DE102018112997A1

DE102018112997A1 - Antriebseinrichtung für ein Elektrofahrzeug mit einer Fliehkraftkupplung

Info

Publication number: DE102018112997A1
Application number: DE102018112997.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Müller
Original assignee: Neapco Intellectual Property Holdings LLC
Current assignee: Neapco Intellectual Property Holdings LLC
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2019-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung (10) für ein Elektrofahrzeug, aufweisend eine elektrische Energiespeichervorrichtung (23), einen Elektromotor (20) und ein Fahrzeuggetriebe mit einer Getriebeeingangswelle (21), die rotatorisch mit dem Elektromotor (20) verbunden ist, und einem Getriebeausgangselement, welches rotatorisch mit wenigstens einer Antriebswelle (100;101) eines Fahrzeugrades (200;201) des Elektrofahrzeugs verbunden ist. Dabei ist das Fahrzeuggetriebe ein Ein-Gang-Getriebe und beinhaltet eine Fliehkraftkupplung, die bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl der Getriebeeingangswelle (21) durch eine Kraftschlussverbindung eine rotatorische Verbindung zwischen der Getriebeeingangswelle (21) und dem Getriebeausgangselement herstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Elektrofahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, aufweisend eine elektrische Energiespeichervorrichtung, einen Elektromotor und ein Fahrzeuggetriebe mit einer Getriebeeingangswelle, die rotatorisch mit dem Elektromotor verbunden ist, und einem Getriebeausgangselement, welches rotatorisch mit wenigstens einer Achswelle eines Fahrzeugrades des Elektrofahrzeugs verbunden ist.
Bei Antriebseinrichtungen für Elektrofahrzeuge besteht unter anderem die Aufgabe, das Fahrzeug ohne Anfahrtschwäche und gleichzeitig aber mit ausreichend hoher Endgeschwindigkeit auszulegen. Dabei können zur Übertragung der Rotation einer Ausgangswelle des Elektromotors auf die Antriebswellen des Fahrzeugs Getriebe mit einem oder mehr Gängen eingesetzt werden. Bei Ein-Gang-Getrieben besteht das Problem, das sie aufgrund des für das Anfahren erforderlichen Untersetzungsverhältnisses oftmals nicht die gewünschten hohen Endgeschwindigkeiten realisieren können. Wird das Untersetzungsverhältnis hingegen kleiner gewählt, um höhere Endgeschwindigkeiten zu erreichen, sind im unteren Drehzahlbereich Wirkungsgrad bzw. Drehmoment nicht ausreichend, um beispielsweise das problemlose Anfahren an einer Steigung zu ermöglichen. Bei Mehrganggetrieben kann hingegen der Charakter des Elektromotors verfälscht werden, wenn ein schaltbares Getriebe zu kurzen Lastausfällen führt. Ferner sind Mehrganggetriebe mit mehr als einer Kupplung komplex, aufwendig und damit kostenintensiv.
In Hybrid-Elektrofahrzeugen mit einer Kombination aus Elektromotor und Verbrennungsmotor werden ferner oftmals Antriebseinrichtungen mit einem Getriebe und wenigstens einer Fliehkraftkupplung eingesetzt. Die Fliehkraftkupplung nimmt bei einer entsprechenden Eingangsdrehzahl einen Kopplungszustand ein, in welchem ein Getriebeeingangselement mit einem Getriebeausgangselement gekoppelt ist und Drehmoment zwischen diesen beiden Getriebeelementen übertragen wird. Die Fliehkraftkupplung kann insbesondere als Reibungskupplung ausgeführt sein, wobei mehrere Reibelemente durch Zentrifugalkraft nach außen gegen eine Kupplungsglocke gedrückt werden, um so durch Reibschluss eine Kopplung herbeizuführen. Bei sinkender Drehzahl lösen sich die Reibelemente wieder von der Kupplungsglocke und die Kopplung wird aufgelöst.
Beispielsweise offenbart die DE 10 2013 219 229 A1 ein Zwei-Gang-Automatikgetriebe für Elektroantriebe mit einer Fliehkraftkupplung. Mit diesem Automatikgetriebe soll auch eine Rekuperation möglich sein, d.h. eine Rückgewinnung von Energie und Aufladen der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebseinrichtung für ein Elektrofahrzeug bereitzustellen, die möglich einfach aufgebaut ist und hohe Endgeschwindigkeiten des Elektrofahrzeugs zusammen mit einem problemlosen Anfahren insbesondere am Berg erlaubt. Insbesondere soll die Antriebseinrichtung auch die Rekuperation einer elektrischen Energiespeichervorrichtung des Elektrofahrzeugs ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Antriebsvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-15.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung eignet sich zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs, wobei es sich bei dem Elektrofahrzeug vorzugsweise um einen Personenkraftwagen handelt. Ein solcher Personenkraftwagen sollte je nach Anforderungsprofil bestimmte Bedingungen erfüllen, zu denen neben hoher Reichweite beispielsweise auch eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit gehören kann. Bei den zu erzielenden Endgeschwindigkeiten sind beispielsweise Geschwindigkeiten im Bereich von 130 km/h bis 180 km/h erstrebenswert.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung weist als Komponenten eine elektrische Energiespeichervorrichtung, einen Elektromotor und ein Fahrzeuggetriebe auf. Bei der Energiespeichervorrichtung handelt es sich um einen oder mehrere Akkumulatoren, die den Strom zum Antrieb des Elektromotors liefern und durch Anschluss an eine externe Stromquelle aufladbar sind. Eine solche Energiespeichereinrichtung wird auch als Traktionsbatterie bezeichnet. Ferner ist die Energiespeichervorrichtung vorzugsweise zur Rekuperation ausgebildet, d.h. zum Aufladen der Energiespeichervorrichtung durch Umkehr der Energieumwandlung in der Antriebseinrichtung. Hierzu ist im Fahrzeug ein Batterielademanagementsystem vorgesehen.
