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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine mit einem relativ zu einem Stator gelagerten Rotor und einer Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden, und der elektrisch betreibbare Achsantriebsstrang ferner ein Torque-Vectoring Modul mit einer ersten, ein erstes Lamellenpaket aufweisenden Kupplungsanordnung und wenigstens einer zweiten, ein zweites Lamellenpaket aufweisenden Kupplungsanordnung umfasst, die koaxial zur Rotationsachse des Rotors angeordnet sind.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferenzial oder Stirnraddifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Im Zusammenhang mit derartigen elektrisch betreibbaren Achsantriebssträngen sind auch Torque-Vectoring Module bekannt geworden.
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Mit Hilfe der Funktion des „Torque Vectoring“ besteht die Möglichkeit, das Drehmoment einer Antriebsachse radselektiv zu verteilen. Derartige Torque-Vectoring Module umfassen in der Regel ein mechanisches Differenzial,welches das Eingangsdrehmoment zu gleichen Teilen auf die beiden Räder einer Achse verteilt. Die Drehzahl an den Rädern ändert sich dabei mit dem Kurvenradius. Das kurveninnere Rad dreht langsamer als das kurvenäußere Rad, das einen größeren Weg zurücklegen muss. Das kurvenäußere Rad wird durch die innere Reibung im Differenzial gegenüber dem Differenzialgehäuse leicht abgebremst und das kurveninnere Rad entsprechend beschleunigt. Dadurch bedingt liegt ein etwas höheres Moment am kurveninneren Rad an. Dieser Effekt wird auch von Torque Vectoring-Systemen genutzt, die mindestens eines der beiden Räder gezielt beschleunigen oder abbremsen.
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Die Steuerung derartiger Differenzialgetriebe mit Torque-Vectoring Funktionalität kann beispielsweise über Bremsen oder Kupplungen erfolgen, welche Getriebestufen des Differenzialgetriebes so sperren oder abbremsen, dass eine stufenlose Zuweisung von Raddrehzahl und -drehmoment möglich ist, wodurch gezielt Giermomente um die Hochachse erzeugt werden können. Auch können generell Traktionsverbesserungen erzielt werden.
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Da der Bauraum für elektrisch betreibbare Achsantriebsstränge mit einem Torque-Vectoring Modul in einem Fahrzeug regelmäßig begrenzt ist, besteht ein anhaltendes Bedürfnis darin, derartige Achsantriebsstränge möglichst kompakt und an gegebene Bauraumsituationen anpassbar auszuführen.
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Daher ist es die Aufgabe der Erfindung einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang bereit zu stellen, der einen kompakten und gleichzeitig an gegebene Bauraumsituationen anpassbaren Aufbau aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend eine elektrische Maschine mit einem relativ zu einem Stator gelagerten Rotor und einer Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden, und der elektrisch betreibbare Achsantriebsstrang ferner ein Torque-Vectoring Modul mit einer ersten, ein erstes Lamellenpaket aufweisenden Kupplungsanordnung und wenigstens einer zweiten, ein zweites Lamellenpaket aufweisenden Kupplungsanordnung umfasst, die koaxial zur Rotationsachse des Rotors angeordnet sind, wobei das erste Lamellenpaket der ersten Kupplungsanordnung und das zweite Lamellenpaket der zweiten Kupplungsanordnung radial versetzt zueinander angeordnet sind.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass der erfindungsgemäße Achsantriebsstrang axial besonders kompakt bauen ausgeführt werden kann.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und eine Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Maschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung der Getriebeanordnung gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
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Die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung können auch in einem Antriebsstranggehäuse aufgenommen sein. Das Antriebsstranggehäuse ist zumindest zur Aufnahme der elektrischen Maschine und der Getriebeanordnung vorgesehen.
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Das Antriebsstranggehäuse ist bevorzugt aus einem metallischen Material, insbesondere bevorzugt aus Aluminium, Grauguss oder Stahlguss, insbesondere mittels einem Urformverfahren wie Gießen oder Druckguss geformt. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, das Antriebsstranggehäuse aus einem Kunststoff zu bilden.
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Das Antriebsstranggehäuse kann insbesondere bevorzugt eine topfartige Grundform aufweisen, so dass die elektrische Maschine und das Getriebe über die offene Stirnseite des Antriebsstranggehäuses in dieses eingesetzt werden können.
