenen Klinkenrads eingreift, wobei an dem Klinkenrad ein als Torsionsdämpfer ausgebildeter Achsabschnitt angeordnet ist, der sich zumindest einseitig aus einer durch das Klinkenrad aufgespannten Ebene erstreckt und der zumindest abschnittsweise die Drehachse des Klinkenrads bildet.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem elektrischen Achsantrieb eine Parksperrenvorrichtung vorzusehen, welche den betriebsbedingten Beanspruchungen gerecht wird.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist bei einem elektrischen Achsantrieb eines Fahrzeuges vorgesehen, dass die Rotorwelle des Rotors der elektrischen Maschine über ein Drehfederelement mit dem Parksperrenrad der Parksperrenvorrichtung verbunden ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass ein beim Einlegen der Parksperre auftretender Stoß abgefedert und gedämpft wird. Die aus dem Stoß resultierenden Reaktionskräfte und -momente werden durch das Drehfederelement erheblich reduziert.
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Das Drehfederelement ist als Torsionswelle ausgebildet, d. h. als drehweiche Welle, welche eine durch ihr Material, ihre geometrischen Abmessungen, insbesondere Länge und Durchmesser eine definierte Drehsteifigkeit aufweist, welche somit unter Drehmomentbelastung eine definierte Verwindung zulässt.
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Die Rotorwelle ist hohl ausgebildet und nimmt die Torsionswelle in sich auf. Die Torsionswelle als Drehfederelement beansprucht somit idealerweise keinen oder nur einen sehr geringen zusätzlichen Bauraum in dem elektrischen Achsantrieb.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Torsionswelle an ihren beiden entgegen gesetzten Enden eine erste und eine zweite Drehmomentschnittstelle auf, wobei die erste Drehmomentschnittstelle mit der Rotorwelle und die zweite Drehmomentschnittstelle mit dem Parksperrenrad drehfest verbunden sind. Damit wird das an der Rotorwelle wirkende Drehmoment über die Länge der Torsionswelle auf das Parksperrenrad übertragen, so dass der von der Rotorwelle ausgehende Drehmomentstoß abgefedert wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Übersetzungsgetriebe direkt von der Rotorwelle angetrieben. Durch das Übersetzungsgetriebe wird die Drehzahl der elektrischen Maschine, d. h. die Rotordrehzahl gegenüber der Drehzahl einer Antriebsachse des Fahrzeuges reduziert, vorzugsweise bei einem Übersetzungsverhältnis im Bereich von 1:15 bis 1:2. Die Antriebsachse kann dabei einstückig ausgeführt sein oder aus zwei Teilachsen bestehen, welche insbesondere durch ein Differenzialgetriebe miteinander in Wirkverbindung stehen. Vorzugsweise sind hinsichtlich des Übersetzungsgetriebes zwei Übersetzungsstufen, insbesondere Zahnradstufen vorgesehen. Dabei kann auf dem Umfang der Rotorwelle eine Ritzelverzahnung vorgesehen sein, welche mit einem Zahnrad der ersten Übersetzungsstufe in Eingriff steht. Bei dieser Anordnung findet bei eingelegter Parksperre eine Teilung des Momentenflusses statt, wobei ein erster Teil des Momentenflusses über das Übersetzungsgetriebe fließt und ein zweiter Teil von der Rotorwelle über die Torsionswelle auf das Parksperrenrad, welches gegenüber einem Getriebegehäuse blockiert ist. Diese Variante hat den Vorteil, dass die Torsionswelle im Lastkollektiv weniger stark beansprucht wird, nämlich nur dann, wenn die Parksperre eingelegt wird.
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Das Übersetzungsgetriebe wird über die Torsionswelle angetrieben. Letztere liegt also immer - bei eingelegter oder nicht eingelegter Parksperre - im Momentenfluss zwischen Rotor und Übersetzungsgetriebe. Die Torsionswelle muss damit auf das Kollektiv des normalen Fahrbetriebes dimensioniert werden. Andererseits können sich durch diese Anordnung des Parksperrenrades im Momentenfluss des normalen Fahrbetriebes Bauraumvorteile ergeben.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Übersetzungsgetriebe ausgangsseitig mit der Antriebsachse bzw. den Teilachsen verbunden, vorzugsweise mit einem Achsdifferenzial der Antriebsachse, und bevorzugt zweistufig ausgebildet. Es sind jedoch auch Ausführungen denkbar, bei denen das Übersetzungsgetriebe einstufig, also mit lediglich einem Übersetzungsverhältnis ausgebildet ist, aber auch mehrstufige Ausgestaltungen mit mehr als zwei Getriebestufen sind möglich. Dabei treibt das Getriebeausgangsglied, vorzugsweise ein Abtriebszahnrad der zweiten Stufe, das Gehäuse des Achsdifferenzials an. Damit ergibt sich ein kompaktes Übersetzungsgetriebe zwischen Rotorwelle und Antriebsachse.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine, insbesondere deren Rotor beim Einlegen der Parksperre abbremsbar, was durch eine geeignete Regelung erfolgen kann. Eine solche Abbremsung entlastet die Parksperrenvorrichtung, da die belastungsrelevanten Massenträgheitsmomente kompensiert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
- 1 eine perspektivische Darstellung eines bekannten elektrischen Achsantriebes,
- 2 eine erfindungsgemäße Anbindung eines Parksperrenrades an die Rotorwelle einer elektrischen Maschine,
- 3 ein Diagramm mit dem zeitlichen Drehmomentverlauf beim Einlegen der Parksperre im Vergleich zwischen dem Stand der Technik und der Erfindung,
- 4 eine erste Anordnung des Parksperrenrades außerhalb des Antriebsstranges und
- 5 eine zweite Anordnung des Parksperrenrades innerhalb des Antriebsstranges.