Das Fahrzeuggetriebe weist eine Getriebeeingangswelle auf, die rotatorisch mit dem Elektromotor verbunden ist. Dies bedeutet, dass der Elektromotor so mit der Getriebeeingangswelle verbunden, dass der Elektromotor eine Rotation der Getriebeeingangswelle bewirkt. Umgekehrt kann bei einem Generatorbetrieb des Elektromotors eine Rotation der Getriebeeingangswelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese rotatorische Verbindung kann direkt oder indirekt über wenigstens eine Getriebestufe realisiert sein. Ferner weist das Fahrzeuggetriebe ein Getriebeausgangselement auf, welches rotatorisch mit wenigstens einer Antriebswelle eines Fahrzeugrades des Elektrofahrzeugs verbunden ist. Auch diese rotatorische Verbindung ist direkt oder indirekt über eine wenigstens eine Getriebestufe realisiert. Ferner können Getriebekomponenten wie ein Achsdifferential zwischengeschaltet sein.
Erfindungsgemäß ist das Fahrzeuggetriebe ein Ein-Gang-Getriebe, das eine Fliehkraftkupplung beinhaltet, die bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl der Getriebeeingangswelle durch eine Kraftschlussverbindung eine rotatorische Verbindung zwischen der Getriebeeingangswelle und dem Getriebeausgangselement herstellt. Beim Anfahren des Elektrofahrzeugs ist die Fliehkraftkupplung ausgekuppelt und mit steigender Drehzahl des Elektromotors und damit der Getriebeeingangswelle erfolgt ein „Schleifen“ bis die Fliehkraftkupplung bei Erreichen einer bestimmten Kopplungsdrehzahl einen eingekuppelten Zustand erreicht, in dem die Rotation der Getriebeeingangswelle und damit des Elektromotors auf das Getriebeausgangselement und damit auf die Fahrzeugräder übertragen wird. Die Kopplungsdrehzahl ist an der Fliehkraftkupplung vorzugsweise frei einstellbar, so dass die Fliehkraftkupplung auf das jeweilige Wirkungsgradprofil eines verwendeten Elektromotors einstellbar ist.
Hierdurch ist es möglich, für das Fahrzeuggetriebe insgesamt ein relativ kleines Untersetzungsverhältnis zu wählen, und so relativ hohe Endgeschwindigkeiten zu erreichen. Die Fliehkraftkupplung bewirkt, dass die Leistung des Elektromotors erst ab einer bestimmten Drehzahl auf die Antriebswellen der Räder übertragen wird, so dass ausreichend großer Wirkungsgrad und Drehmoment zur Verfügung stehen, um ein problemloses Anfahren insbesondere auch am Berg zu ermöglichen. Dabei kann ein einfach aufgebautes Ein-Gang-Getriebe verwendet werden, ohne dass dies zu inakzeptablen Einschränkungen im Anfahrtverhalten oder bei der zu erzielenden Endgeschwindigkeit führt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Fahrzeuggetriebe zwei Getriebestufen auf, und die Fliehkraftkupplung ist zwischen die beiden Getriebestufen geschaltet. Dabei weist die Fliehkraftkupplung auf der Seite des Elektromotors ein Kupplungseingangselement auf, während es auf der Seite der Fahrzeugräder ein Kupplungsausgangselement aufweist. Eine erste Getriebestufe ist zwischen der Getriebeeingangswelle und der Fliehkraftkupplung verwirklicht, indem ein kleineres Ritzel auf der Getriebeeingangswelle und ein größeres Zahnrad an dem Kupplungseingangselement ein Zahnradpaar bilden, um eine erste Untersetzung zu realisieren. Das Kupplungsausgangselement weist ein kleineres Zahnrad auf, das mit einem größeren Zahnrad ein Zahnradpaar bildet, wobei ebenfalls eine Untersetzung realisiert ist. Dieses größere Zahnrad ist beispielsweise der Umlaufradträger eines Achsdifferentials und kann gleichzeitig das Getriebeausgangselement gemäß der Erfindung bilden.
Das Fahrzeuggetriebe hat beispielsweise ein Untersetzungsverhältnis zwischen der Getriebeeingangswelle und dem Getriebeausgangselement im Bereich von 6 bis 10, vorzugsweise im Bereich von 7 bis 8, besonders bevorzugt von 7,8. Vergleichbare Elektrofahrzeuge mit einem Ein-Gang-Getriebe weisen beispielsweise eine höheres Untersetzungsverhältnis von bis zu 10, insbesondere von etwa 9 auf. Wird der Elektromotor bei einem solchen Fahrzeug im Bereich von bis zu 12.000 U/min betrieben und beispielsweise ein Reifen der Größe 225/45R17 gewählt, ergibt sich eine mögliche Endgeschwindigkeit von etwa 150 km/h. Bei einem maximalen Drehmoment des Elektromotors von etwa 300 Nm ergibt sich ein maximales Drehmoment für das Fahrzeug von etwa 2700Nm. Wird bei einem ansonsten gleichen Fahrzeug die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung mit einem Untersetzungsverhältnis von 7,8 eingesetzt, erhöht sich die mögliche Endgeschwindigkeit auf 180 km/h, ohne dass dies jedoch mit einer Schwächung im Anfahrtverhalten einhergeht.
