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Die Erfindung betrifft ein Radnabengetriebe für ein Fahrzeug.
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Getriebe sind im Stand der Technik in vielen Ausgestaltungen bekannt und dienen dem Transformieren einer Drehung einer angetriebenen Eingangswelle des Getriebes in eine Drehung einer Ausgangswelle des Getriebes. Mittels eines Getriebes können daher abhängig von dem Transformationsverhältnis des Getriebes eine Übersetzung, bei der sich die Ausgangswelle schneller dreht als die Eingangswelle, oder eine Untersetzung, bei der sich die Ausgangswelle langsamer dreht als die Eingangswelle, bereitgestellt werden.
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Ein an der Eingangswelle anliegendes Drehmoment wird entsprechend umgekehrt transformiert, d. h. bei einer Übersetzung ist das Drehmoment der Ausgangswelle geringer und bei einer Untersetzung ist das Drehmoment der Ausgangswelle größer.
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Getriebe, welche Platz sparend in einer Radnabe eines angetriebenen Rads eines Fahrzeugs integriert sind, werden als Radnabengetriebe bezeichnet. Üblicherweise ist das angetriebene Rad mit der Abtriebswelle des Radnabengetriebes drehfest verbunden.
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Solche Radnabengetriebe sind häufig als Planetengetriebe ausgebildet. Einstufige Planetengetriebe umfassen jeweils ein Hohlrad mit einer Innenverzahnung und ein innerhalb des Hohlrads konzentrisch angeordnetes und drehbar gelagertes zentrales Sonnenrad mit einer Außenverzahnung.
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Zudem umfassen Planetengetriebe jeweils einen drehbar gelagerten Steg, der auch als Planetenträger bezeichnet wird, sowie mindestens ein an dem Steg drehbar gelagertes Planetenrad mit einer Außenverzahnung. Jedes Planetenrad ist zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenrad angeordnet und mit diesen im Eingriff.
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Eine relative Drehung von Sonnenrad und Hohlrad geht entsprechend mit einem Abrollen jedes Planetenrads einher und bewirkt auf diese Weise eine Drehung des Stegs, wobei das Transformationsverhältnis von den relativen Verhältnissen der Zahnzahlen des Hohlrads, des Sonnenrads und des mindestens einen Planetenrads abhängt. Bei einem Radnabengetriebe können jeweils das Sonnenrad mit der Eingangswelle des Radnabengetriebes und der Steg mit der Ausgangswelle des Radnabengetriebes drehfest verbunden sein.
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So offenbart die
EP 2 736 748 B1 ein radnah angeordnetes Antriebssystem für ein Fahrzeug, welches einen Elektromotor, ein Planetengetriebe und ein einzelnes angetriebenes Rad des Fahrzeugs umfasst. Ein Hohlrad des Planetengetriebes ist drehfest mit einem Stator des Elektromotors verbunden, und die Abtriebswelle des Elektromotors treibt ein Sonnenrad des Planetengetriebes drehend an. Auf diese Weise wird ein Steg des Planetengetriebes und das mit diesem drehfest verbundene Rad in eine Drehung versetzt. Gegenüber einem einen Radnabenmotor umfassenden Antriebssystem ist bei diesem radnahen Antriebssystem ein ungefedertes Gewicht des Fahrzeugs vorteilhaft verringert.
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Um ein Fahrzeug mit einer angetriebenen Achse, beispielsweise einer Vorderachse oder einer Hinterachse, auszubilden, sind entsprechend zwei derartige Antriebssysteme erforderlich, die zwischen den beiden angetriebenen Rädern angeordnet sind. Um bei einem solchen Fahrzeug eine Fahrstabilität zu verbessern, müssen die beiden Elektromotoren entsprechend gesteuert werden.
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Zu diesem Zweck offenbart die
DE 10 2013 100 598 A1 ein Verfahren zum Erhöhen einer Fahrstabilität eines Fahrzeugs mit einem zwei Elektromotoren umfassenden Antriebssystem. Bei dem Verfahren wird fortlaufend die Fahrstabilität des Antriebssystems gemessen und mit einem Sollwert für die Fahrstabilität verglichen. Bei einem bestimmten Abweichen der gemessenen Fahrstabilität von dem Sollwert wird ein Betriebsparameter zumindest eines Elektromotors verändert.