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Eine elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfasst in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
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Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung kann die elektrische Maschine als Radial- oder Axialflussmaschine ausgebildet sein. Um einen axial besonders kompakt bauende Achsantriebsstrang auszubilden, sind Axialflussmaschinen zu bevorzugen.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen.
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Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Die Getriebeanordnung des elektrischen Achsantriebsstrangs ist insbesondere mit der elektrischen Maschine koppelbar, welche zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für das Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Bei dem Antriebsdrehmoment handelt es sich besonders bevorzugt um ein Hauptantriebsdrehmoment, sodass das Kraftfahrzeug ausschließlich durch das Antriebsdrehmoment angetrieben wird.
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Die Getriebeanordnung kann ein Differentialgetriebe aufweisen. Ein Differentialgetriebe ist ein Planetengetriebe mit einem Antrieb und zwei Abtrieben. Es hat üblicherweise die Funktion, zwei Fahrzeugräder eines Kraftfahrzeugs so anzutreiben, dass sie in Kurven unterschiedlich schnell, aber mit gleicher Vortriebskraft drehen können.
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Der elektrische betreibbare Achsantriebsstrang weist ferner ein Torque-Vectoring Modul auf, wodurch das Drehmoment eines elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrangs radselektiv verteilt werden kann. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz eines elektromechanisch angetriebenen, dreistufigen Planetenradgetriebes, des sogenannten Überlagerungsgetriebes, realisiert sein.
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Eine oder beide der Kupplungsanordnungen können auch als Bremse konfiguriert sein, wobei dann die Innenlamellen oder die Außenlamellen des Lamellenpakets der jeweiligen Kupplungsanordnung drehfest gegenüber dem Rotor, beispielsweise an einem Gehäusebauteil, gelagert sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Lamellenpaket der ersten Kupplungsanordnung radial oberhalb oder unterhalb des zweiten Lamellenpakets der zweiten Kupplungsanordnung angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass hierdurch eine axial besonders kompakt bauende Ausführungsform eines Achsantriebsstrangs ausgebildet werden kann.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das erste Lamellenpaket der ersten Kupplungsanordnung und das zweite Lamellenpaket der zweiten Kupplungsanordnung axial versetzt zueinander angeordnet sind, so dass eine weitere Anpassung an vorgegebene Bauraumsituationen realisierbar sind.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das erste Lamellenpaket der ersten Kupplungsanordnung und das zweite Lamellenpaket der zweiten Kupplungsanordnung sich axial nicht überlappend zueinander angeordnet sind, wodurch eine weitere Anpassung an vorgegebene Bauraumsituationen möglich wird.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das erste Lamellenpaket der ersten Kupplungsanordnung und das zweite Lamellenpaket der zweiten Kupplungsanordnung im Wesentlichen baugleich ausgebildet sind, wodurch die Bauteilkomplexität und Herstellungskosten des Achsantriebsstrangs reduzierbar sind. Dies bedeutet, dass die Lamellenpakete insbesondere die gleiche Anzahl und Anordnung von Lamellen aufweisen.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die erste Kupplungsanordnung und die zweite Kupplungsanordnung eine bauliche Einheit mit dem Getriebeanordnung und oder der elektrischen Maschine bildet, so dass eine besonders kompakte und montagefreundliche Ausführung eines Achsantriebsstrangs bereitgestellt werden kann.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die erste Kupplungsanordnung und die zweite Kupplungsanordnung einen gemeinsamen Außenlamellenträger aufweisen, welcher drehfest gegenüber dem Rotor gelagert ist. Hierdurch können die Kupplungsanordnungen als Bremse konfiguriert werden.
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Ein besonders kompakter und modularer Aufbau eines Achsantriebsstranges lässt sich realisieren, wenn das Torque-Vectoring Modul in Axialrichtung an die Getriebeanordnung angrenzt, welche ihrerseits in Axialrichtung an die elektrische Maschine angrenzt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang in einer Blockschaltdarstellung,
- 2 eine erste Ausführungsform eines Achsantriebsstrangs in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 3 schematische Darstellungen der Anordnung von Lamellenpakten in einem Torque-Verctoring Modul.