Die verwendete Fliehkraftkupplung kann auf verschiedene Arten ausgeführt sein. Beispielsweise handelt es sich um eine Reibungskupplung, bei der Kraftschluss hergestellt wird, indem Klappen oder Schieber an einem Kupplungsträger durch die Fliehkraft bei steigender Drehzahl nach außen bewegt werden, wodurch Kontakt zur Innenwandung eines Kupplungsgehäuses (Kupplungsglocke) hergestellt wird. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Fliehkraftkupplung daher als Reibungskupplung mit einem Kupplungsträger und einer Kupplungsglocke ausgebildet, wobei an dem Kupplungsträger mehrere Kupplungselemente mit außen liegenden Reibbelägen an Drehpunkten schwenkbar gelagert sind, die um die Drehachse des Kupplungsträgers angeordnet sind. Die Kupplungselemente stellen ab einer bestimmten Drehzahl des Kupplungsträgers eine Kraftschlussverbindung mit der Innenwandung der Kupplungsglocke her. Der Kupplungsträger ist folglich mit der Antriebsseite (Elektromotor) verbunden, während die Kupplungsglocke mit der Abtriebsseite (Antriebswellen der Fahrzeugräder) verbunden ist. Bei den Kupplungselementen handelt es sich beispielsweise um Klappen mit nach außen gewölbten Außenflächen, auf denen der Reibbelag angebracht ist. Im ausgekuppelten Zustand der Fliehkraftkupplung liegt zwischen der Innenwandung der Kupplungsglocke und diesem Reibbelag ein Spalt, der durch ein Verschwenken der Klappen nach außen auf Null reduziert wird. Dabei kommt der Reibbelag mit der Innenwandung der Kupplungsglocke zur Anlage, wobei die Form des Reibbelags so gewählt ist, dass dabei eine ausreichend große Kontaktfläche entsteht.
Die Kupplungselemente sind jeweils über Federelemente mit dem Kupplungsträger verbunden, wobei die Federelemente auf die Kupplungselemente eine Zugkraft in Richtung der Drehachse der Fliehkraftkupplung ausüben. Bei Rotation des Kupplungsträgers muss daher die Federkraft der Federelemente durch die Fliehkraft überwunden werden, damit diese gegen die Kupplungsglocke drücken können. Verringert sich die Drehzahl, werden die Kupplungselemente wieder zurück in Richtung Kupplungsträger gezogen. Vorzugsweise liegt die Verbindungsstelle zwischen einem Federelement und einem Kupplungselement im Bereich des Kontaktes zwischen einem Kupplungselement und der Innenwandung der Kupplungsglocke. Die Federelemente haben somit eine Rückstellwirkung, die jedoch auch durch andere Arten von Rückstellmechanismen erreicht werden könnte. Ferner kann über derartige Federelemente beispielsweise auch die Kopplungsdrehzahl der Fliehkraftkupplung eingestellt werden, um die Fliehkraftkupplung auf das jeweilige Wirkungsgradprofil eines verwendeten Elektromotors einzustellen. Dies erfolgt durch Veränderung der Zugkraft der Federelemente.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Fliehkraftkupplung einen ansteuerbaren Aktuator auf, mit welchem eine Kraftschlussverbindung der Fliehkraftkupplung herstellbar und/oder fixierbar ist. Der Aktuator kann elektrisch, magnetisch, hydraulisch und/oder mechanisch ansteuerbar sein. Zur Ansteuerung des Aktuators ist eine Steuereinheit vorgesehen, die den Aktuator in verschiedenen Zuständen der Fliehkraftkupplung ansteuern kann. Beispielsweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, den Aktuator anzusteuern, um die Fliehkraftkupplung bei einer Kraftschlussverbindung durch Erreichen einer bestimmten Drehzahl der Getriebeeingangswelle in dieser Kraftschlussverbindung zu fixieren. Die Fliehkraftkupplung erreicht somit zunächst durch eine bestimmte Drehzahl ihren Kupplungszustand und der Aktuator fixiert dann diesen Kupplungszustand. So kann die Effizienz erhöht und Reibungsverluste verringert werden. Auch ein Verschleiß der Fliehkraftkupplung kann so reduziert werden. Um den Aktuator wieder zu lösen, wenn die Drehzahl unter die Grenz-Drehzahl abfällt, muss eine Erfassung der Drehzahl erfolgen.