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Allerdings benötigen zwei Elektromotoren relativ viel Bauraum, wodurch die Größe der Elektromotoren und infolgedessen auch ihre maximal mögliche Leistung begrenzt ist. Zudem haben zwei Elektromotoren eine relativ hohe Masse, wodurch ein Wirkungsgrad des Fahrzeugs verringert ist. Daher wird angestrebt, für Elektrofahrzeuge möglichst Antriebssysteme mit einem einzelnen Elektromotor vorzusehen.
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Die
DE 10 2010 017 966 A1 offenbart übersichtsartig eine Vielzahl von Antriebssystemen für ein Fahrzeug, welche zwei angetriebene Räder, einen oder zwei Elektromotoren sowie ggf. zusätzlich einen Verbrennungsmotor umfassen und sich durch die Art, Anzahl und Anordnung der Motoren und der sonstigen Komponenten unterscheiden.
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Allerdings sind bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Antriebssytemen die maximale elektromotorische Fahrgeschwindigkeit und das bei einer bestimmten elektromotorischen Fahrgeschwindigkeit auf die Räder wirkende Drehmoment durch den Elektromotor bzw. die Elektromotoren, die Getriebe und ggf. die Differentiale konstruktionsbedingt unveränderlich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Radnabengetriebe zu schaffen, welches den beschriebenen Nachteil vermeidet. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, wie bspw. ein vierrädriges Auto, zur Verfügung zu stellen und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebssystems vorzuschlagen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Radnabengetriebe für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug. Radnabengetriebe lassen sich Platz sparend in einer Radnabe eines angetriebenen Rads des Fahrzeugs anordnen, wodurch mehr Bauraum für einen Elektromotor und eine diesem zugeordnete Leistungselektronik und/oder ein Differential verfügbar ist.
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Erfindungsgemäß ist das Radnabengetriebe als ein mehrgängiges Schaltgetriebe ausgebildet. So kann das mit dem Radnabengetriebe drehfest verbundene Rad abhängig von einem Schaltzustand des Radnabengetriebes mit mehreren, insbesondere zwei unterschiedlichen Übersetzungen angetrieben werden, wodurch sich gegenüber einem eingängigen Radnabengetriebe ein vergrößerter Fahrgeschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs einerseits und innerhalb eines bestimmten Teilbereichs andererseits zu jeder Fahrgeschwindigkeit jeweils mehrere, insbesondere zwei verschiedene Drehmomente stellen lassen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Radnabengetriebe eine insbesondere als eine Lamellenkupplung vorgesehene erste Kupplung und eine insbesondere als eine Lamellenkupplung vorgesehene zweite Kupplung, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie während eines Fahrens alternierend geöffnet und geschlossen werden. Anders gesagt ist bei dem Radnabengetriebe konstruktiv sichergestellt, dass während des Fahrens stets entweder nur die erste Kupplung oder nur die zweite Kupplung geschlossen ist. Anstelle von Kupplungen können alternative Schaltvorrichtungen, wie Schieberäder, Klauenschaltungen, Synchronschaltungen oder dergleichen vorgesehen sein, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Lamellenkupplungen sind vorteilhaft, da sie auch unter Last ein Schalten zwischen den Gängen ermöglichen. Überdies erlauben sie ein nahezu unterbrechungsfreies Kuppeln, d. h. ein übertragenes Drehmoment wird während des Kuppelns kaum merklich unterbrochen.
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Dagegen können in einem Ruhezustand, beispielsweise während des Parkens, sowohl die erste Kupplung als auch die zweite Kupplung geschlossen (normally closed) sein. Dann wirkt das Radnabengetriebe infolge der Festlegung der ersten Kupplung an dem Gehäuse des Radnabengetriebes und der gleichzeitigen Festlegung des Stegs an dem Hohlrad wie eine Parksperre, wodurch eine separate Parksperre (z.B. Parksperrenrad und Parksperrenklinke) entfallen kann und Masse sowie Kosten des Fahrzeugs verringert werden.
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In weiteren Ausführungsformen ist die erste Kupplung ausgebildet, im geschlossenen Zustand das Hohlrad des Planetengetriebes an einem Gehäuse des Radnabengetriebes festzulegen. Bei geschlossener erster Kupplung bewirkt daher eine Drehung des angetriebenen Sonnenrads über das mindestens eine an dem festgelegten Hohlrad abrollende Planetenrad eine Drehung des das Rad antreibenden Stegs. Das Radnabengetriebe kann einen kurz übersetzten Gang stellen, wenn die erste Kupplung geschlossen ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Kupplung ausgebildet sein, im geschlossenen Zustand das Hohlrad des Planetengetriebes an dem Steg des Planetengetriebes festzulegen. Bei geschlossener zweiter Kupplung führt daher eine Drehung des angetriebenen Sonnenrads über das mindestens eine Planetenrad zu einer synchronen Drehung des Hohlrads und des das Rad antreibenden Stegs, d. h. alle Komponenten des Planetengetriebes umlaufen blockartig das Sonnenrad. Das Radnabengetriebe kann einen lang übersetzten Gang stellen, wenn die zweite Kupplung geschlossen ist.