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Die 1 zeigt einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang 1 eines Kraftfahrzeugs 2. Dieser wird nachfolgend anhand der Darstellung in 2 näher erläutert. Der elektrisch betreibbare Achsantriebsstrang 1 besitzt eine elektrische Maschine 3 mit einem relativ zu einem Stator 9 gelagerten Rotor 10. In der gezeigten Ausführungsform ist die elektrische Maschine 3 als Radialflussmaschine konfiguriert, wodurch eine axial kompakt bauende Ausführung des Achsantriebsstrangs ermöglicht wird.
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Der elektrisch betreibbare Achsantriebsstrang weist ferner eine Getriebeanordnung 4 auf, wobei die elektrische Maschine 3 und die Getriebeanordnung 4 eine bauliche Einheit 5 bilden. Des Weiteren umfasst der elektrisch betreibbare Achsantriebsstrang 1 ein Torque-Vectoring Modul 6 mit einer ersten, ein erstes Lamellenpaket 12 aufweisenden Kupplungsanordnung 7 und einer zweiten, ein zweites Lamellenpaket 13 aufweisenden Kupplungsanordnung 8, die koaxial zur Rotationsachse 11 des Rotors 10 angeordnet sind. Das erste Lamellenpaket 12 der ersten Kupplungsanordnung 7 und das zweite Lamellenpaket 13 der zweiten Kupplungsanordnung 8 sind so radial versetzt zueinander angeordnet, dass das erste Lamellenpaket 12 der ersten Kupplungsanordnung 7 radial oberhalb oder unterhalb des zweiten Lamellenpakets 13 der zweiten Kupplungsanordnung 8 angeordnet ist.
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Das Torque-Vectoring Modul 6 grenzt in Axialrichtung an die Getriebeanordnung 4 an, welche ihrerseits in Axialrichtung an die elektrische Maschine 3 angrenzt. Das Torque-Vectoring Modul 6 und somit auch die erste Kupplungsanordnung 7 und die zweite Kupplungsanordnung 8 bilden eine bauliche Einheit mit der Getriebeanordnung 4.
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In der 3 sind weitere Möglichkeiten der Anordnung der Lamellenpakete 12,13 gezeigt. Die mit A1,A2 bezeichneten Anordnungen entsprechen im Wesentlichen der in 2 gezeigten Konfiguration, wobei das erste und das zweite Lamellenpaket 12,13 in A2 gegenüber A1 vertauscht angeordnet sind.
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In einer weiteren möglichen Konfiguration, die in der 3 mit B1,B2 bezeichnet ist, sind das erste Lamellenpaket 12 der ersten Kupplungsanordnung 7 und das zweite Lamellenpaket 13 der zweiten Kupplungsanordnung 8 axial versetzt zueinander angeordnet, wobei sie einen axialen Überlappungsbereich aufweisen. Auch hier ist es möglich, dass das erste und das zweite Lamellenpaket 12,13 in B2 gegenüber B1 vertauscht angeordnet sind.
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Schließlich ist es auch denkbar, dass das erste Lamellenpaket 12 der ersten Kupplungsanordnung 7 und das zweite Lamellenpaket 13 der zweiten Kupplungsanordnung 8 sich axial nicht überlappend zueinander angeordnet sind, so wie es beispielhaft in den Abbildungen C1,C2 der 3 gezeigt ist. Das erste und das zweite Lamellenpaket 12,13 in C2 ist gegenüber C1 vertauscht angeordnet.
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Das erste Lamellenpaket 12 der ersten Kupplungsanordnung 7 und das zweite Lamellenpaket 13 der zweiten Kupplungsanordnung 8 sind im Wesentlichen baugleich ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass sie insbesondere die gleiche Anzahl und Anordnung von Lamellen aufweisen.
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Auch wenn es den Figuren nicht entnommen werden kann, ist es jedoch grundsätzlich auch denkbar, dass die erste Kupplungsanordnung 7 und die zweite Kupplungsanordnung 8 einen gemeinsamen Außenlamellenträger 14 aufweisen, welcher drehfest gegenüber dem Rotor 10 gelagert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achsantriebsstrang
- 2
- Kraftfahrzeug
- 3
- elektrische Maschine
- 4
- Getriebeanordnung
- 5
- bauliche Einheit
- 6
- Torque-Vectoring Modul
- 7
- erste Kupplungsanordnung
- 8
- zweite Kupplungsanordnung
- 9
- Stator
- 10
- Rotor
- 11
- Rotationsachse
- 12
- erstes Lamellenpaket
- 13
- zweites Lamellenpaket
- 14
- Außenlamellenträger