Alternativ oder ergänzend ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, bei inaktivem Elektromotor den Aktuator anzusteuern, um die Fliehkraftkupplung in eine Kraftschlussverbindung zu bringen, und durch Umkehr der Richtung der Energieumwandlung ein Aufladen der Energiespeichervorrichtung zu bewirken. Der Aktuator ermöglicht so einen Rekuperationsbetrieb, bei dem die Rotation der Fahrzeugräder und damit des Getriebeausgangselementes durch die eingekuppelte Fliehkraftkupplung auf die Getriebeeingangswelle und damit den Elektromotor übertragen wird. Die Steuereinheit ist daher Teil eines Steuer- und Regelsystems des Elektrofahrzeugs, welches den Fahr- und Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs überwacht und steuert. Ein Batterielademanagementsystem ist in dieses Steuer- und Regelsystem integriert.
Um die Fliehkraftkupplung in den Kupplungszustand zu bringen bzw. sie in diesem zu halten, können verschiedene Arten von Mechanismen vorgesehen sein. Dabei werden die Kupplungselemente elektrisch, magnetisch, hydraulisch und/oder mechanisch gegen die Innenwandung der Kupplungsglocke gedrückt. In einer Ausführungsform der Erfindung wirken die Kupplungselemente der Fliehkraftkupplung mit Druckelementen zusammen, die bei Ansteuerung des Aktuators durch diesen radial nach außen so gegen die Kupplungselemente gedrückt werden, dass ihre Reibbeläge eine Kraftschlussverbindung mit der Innenwandung der Kupplungsglocke herstellen. Statt der Fliehkraft üben so die Druckelemente eine radiale Kraft nach außen auf die Kupplungselemente aus. Vorzugsweise drücken die Druckelemente die Kupplungselemente jeweils im Bereich des Kontaktes zwischen einem Kupplungselement und der Innenwandung der Kupplungsglocke radial nach außen, d.h. direkt in dem Bereich, in dem Druck gegen die Innenwandung der Kupplungsglocke erforderlich ist. Bei den Druckelementen handelt es sich vorzugsweise um längliche Druckstangen bzw. Druckstäbe.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Aktuator ein axial entlang der Drehachse der Fliehkraftkupplung verlaufender Druckbolzen, durch den bei axialer Bewegung des Druckbolzens in Richtung der Druckelemente eine radiale Kraft nach außen auf die Druckelemente ausgeübt wird. Die Druckkraft des Druckbolzens in axialer Richtung wird in eine Druckkraft in radialer Richtung umgelenkt. Dies kann beispielsweise durch einen Druckbolzen mit einer entsprechenden endseitigen Ausformung erfolgen. Beispielsweise weist der Druckbolzen endseitig einen Druckbereich auf, der die Form einer Pyramide hat. Über diesen Druckbereich wird bei axialer Bewegung des Druckbolzens in Richtung der Druckelemente eine radiale Kraft nach außen auf die Druckelemente ausgeübt, indem die Seitenflächen der Pyramide die Druckelemente kontaktieren und dabei sukzessive radial nach außen bewegen. Sind beispielsweise vier Kupplungselemente vorgesehen, werden vier Druckelemente eingesetzt, um diese nach außen zu drücken. Dann weist der Druckbolzen einen pyramidenförmigen Druckbereich mit vier Seitenflächen auf. Bei fünf Kupplungselementen und fünf Druckelementen wird entsprechend ein pyramidenförmiger Druckbereich mit fünf Seitenflächen verwendet, etc.
Durch Ansteuerung des Aktuators kann der Druck der Druckelemente auf die Kupplungselemente auch wieder gelöst werden, um die Kupplung so wieder zu entkuppein, sofern die Drehzahl eines Kupplungseingangselementes in dieser Situation unterhalb der Kopplungsdrehzahl liegt. Hierzu ist vorzugsweise ein automatischer Rückstellmechanismus vorgesehen. Da die Druckelemente direkt auf die Kupplungselemente einwirken, kann dieser Rückstellmechanismus auch mit einem Rückstellmechanismus zum Lösen der Kupplungselemente von der Kupplungsglocke kombiniert werden. Sind die Kupplungselemente der Fliehkraftkupplung beispielsweise jeweils über Federelemente mit einem Kupplungsträger verbunden und wird von dem Aktuator der Druck der Druckelemente auf die Kupplungselemente gelöst, werden die Kupplungselemente durch die Federelemente (oder einen andersartigen Rückstellmechanismus) radial zurück in Richtung Kupplungsträger gezogen. Dabei ziehen sie gleichzeitig auch die Druckelemente in radialer Richtung mit sich in ihre Ausgangslage.
Eine derartige Fliehkraftkupplung mit Aktuator ist einfach aufgebaut und ermöglicht die Aufbringung eines radialen Drucks nach außen auf die Reibbeläge der Kupplungselemente, der ausreicht, um die Fliehkraftkupplung in eine Kraftschlussverbindung zu bringen bzw. sie in dieser Verbindung zu halten. So kann die Fliehkraftkupplung nicht nur genutzt werden, um ein Elektrofahrzeug ohne Anfahrschwäche und mit hohen Endgeschwindigkeiten bereitzustellen, sondern auch um einen Rekuperationsbetrieb zu ermöglichen. Beide Betriebsarten können auf einfache Weise realisiert werden ohne aufwendige Kupplungen, Schaltungen, etc.
Von der Erfindung umfasst ist auch ein Elektrofahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung innerhalb eines Elektrofahrzeugs;
2 einen schematischen Schnitt durch eine Antriebseinrichtung gemäß 1;
3 einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Fliehkraftkupplung für eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung; und
4 eine Teilansicht auf einen Kupplungsträger der Fliehkraftkupplung gemäß 3.