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In weiteren Ausführungsformen umfasst das Radnabengetriebe einen Aktuator, welcher der ersten Kupplung und der zweiten Kupplung zum alternierenden Öffnen und Schließen zugeordnet ist. Der Aktuator kann als ein elektrischer Aktuator, ein hydraulischer Aktuator, ein pneumatischer Aktuator oder auf andere Weise ausgebildet sein. Zum alternierenden Öffnen und Schließen der beiden Kupplungen kann beispielsweise ein Aktuator ähnlich dem Aktuator einer elektrischen Parkbremse verwendet werden. Wenn je Radnabengetriebe ein einzelner Aktuator vorgesehen ist, kann dieser drei Schaltstellungen aufweisen, in denen jeweils nur die erste Kupplung, nur die zweite Kupplung oder beide Kupplungen geschlossen sind. Alternativ können je Radnabengetriebe auch zwei voneinander unabhängige Aktuatoren vorgesehen sein, die jeweils der ersten Kupplung und der zweiten Kupplung zugeordnet sind. Zwei Aktuatoren ermöglichen ein wahlweises Bereitstellen unterschiedlicher Schaltcharakteristiken, beispielsweise einer komfortablen Schaltcharakteristik oder einer sportlichen Schaltcharakteristik.
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In einer Ausführungsform umfasst das Radnabengetriebe ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad, einem innerhalb des Hohlrads konzentrisch angeordneten zentralen Sonnenrad, einem Steg und mindestens einem an dem Steg drehbar gelagerten und mit dem Hohlrad und dem Sonnenrad in Eingriff stehenden Planetenrad. In ähnlichen Ausführungsformen können Planetengetriebe mit einem abweichenden Aufbau sowie andere Getriebearten, wie beispielsweise Stirnradgetriebe, vorgesehen sein. Das angetriebene Rad des Fahrzeugs kann mit dem Steg des Planetenradgetriebes drehfest verbunden sein.
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In weiteren Ausführungsformen sind die erste Kupplung und die zweite Kupplung an gegenüberliegenden Stirnseiten des Planetengetriebes angeordnet. Diese Anordnung geht mit einem besonders einfachen Aufbau des Radnabengetriebes einher.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Auto, mit einem Elektromotor, einem mit einer Abtriebswelle des Elektromotors drehfest verbundenen Differential, zwei mit jeweils einer Abtriebswelle des Differentials drehfest verbundenen Gelenkwellen und zwei von jeweils einer Gelenkwelle angetriebenen Rädern. Bei einem solchen Antriebssystem wird ein von dem Elektromotor bereitgestelltes Drehmoment über ein Differential und jeweils eine Gelenkwelle zu den beiden angetriebenen Rädern übertragen. Die beiden angetriebenen Räder können eine angetriebene Achse des Fahrzeugs bilden, beispielsweise eine Vorderachse oder eine Hinterachse. Derartige Antriebssysteme sind weit verbreitet, woraus sich entsprechend eine große Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten ergibt.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem umfasst zwei erfindungsgemäße Radnabengetriebe, welche jeweils in einer Radnabe eines Rads angeordnet sind. Das Antriebssystem umfasst demnach zwei separate Getriebebaugruppen, die als Radnabengetriebe ausgebildet und Platz sparend in den Radnaben der angetriebenen Räder integriert sind. Wenn die beiden Kupplungen jedes Radnabengetriebes im Ruhezustand geschlossen sind (normally closed), wirken beide Radnabengetriebe jeweils als Parksperre, wodurch eine Parksperrenfunktionalität redundant vorgesehen ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem weisen die beiden Räder kollineare Radachsen auf und erstreckt sich die Abtriebswelle des Elektromotors versetzt und parallel zu den Radachsen. Während sich die Radachsen in einer senkrechten Querrichtung des Fahrzeugs kollinear erstrecken, ist die zu diesen parallele Abtriebswelle in einer Längsrichtung und/oder einer Höhenrichtung des Fahrzeugs versetzt angeordnet. Die Möglichkeit eines Versatzes bietet bezogen auf die Längsrichtung und/oder die Höhenrichtung des Fahrzeugs ein hohes Maß an Flexibilität bei der relativen longitudinalen und/oder vertikalen Anordnung der Räder einerseits und des Elektromotors andererseits.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Differential an einer Stirnseite des Elektromotors angeordnet, die Abtriebswelle des Elektromotors als eine Hohlwelle ausgebildet und erstreckt sich eine Abtriebswelle des Differentials durch die Abtriebswelle des Elektromotors. Auf diese Weise kann trotz der unsymmetrischen Anordnung des Differentials eine Kollinearität und damit Symmetrie der beiden Abtriebswellen geschaffen werden, was bei üblicherweise kollinearen Radachsen mit einer symmetrischen Anordnung der Gelenkwellen und der Radnabengetriebe einhergeht.