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1 zeigt einen bekannten elektrischen Achsantrieb 1, welcher eine Antriebsachse 2 eines Fahrzeuges, einen Rotor 3 einer elektrischen Maschine, eine Rotorwelle 4 sowie optional ein Übersetzungsgetriebe 5, bestehend aus zwei Stufen 5a, 5b, umfasst. Die Antriebsachse 2 (bzw. Teilachsen) des Fahrzeuges weist ein Achsdifferenzial 6 auf, dessen Gehäuse vom Abtriebsrad der zweiten Stufe 5b angetrieben wird. Die Rotorwelle 4 ist mit einer Parksperrenvorrichtung verbunden, welche im Wesentlichen aus einem Parksperrenrad 7 und einer Sperrklinke 8 besteht, welche in eine Umfangsverzahnung des Parksperrenrades 7 eingreift. Das Parksperrenrad 7 ist hier starr mit der Rotorwelle 4 verbunden. Der Sperrmechanismus entspricht dem eingangs genannten, druckschriftlichen Stand der Technik. Insbesondere kann ferner eine hier nicht gezeigte Blockiervorrichtung vorgesehen werden. Diese wirkt auf die Sperrklinke 8 und blockiert diese, wenn diese in die Umfangsverzahnung des Parksperrenrades 7 eingreift. Dies dient der Vermeidung eines ungewollten Auslegens der Sperrklinke 8.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb eines Fahrzeuges in einer Schnittdarstellung, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszahlen wir in 1 verwendet werden. Die Rotorwelle 4 treibt die erste Stufe 5a des Übersetzungsgetriebes 5 an, und die zweite Stufe 5b treibt die Antriebsachse 2 an, auf welcher das Achsdifferenzial 6 angeordnet ist. Das Abtriebsrad der zweiten Stufe 5b ist direkt mit dem Gehäuse des Achsdifferenzials 6 verbunden, so dass die Antriebsachse 2 über das Differenzial 6 angetrieben wird.
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Die Rotorwelle 4 ist hohl ausgebildet und nimmt in sich eine Torsionswelle 9 auf, welche als Hohlwelle 9 ausgebildet ist; Rotorwelle 4 und Torsionswelle 9 sind koaxial zueinander angeordnet. Die Torsionswelle 9, allgemein als Drehfederelement bezeichnet, weist eine definierte Drehsteifigkeit oder Drehweichheit auf, welche insbesondere durch die Länge und den Kreisringquerschnitt der Torsionswelle 9 bestimmt wird. Die Torsionswelle 9 weist eine erste Drehmomentschnittstelle 9a auf, an welcher sie mit einem Ende der Rotorwelle 4 verbunden ist, beispielsweise durch eine formschlüssige Verbindung, z. B. eine Mitnahmeverzahnung oder durch eine stoffschlüssige Verbindung. Die Torsionswelle 9 weist eine zweite Drehmomentschnittstelle 9b auf, welche außerhalb der Rotorwelle 4 angeordnet ist und mit dem Parksperrenrad 7 drehfest verbunden ist, vorzugsweise durch eine formschlüssige Verbindung in Form einer Mitnahmeverzahnung. Aufgrund der Torsionsweichheit der Torsionswelle 9 findet bei entgegensetzt an der ersten und der zweiten Drehmomentschnittstelle 9a, 9b angreifenden Drehmomenten eine definierte Verdrehung der Torsionswelle 9 statt, welche bei einer Stoßbelastung eine Stoß mindernde Wirkung zur Folge hat. Das Parksperrenrad 7 wird bei eingelegter Parksperre durch eine Sperrvorrichtung, vorliegend die Sperrklinke 8 blockiert, wobei sich die Sperrklinke 8 gegenüber einem nicht dargestellten Gehäuse abgestützt.