Die schematische Darstellung der 1 zeigt eine Antriebseinrichtung 10 mit mehreren Komponenten. Die Antriebseinrichtung ist Teil eines Elektrofahrzeugs, von dem lediglich zwei angetriebene Fahrzeugräder 200 und 201 gezeigt sind. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst wenigstens einen Elektromotor 20, der mit einer Energiespeichervorrichtung 23 in Verbindung steht. Die Energiespeichervorrichtung 23 stellt den Strom zum Betrieb des Elektromotors bereit. Ferner ist sie bei Umkehr der Energieumwandlung über den Elektromotor aufladbar. Der Elektromotor 20 ist ferner über ein Fahrzeuggetriebe mit den Antriebswellen 100 und 101 der Räder 200, 201 des Fahrzeugs verbunden. Dieses Fahrzeuggetriebe beinhaltet mehrere Getriebestufen und eine Fliehkraftkupplung. Darüber hinaus ist zwischen den Rädern 200, 201 ein Achsdifferential 91 vorgesehen.
2 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Antriebseinrichtung gemäß 1 und die Antriebseinrichtung wird im Folgenden insbesondere anhand der 1 und 2 beschrieben. Der Elektromotor 20 ist rotatorisch mit einer Getriebeeingangswelle 21 des Fahrzeuggetriebes verbunden. Die Getriebeeingangswelle 21 weist wiederum ein kleineres Zahnrad bzw. Ritzel 22 auf, welches mit einem größeren Zahnrad 33 an einem Kupplungsträger 30 ein Zahnradpaar bildet. Der Kupplungsträger 30 bildet ein Kupplungseingangselement mit einer Kupplungswelle 31, über das eine Rotation des Elektromotors 20 in die Fliehkraftkupplung eingeleitet wird. Die Zahnräder 22 und 33 bilden eine erste Getriebestufe mit einer Untersetzung.
An dem Kupplungsträger 30 sind mehrere Kupplungselemente 50, 51 unter Federkraft angebracht. Hierzu sind entsprechende Federelemente 60 und 61 zwischen Kupplungsträger 30 und den Kupplungselementen 50, 51 vorgesehen, die auf verschiedene Arten ausgebildet sein können. Dabei sind sie an einer Grundplatte 42 am Kupplungsträger 30 angebracht. Sie sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie auf die Kupplungselemente 50, 51 eine Zugkraft in Richtung Kupplungswelle 31 bewirken. Bei Rotation der Kupplungswelle 31 mit dem Kupplungsträger 30 bewegen sich die Kupplungselemente 50, 51 gegen die Federkraft dieser Federelemente 60, 61 nach außen und stellen ab einer bestimmten Drehzahl der Kupplungswelle 31 eine Kraftschlussverbindung mit der Innenwandung einer Kupplungsglocke 40 her. Hierzu sind an den Außenseiten der Kupplungselemente 50, 51 Reibbeläge 50b und 51b ausgebildet. Die Kupplungsglocke 40 weist ein Zahnrad bzw. Ritzel 41 auf, welches mit einem größeren Zahnrad 90 ein Zahnradpaar einer zweiten Getriebestufe mit Untersetzung bildet. Dieses weitere Zahnrad 90 ist beispielsweise Teil des Achsdifferentials 91 und wird durch einen Umlaufradträger bzw. ein Ringrad des Achsdifferentials gebildet. Das Zahnrad 90 stellt so ein Getriebeausgangselement dar, über welches die Rotation des Elektromotors mit einem bestimmten Untersetzungsverhältnis auf die Antriebswellen 100, 101 der Räder 200, 201 übertragbar ist.
Bei Anlaufen des Elektromotors 20 befindet sich die Fliehkraftkupplung somit im ausgekuppelten Zustand ohne Kraftschlussverbindung zwischen den Kupplungselementen 50, 51 und der Kupplungsglocke 40. Mit steigender Drehzahl bewegen sich die Kupplungselemente durch die Fliehkraft nach außen und ihre Reibbeläge 50b, 51b beginnen Kontakt mit der Innenwandung der Kupplungsglocke 40 aufzunehmen, was zu einem „Schleifen“ führt. Erreicht der Elektromotor 20 und damit der Kupplungsträger 30 eine bestimmte Drehzahl, stellen die Kupplungselemente 50, 51 eine Kraftschlussverbindung mit der Kupplungsglocke 40 her, durch welche sich die Fliehkraftkupplung im eingekuppelten Zustand befindet. Diese Kopplungsdrehzahl liegt beispielsweise im Bereich von 800 bis 1400 U/min, insbesondere in einem Bereich von 950 bis 1250 U/. In diesem eingekuppelten Zustand treibt der Elektromotor 20 über das Fahrzeuggetriebe mit Untersetzung die Antriebswellen 100, 101 der Fahrzeugräder 200, 201 an, wobei die Drehzahl weiter erhöht werden kann.