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Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines zweigängigen Antriebssystems für ein Fahrzeug mit zwei angetriebenen Rädern. Eine Vielzahl gebräuchlicher Antriebssysteme umfasst zwei angetriebene Räder, so dass sich entsprechend zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für das Betriebsverfahren bieten.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein erster Gang des Antriebssystems und ein zweiter Gang des Antriebssystems mittels eines erfindungsgemäßen Radnabengetriebes für jedes der beiden Räder, insbesondere voneinander unabhängig, geschaltet. Das Verfahren eignet sich somit für zweigängige Antriebssysteme mit zwei schaltbaren Radnabengetrieben, die jeweils einem Rad zugeordnet sind. Jedes Radnabengetriebe kann unabhängig von dem jeweils anderen Radnabengetriebe gesteuert werden, so dass ein Rad in dem ersten Gang und das jeweils andere Rad gleichzeitig in dem zweiten Gang angetrieben werden kann. Aufgrund dessen können die beiden angetriebenen Räder in einem bestimmten Fahrgeschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs mit verschiedenen Drehmomenten beaufschlagt werden (torque vectoring).
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 in einer schematischen Ansicht ein Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Antriebssystem 100 für ein Kraftfahrzeug mit zwei angetriebenen Rädern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Antriebssystem 100 umfasst einen Elektromotor 50 mit einem Stator 51, einem Rotor 52 und einer mit dem Rotor 52 drehfest verbundenen Abtriebswelle 53. Der Stator 51 ist in üblicher Weise an einer lediglich symbolisch angedeuteten Karosserie 60 oder einem mit dieser verbundenen Hilfsrahmen befestigt. Die Abtriebswelle 53 des Elektromotors 50 erstreckt sich durch den Rotor 52 und ist als eine Hohlwelle ausgebildet.
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Ferner umfasst das Antriebssystem 100 ein Differential 70, welches an einer Stirnseite des Elektromotors 50 angeordnet und drehfest mit der Abtriebswelle 53 des Elektromotors 50 verbunden ist. Das Differential 70 umfasst zwei Abtriebswellen 71, 72, welche sich ausgehend von dem Differential 70 derart in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, dass sich eine Abtriebswelle 72 des Differentials 70 durch die hohle Abtriebswelle 53 des Elektromotors 50 erstreckt.
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Das Antriebssystem 100 umfasst weiterhin zwei Gelenkwellen 80, welche jeweils an einem ersten freien Ende drehfest mit einer Abtriebswelle 71, 72 des Differentials verbunden sind, sowie zwei jeweils ein (nicht dargestelltes) Rad des Fahrzeugs antreibende und in einer Radnabe des angetriebenen Rades angeordnete Radnabengetriebe 10, welche jeweils mit einem dem ersten freien Ende gegenüberliegenden zweiten freien Ende der jeweiligen Gelenkwelle 80 drehfest verbunden sind.
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Bei dem Antriebssystem 100 weisen die beiden Räder kollineare Radachsen 90 auf. Die Abtriebswelle 53 des Elektromotors 50 erstreckt sich versetzt und parallel zu den Radachsen 90, d. h. der Elektromotor 50 ist in einer senkrechten Querrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet und bezogen auf die Radachsen 90 in einer Längsrichtung und/oder einer Höhenrichtung des Fahrzeugs versetzt angeordnet. Der longitudinale und/oder vertikale relative Versatz zwischen der Abtriebswelle 53 des Elektromotors und den Radachsen 90 der angetriebenen Räder wird von den gegenüber der Abtriebswelle 53 und den Radachsen 90 geneigten Gelenkwellen 80 ermöglicht. Jedoch kann in anderen Ausführungsformen die Abtriebswelle 53 des Elektromotors 50 auch kollinear zu den beiden Radachsen 90 sein.