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3 zeigt ein Diagramm, in welchem über der Zeitachse der Drehmomentverlauf bei einem schlagartigen Einrasten der Parksperre dargestellt ist. Das Drehmoment ist mit MD bezeichnet und in der Einheit Newtonmeter [Nm] angegeben, während die Zeit mit t bezeichnet und in Sekunden [s] angegeben ist. Die durchgezogene Kurve zeigt einen Drehmomentverlauf mit einer ausgeprägten Spitze S, d. h. einem sprungartigen Anstieg des Drehmoments in einer Rotorwelle, welche konventionell, d. h. starr oder zumindest sehr steif mit dem Parksperrenrad verbunden ist. Die gestrichelte Linie zeigt den Drehmomentverlauf für eine erfindungsgemäße Anbindung des Parksperrenrades an die Rotorwelle, nämlich eine drehweiche, nachgiebige Verbindung, vorzugsweise mittels der erfindungsgemäßen Torsionswelle, wie sie oben beschrieben ist. Die Drehweichheit der Torsionswelle führt zu einem wesentlich flacheren Drehmomentverlauf, welcher durch einen flachen Buckel B gekennzeichnet ist. Dabei ist festzuhalten, dass der zunächst auftretende Stoß des Drehmoments vom Betrag her nur etwa 15 bis 20 % und der Spitzenwert B nur etwa 25 % gegenüber dem Stand der Technik (Spitze S) betragen. Aus dem Diagramm wird deutlich, dass durch die Erfindung eine signifikante Reduzierung der Beanspruchung der gesamten Antriebseinrichtung, insbesondere von Rotorwelle, Torsionswelle und Parksperrenvorrichtung erreicht wird.
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4 zeigt eine schematische Anordnung des elektrischen Achsantriebes in einer ersten Anordnungsvariante, welche der Darstellung in 2 entspricht. Das Parksperrenrad 7, welches drehweich über die Torsionswelle 9 mit der Rotorwelle 4 der elektrischen Maschine, hier mit EM bezeichnet, verbunden ist, liegt außerhalb des Antriebsstranges, welcher durch ein strichpunktiert gezeichnetes Rechteck gekennzeichnet ist und durch die elektrische Maschine EM, das Übersetzungsgetriebe 5 und die Antriebsachse 2 gebildet wird. Das Parksperrenrad 7 liegt somit nicht im Momentenfluss des normalen Fahrbetriebes des Fahrzeuges. Dadurch ist eine stark reduzierte Bauteildimensionierung möglich, da bezüglich des Lastkollektivs eine deutlich reduzierte Anforderung besteht und die Verbindung dem angepasst werden kann.
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5 zeigt eine zweite Anordnungsvariante für das Parksperrenrad 7, welches hier zwischen der elektrischen Maschine EM und dem Übersetzungsgetriebe 5 angeordnet ist, also innerhalb des durch ein strichpunktiertes Rechteck gekennzeichneten Antriebsstranges liegt. Das Parksperrenrad 7, welches über die Torsionswelle 9 drehweich mit der Rotorwelle 4 verbunden ist, liegt somit im Momentenfluss des normalen Fahrbetriebes. Dadurch muss das Kollektiv des normalen Fahrbetriebes bei der Dimensionierung berücksichtigt werden. Je nach Übersetzung des Übersetzungsgetriebes 5 (etwa zwischen 1:15 und 1:2) können sich dabei Bauraumvorteile ergeben, nämlich dann, wenn die Belastung durch das Kollektiv im Fahrbetrieb das Parksperrenkollektiv nicht stark übersteigt.
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Eine weitere, nicht in der Zeichnung dargestellte, erfindungsgemäße Maßnahme, durch welche die Belastungen für die Parksperre abgesenkt werden können, besteht darin, dass die elektrische Maschine mit Hilfe einer entsprechenden Regelung aktiv abgebremst wird. Eine solche Regelung würde einen Drehzahlsensor umfassen, welcher beim Einlegen der Parksperre detektiert, wann die nächste Lücke am Parksperrenrad vorbeikommt. Ist die Einrastdrehzahl erreicht, dann wird die elektrische Maschine so abgebremst, dass die belastungsrelevanten Massenträgheitsmomente kompensiert werden und ein „sanftes“ Einrasten der Parksperre erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrischer Achsantrieb
- 2
- Antriebsachse
- 3
- Rotor
- 4
- Rotorwelle
- 5
- Übersetzungsgetriebe
- 5a
- erste Stufe
- 5b
- zweite Stufe
- 6
- Achsdifferenzial
- 7
- Parksperrenrad
- 8
- Sperrklinke
- 9
- Drehfederelement/Torsionswelle
- 9a
- erste Drehmomentschnittstelle
- 9b
- zweite Drehmomentschnittstelle
- B
- Buckel, Drehmomentverlauf
- EM
- elektrische Maschine
- MD
- Drehmoment
- Nm
- Newtonmeter
- s
- Sekunde
- S
- Spitze, Drehmomentverlauf
- t
- Zeit