Reduziert sich die Drehzahl wieder unter die Kopplungsdrehzahl, lässt die Fliehkraft nach und die Kupplungselemente 50, 51 werden durch die Federelemente 60, 61 zurück in Richtung Kupplungswelle 31 gezogen, wodurch die Fliehkraftkupplung wieder ausgekuppelt wird. Bewegt sich das Fahrzeug weiter, befindet es sich dann im sogenannten Segelbetrieb, wobei der Begriff „Segeln“ bei Kraftfahrzeugen die Funktion beschreibt, während der Fahrt den Antriebsmotor vom Antriebsstrang abzukoppein. Dies hat den Vorteil, dass die vorhandene Bewegungsenergie zur Fortbewegung genutzt wird, anstatt sie in Form von Schleppleistung/Rekuperation zu verlieren. Es ist dann beispielsweise dem Fahrzeugführer überlassen, ob er die Bewegungsenergie zurück in den Akkumulator speist oder weiterhin zur Fortbewegung nutzt.
Die Kupplungswelle 31 der Fliehkraftkupplung ist über mehrere Lager rotatorisch gelagert. Das Gleiche gilt für die Getriebeeingangswelle 21. Das Fahrzeuggetriebe mit der Fliehkraftkupplung und das Achsdifferential 91 sind in einem Gehäuse untergebracht, das in der Ausführungsform der 2 durch zwei Gehäusehälften 300 und 301 gebildet wird. Die beiden Gehäusehälften sind über mehrere Schraubverbindungen miteinander verbunden, von denen in der 2 zwei Schraubverbindungen 302 und 303 gezeigt sind. Die Kupplungswelle ist in dem so gebildeten Gehäuse drehbar gelagert und die Kupplungsglocke 40 ist über Lager um die Kupplungswelle 31 drehbar gelagert. Ferner ist eine Parkbremse 82 vorgesehen, die an der Kupplungsglocke 40 angreift. Durch Betätigung der Parkbremse 82 wird die Kupplungsglocke 40 blockiert, so dass sich die Antriebswellen der Fahrzeugräder nicht drehen können..
4 zeigt einen Ausschnitt einer Ansicht auf eine Grundplatte 42 des Kupplungsträger aus Sicht der Kupplungsglocke 40. Aus dieser Ansicht ist die Ausbildung der Kupplungselemente ersichtlich, wobei die Kupplungselemente 50, 51 und 52 gezeigt sind. Diese Kupplungselemente 50, 51, 52 sind wie Klappen ausgebildet, die über jeweils einen Drehpunkt 51a, 52a an dem Kupplungsträger 42 schwenkbar angebracht sind. Die Kupplungselemente weisen jeweils eine gewölbte Außenfläche auf, auf welcher jeweils ein Reibbelag 50b, 51b, 52b ausgebildet ist. 4 zeigt die Fliehkraftkupplung im ausgekuppelten Zustand, in dem die Reibbeläge 50b, 51b, 52b die Innenwandung der Kupplungsglocke 40 nicht kontaktieren. Wird die Drehzahl des Kupplungsträgers 30 erhöht, schwenken die Kupplungselemente um ihre Drehpunkte nach außen. Die Außenflächen der Kupplungselemente 50, 51, 52 sind mit ihren Reibbelägen 50b, 51b, 52b so ausgeführt, dass bei Erreichen einer bestimmten Grenz-Drehzahl eine möglichst große Kontaktfläche zwischen den Kupplungselementen 50, 51, 52 und der Innenwandung der Kupplungsglocke 40 entsteht. Dabei ist im gewählten Ausführungsbeispiel der Druck auf die Innenwandung der Kupplungsglocke 40 in dem Bereich der Kupplungselemente 50, 51, 52 am größten, der jeweils am weitesten von einem Drehpunkt 51a, 52a entfernt ist. In diesen Endbereichen greifen auch die Federelemente 60, 61, 62 an.
Die Fliehkraftkupplung weist ferner einen Aktuator 80 auf, mit welchem sie in einen eingekuppelten Zustand mit Kraftschlussverbindung bringbar und/oder in diesem Zustand fixierbar ist. Dieser Aktuator und seine Funktionsweise werden im Folgenden beispielhaft anhand der 2 bis 4 beschrieben. Der Aktuator wird dabei im Wesentlichen durch einen Druckbolzen 80 gebildet, der innerhalb einer axialen Bohrung 32 in der Kupplungswelle 31 geführt ist. Der Druckbolzen ist in axialer Richtung hin- und her bewegbar, wie es in den 2 und 3 jeweils durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet ist. Diese axiale Bewegung kann elektrisch, magnetisch, hydraulisch und/oder mechanisch bewirkt werden. Hierzu ist der Aktuator 80 durch eine Steuereinheit 24 ansteuerbar, wie sie schematisch in 1 gezeigt ist.
Der Aktuator 80 weist endseitig einen Druckbereich 81 auf, über den er mit mehreren Druckelementen 70, 71, 72 zusammenwirkt, über welche die Kupplungselemente 50, 51, 52 bei Bedarf in Richtung der Innenwandung der Kupplungsglocke 40 gedrückt werden können. Dieser Druckbereich 81 hat die Form einer Pyramide. Die Druckelemente sind als Druckstangen ausgebildet, die radial verlaufen, wobei wie in dem Ausführungsbeispiel der Figuren vier Kupplungselemente und somit auch vier zugehörige Druckelemente vorgesehen sind. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Druckelemente somit wenigstens der Anzahl der Kupplungselemente. Die 2 und 3 zeigen zwei um 180° gegenüber liegende Druckelemente 70 und 71, während die Ansicht der 4 zwei um einen Winkel von 90° zueinander versetzte Druckelemente 70 und 72 zeigt.