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Das Radnabengetriebe 10 ist als ein zweigängiges Schaltgetriebe ausgebildet, kann aber auch mehr als zwei Gänge aufweisen. Es umfasst ein einstufiges Planetengetriebe 20 mit einem Hohlrad 21, einem innerhalb des Hohlrads 21 konzentrisch angeordneten zentralen Sonnenrad 22, einem Steg 23 und zwei an dem Steg 23 drehbar gelagerten und mit dem Hohlrad 21 und dem Sonnenrad 22 in Eingriff stehenden Planetenrädern 24 und ist als ein zweigängiges Schaltgetriebe ausgebildet. Andere Ausführungsformen können ein Planetengetriebe mit einem einzelnen Planetenrad oder auch mehr als zwei Planetenrädern umfassen oder ein Planetengetriebe mit einem abweichenden Aufbau. Alternativ können andere Getriebearten wie beispielsweise Stirnradgetriebe vorgesehen sein.
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Ferner umfasst das Radnabengetriebe 10 eine erste Kupplung 30 und eine zweite Kupplung 40, welche an gegenüberliegenden Stirnseiten des Planetengetriebes 20 angeordnet sind. Die erste Kupplung 30 und die zweite Kupplung 40 sind jeweils als eine Lamellenkupplung ausgebildet und derart ausgebildet und angeordnet, dass sie während des Betriebs mittels eines der ersten Kupplung 30 und der zweiten Kupplung 40 zugeordneten (nicht dargestellten) elektrischen Aktuators alternierend geöffnet und geschlossen oder gleichzeitig geschlossen werden können. Statt eines elektrischen Aktuators kann auch ein hydraulischer, pneumatischer oder sonstiger Aktuator verbaut sein. Ebenso kann zum Betätigen der ersten Kupplung 30 und der zweiten Kupplung 40 jeweils ein separater Aktuator vorgesehen sein.
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Die erste Kupplung 30 ist ausgebildet, im geschlossenen Zustand das Hohlrad 21 des Planetengetriebes 20 an einem Gehäuse 11 des Radnabengetriebes 10 festzulegen, und die zweite Kupplung 40 ist ausgebildet, im geschlossenen Zustand das Hohlrad 21 des Planetengetriebes 20 an dem Steg 23 des Planetengetriebes 20 festzulegen.
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Während des Betriebs des Radnabengetriebes 10 wird die erste Kupplung 30 geschlossen, um einen - kurz übersetzten - ersten Gang des Antriebssystems 100 zu stellen, und wird die zweite Kupplung 40 geschlossen, um einen - lang übersetzten - zweiten Gang desAntriebssystems 100 zu stellen. Insbesondere können bei dem zwei Radnabengetriebe 10 umfassenden Antriebssystems 100 für jedes der beiden Radnabengetriebe 10 und damit für jedes der beiden von diesen angetriebenen Räder die beiden Gänge voneinander unabhängig geschaltet werden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Radnabengetriebes 10 besteht darin, dass in unmittelbarer Nähe des Elektromotors 50 kein Getriebe verbaut werden muss, wodurch für den Elektromotor 50 mehr Bauraum verfügbar ist. Zudem können das Differential 70 und die Gelenkwellen 80 kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden, da gegenüber gebräuchlichen Antriebssystemen ein geringeres Drehmoment von dem Elektromotor 50 zu den Radachsen 90 übertragen werden muss. Abgesehen davon erlaubt das erfindungsgemäße Antriebssystem 100 ohne bauraum intensives Überlagerungsgetriebe oder ein Verdoppeln des Elektromotors 50 sowie der diesem zugeordneten Leistungselektronik ein Torque Vectoring, d. h. ein Beaufschlagen der beiden Räder mit verschiedenen Drehmomenten bei einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Radnabengetriebe
- 11
- Gehäuse
- 20
- Planetengetriebe
- 21
- Hohlrad
- 22
- Sonnenrad
- 23
- Steg
- 24
- Planetenrad
- 30
- erste Kupplung
- 40
- zweite Kupplung
- 50
- Elektromotor
- 51
- Stator
- 52
- Rotor
- 53
- Abtriebswelle
- 60
- Karosserie/Rahmen
- 70
- Differential
- 71
- Abtriebswelle
- 72
- Abtriebswelle
- 80
- Gelenkwelle
- 90
- Radachse
- 100
- Antriebssystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2736748 B1 [0008]
- DE 102013100598 A1 [0010]
- DE 102010017966 A1 [0012]