Die Druckstangen 70, 71, 72 sind beispielsweise in Führungen innerhalb der Grundplatte 42 des Kupplungsträgers geführt. Die Druckstangen weisen abgeschrägte Enden auf, an denen der pyramidenförmige Druckbereich 81 des Aktuators 80 zur Anlage bringbar ist, wenn dieser axial in Richtung der Druckstangen 70, 71, 72 bewegt wird. Die abgeschrägten Enden 73, 74 der Druckstangen sind so ausgeformt und angeordnet, dass sie dabei möglichst vollflächig an den Seitenflächen des pyramidenförmigen Druckbereichs 81 zur Anlage kommen können. Ferner können die Druckstangen 70, 71, 72 einteilig direkt bis zu den Kupplungselementen 50, 51, 52 reichen und diese dort kontaktieren. In alternativen Ausführungsformen sind die Druckstangen mehrteilig ausgeformt, so dass sich eine Druckstange aus mehreren Einzelelementen zusammensetzt, deren letztes Element jeweils ein Kupplungselement kontaktiert. Wird der Aktuator 80 axial auf die Druckstangen 70, 71, 72 zu bewegt, drücken die Seitenflächen des Druckbereichs 81 alle Druckstangen 70, 71, 72 gleichzeitig radial nach außen, wodurch radial Druck auf die Kupplungselemente 50, 51, 52 ausgeübt wird. Das System ist so ausgelegt, dass die Druckstangen 70, 71, 72 die Reibbeläge 50b, 51b, 52b der Kupplungselemente 50, 51, 52 gegen die Innenwandung der Kupplungsglocke 40 drücken können, um so eine Kraftschlussverbindung herzustellen.
Der Kontakt zwischen einer Druckstange 70, 71, 72 und einem Kupplungselement 50, 51, 52 erfolgt vorzugsweise im Kontaktbereich zwischen Kupplungselement 50, 51, 52 und der Kupplungsglocke 40. In der gewählten Ausführungsform bedeutet dies, dass die Druckstangen 70, 71, 72 die Kupplungselemente 50, 51, 52 in einem Endbereich kontaktieren, in dem auch die Federelemente 60, 61, 62 liegen. In diesem Bereich muss der Druck erzeugt werden, um die Reibbeläge 50b, 51b, 52b gegen die Innenwandung der Kupplungsglocke zu drücken. Wird der Aktuator 80 von den Druckstangen 70, 71, 72 weg bewegt, löst sich dieser Druck auf und die Kupplungselemente 50, 51, 52 können sich durch die Rückstellwirkung der Federelemente 60, 61, 62 von der Kupplungsglocke 40 lösen. Gleichzeitig werden die Druckstangen 70, 71, 72 in radialer Richtung von den Kupplungselementen 50, 51, 52 mitgenommen und können so wieder in ihre Ausgangslage gebracht werden.
Der Aktuator 80 wird von der Steuereinheit 24 beispielsweise angesteuert, nachdem die Fliehkraftkupplung eine bestimmte Grenz-Drehzahl erreicht hat und somit bereits durch Fliehkraft in den eingekuppelten Zustand versetzt wurde. In diesem Zustand kann die Fliehkraftkupplung durch zusätzlichen Druck über die Druckstangen 70, 71, 72 fixiert werden. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 24 den Aktuator 80 für einen Rekuperationsbetrieb der Antriebseinrichtung 10 ansteuert. Hierbei ist der Elektromotor 20 inaktiv und die Drehung der Antriebswellen 100, 101 der Fahrzeugräder 200, 201 soll durch Umkehrung der Energieumwandlung zum Laden der Energiespeichervorrichtung 23 genutzt werden. Stellt der Aktuator 80 hierfür eine Kraftschlussverbindung zwischen den Kupplungselementen 50, 51, 52 und der Kupplungsglocke 40 her, kann die Rotation der Antriebswellen 100, 101 über das Fahrzeuggetriebe mit der eingekuppelten Fliehkraftkupplung auf die Getriebeeingangswelle 21 übertragen werden. Sobald der Rekuperationsbetrieb zu beenden ist, wird der Aktuator 80 durch die Steuereinheit 24 gelöst. Das Fahrzeug befindet sich wieder im Segelbetrieb und die vorhandene Bewegungsenergie wird wieder zur Fortbewegung genutzt.
Bezugszeichenliste

10: Antriebseinrichtung
20: Elektromotor
21: Getriebeeingangswelle
22: Zahnrad, Ritzel
23: Energiespeichervorrichtung, Traktionsbatterie
24: Steuereinheit
30: Kupplungsträger, Kupplungseingangselement
31: Kupplungswelle
32: Bohrung
33: Zahnrad
40: Kupplungsglocke, Kupplungsausgangselement
41: Zahnrad, Ritzel
42: Grundplatte
50,51,52: Kupplungselement, Fliehkörper, Klappe
50a,51a,52a: Drehpunkt, Schwenklager
50b,51b,52b: Reibbelag
60,61,62: Federelement
70,71,72: Druckelement, Druckstange
73,74: Ende, abgeschrägt
80: Aktuator, Druckbolzen
81: Druckbereich
82: Parkbremse
83: Aktuatorbewegung
90: Umlaufradträger, Ringrad
91: Achsdifferentialgetriebe
100,101: Antriebswelle
200,201: Fahrzeugrad
300,301: Gehäusehälfte
302,303: Schraubverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013219229 A1 [0004]

Claims

Antriebseinrichtung (10) für ein Elektrofahrzeug, aufweisend eine elektrische Energiespeichervorrichtung (23), einen Elektromotor (20) und ein Fahrzeuggetriebe mit einer Getriebeeingangswelle (21), die rotatorisch mit dem Elektromotor (20) verbunden ist, und einem Getriebeausgangselement, welches rotatorisch mit wenigstens einer Antriebswelle (100;101) eines Fahrzeugrades (200;201) des Elektrofahrzeugs verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeuggetriebe ein Ein-Gang-Getriebe ist und eine Fliehkraftkupplung beinhaltet, die bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl der Getriebeeingangswelle (21) durch eine Kraftschlussverbindung eine rotatorische Verbindung zwischen der Getriebeeingangswelle (21) und dem Getriebeausgangselement herstellt.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeuggetriebe zwei Getriebestufen aufweist, und die Fliehkraftkupplung zwischen die beiden Getriebestufen geschaltet ist.
Antriebseinrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fliehkraftkupplung ein Kupplungsausgangselement (40) aufweist, welches über wenigstens ein Zahnrad (41) mit einem Achsdifferentialgetriebe (91) verbunden ist.
Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeuggetriebe ein Untersetzungsverhältnis zwischen der Getriebeeingangswelle (21) und dem Getriebeausgangselement im Bereich von 6 bis 10, vorzugsweise im Bereich von 7 bis 8, besonders bevorzugt von 7,8 hat.
Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fliehkraftkupplung als Reibungskupplung mit einem Kupplungsträger (30) und einer Kupplungsglocke (40) ausgebildet ist, wobei an dem Kupplungsträger (30) mehrere Kupplungselemente (50;51;52) mit außen liegenden Reibbelägen (50b; 51b; 52b) an Drehpunkten (50a; 51a; 52a) schwenkbar gelagert sind, die um die Drehachse des Kupplungsträgers (30) angeordnet sind, und dass die Kupplungselemente (50;51;52) ab einer bestimmten Drehzahl des Kupplungsträgers (30) eine Kraftschlussverbindung mit der Innenwandung der Kupplungsglocke (40) herstellen.
Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fliehkraftkupplung einen ansteuerbaren Aktuator aufweist, mit welchem eine Kraftschlussverbindung der Fliehkraftkupplung herstellbar und/oder fixierbar ist.
Antriebseinrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungselemente (50;51;52) der Fliehkraftkupplung mit Druckelementen (70;71;72) zusammenwirken, die bei Ansteuerung des Aktuators (80) durch diesen radial nach außen so gegen die Kupplungselemente (50;51;52) gedrückt werden, dass ihre Reibbeläge (50b; 51b; 52b) eine Kraftschlussverbindung mit der Innenwandung der Kupplungsglocke (40) herstellen.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein axial entlang der Drehachse der Fliehkraftkupplung verlaufender Druckbolzen (80) ist, durch den bei axialer Bewegung des Druckbolzens (80) in Richtung der Druckelemente (70;71;72) eine radiale Kraft nach außen auf die Druckelemente (70;71;72) ausgeübt wird.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbolzen (80) endseitig einen Druckbereich (81) aufweist, der die Form einer Pyramide hat, und über den bei axialer Bewegung des Druckbolzens (80) in Richtung der Druckelemente (70;71;72) eine radiale Kraft nach außen auf die Druckelemente (70;71;72) ausgeübt wird, indem die Seitenflächen der Pyramide die Druckelemente (70;71;72) kontaktieren und dabei sukzessive radial nach außen bewegen.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator elektrisch, magnetisch, hydraulisch und/oder mechanisch ansteuerbar ist.
Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungselemente (50;51;52) jeweils über Federelemente (60;61;62) mit dem Kupplungsträger (30) verbunden sind, wobei die Federelemente (60;61;62) auf die Kupplungselemente (50;51;52) eine Zugkraft in Richtung der Drehachse der Fliehkraftkupplung ausüben.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle zwischen einem Federelement (60;61;62) und einem Kupplungselement (50;51;52) im Bereich des Kontaktes zwischen einem Kupplungselement (50;51;52) und der Innenwandung der Kupplungsglocke (40) liegt.
Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (70;71;72) die Kupplungselemente (50;51;52) jeweils im Bereich des Kontaktes zwischen einem Kupplungselement (50;51;52) und der Innenwandung der Kupplungsglocke (40) radial nach außen drücken.
Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (10) eine Steuereinheit (24) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Aktuator (80) anzusteuern, um die Fliehkraftkupplung bei einer Kraftschlussverbindung durch Erreichen einer bestimmten Drehzahl der Getriebeeingangswelle (21) in dieser Kraftschlussverbindung zu fixieren.
Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (10) eine Steuereinheit (24) aufweist, die dazu ausgebildet ist, bei deaktiviertem Elektromotor (23) den Aktuator (80) anzusteuern, um die Fliehkraftkupplung in eine Kraftschlussverbindung zu bringen, und durch Umkehr der Richtung der Energieumwandlung ein Aufladen der Energiespeichervorrichtung (23) zu bewirken.