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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Achsantriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine, mit einem relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor mit einer Rotorwelle, sowie eine von einem Hydraulikfluid beaufschlagten Getriebeanordnung, welche drehmomentübertragend mit dem Rotor der elektrischen Maschine koppelbar ist und die elektrische Maschine sowie die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden, und die Rotorwelle axial in die Getriebeanordnung eingreift. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Achsantriebsstrangs.
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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, der wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. 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 betreibarer Antriebsstrang bezeichnet.
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In der Regel ist es bei derartigen E-Achsen notwendig, den mit einem Hydraulikfluid beaufschlagten Getrieberaum gegenüber dem als Trockenraum ausgebildeten Luftspalt zwischen Stator und Rotor der elektrischen Maschine der E-Achse abzudichten. Diese Dichtstelle stellt durch die vergleichsweisen hohen Umdrehungszahlen des Rotors hohe Anforderungen an eine reibungsarme Ausführung der entsprechenden Dichtung, welche von schleifenden Dichtungen mit geringem Anpressdruck jedoch nicht immer erfüllt werden können.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen elektrischen Achsantriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme reduziert oder vollständig beseitigt und einen besonders reibungsarmen Betrieb ermöglicht. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Achsantriebsstrangs zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrischen Achsantriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine, mit einem relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor mit einer Rotorwelle, sowie eine von einem Hydraulikfluid beaufschlagten Getriebeanordnung, welche drehmomentübertragend mit dem Rotor der elektrischen Maschine koppelbar ist und die elektrische Maschine sowie die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden, und die Rotorwelle axial in die Getriebeanordnung eingreift, wobei an der Rotorwelle eine Rotorscheibe drehfest fixiert ist und eine Gehäusescheibe drehfest an einem Gehäusebauteil des elektrischen Achsantriebsstrangs angeordnet ist, wobei die Rotorscheibe und die Gehäusescheibe eine Labyrinthdichtung mit einem Dichtspalt ausbilden und die Rotorscheibe derart konfiguriert ist, dass bei einer Rotation der Rotorwelle die Rotorscheibe eine in axiale Richtung zur Getriebeanordnung hin gerichtete Schleuderwirkung auf das Hydraulikfluid bewirkt.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass aus einer Kombination von Schleuderscheibe (Rotorscheibe) und Labyrinthdichtung eine kontaktlose Dichtung mit hoher Dichtwirkung bereitgestellt 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 kann wenigstens eine elektrische Maschine und wenigstens eine Getriebeanordnung umfassen, wobei die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung bevorzugt jeweils eine bauliche Einheit bilden. Bevorzugt weist der elektrische Achsantriebsstrang eine erste elektrische Maschine mit einer ersten Getriebeanordnung sowie eine zweite elektrische Maschine und mit einer zweiten Getriebeanordnung auf.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass jeweils eine elektrische Maschine und eine 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 elektrischen Maschinen und die Getriebeanordnungen können auch jeweils oder gemeinsam in einem Antriebsstranggehäuse aufgenommen sein. Das Antriebsstranggehäuse ist zumindest zur Aufnahme der elektrischen Maschine und der Getriebeanordnung vorgesehen. 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 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. 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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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotorscheibe und/oder die Gehäusescheibe kegelstumpfringförmig ausgebildet sind/ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass sich hierdurch eine besonders langer Dichtspalt ergibt und durch die kegelstumpfartige Ausbildung der Scheiben eine hohe Formstabilität, insbesondere auch bei hohen Umdrehungszahlen realisiert werden kann.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Rotorscheibe und/oder die Gehäusescheibe aus einem metallischen Blech geformt sind/ist, wodurch sich die Scheiben besonders kostengünstig fertigen lassen.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Rotorscheibe und/oder die Gehäusescheibe mittels eines Tiefziehverfahrens geformt sind/ist, was ebenfalls zu einer kostengünstigen Fertigung der Scheiben beiträgt.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Rotorscheibe mittels einer Presspassung an der Rotorwelle fixiert ist und/oder die Gehäusescheibe mittels einer Presspassung an dem Gehäusebauteil fixiert ist. Auch hierdurch lässt sich die Wirkung erzielen, dass die Scheiben kostengünstig herstellbar und montierbar ausgeführt werden können.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass an dem Gehäusebauteil ein Ablaufkanal derart ausgebildet ist, dass ein schwerkraftbewirktes Abfließen von Hydraulikfluid beim Stillstand des Rotors in Richtung der Getriebeabordnung bewirkt ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass beispielsweise durch die Labyrinthdichtung hindurchmigrierte Ölpartikel aus dem Trockenraum der elektrischen Maschine wieder in den nassen Getrieberaum ablaufen können. Ferner kann im Betrieb der elektrischen Maschine und bei Rotation der Rotorwelle ein Druckausgleich über den Ablaufkanal realisiert werden, so dass eine Luftzirkulation zur Abdichtung des trockenen elektrischen Motorraums entsteht.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Gehäusebauteil einen Konus aufweist, welcher so konfiguriert ist, dass ein schwerkraftbewirktes Abfließen von Hydraulikfluid beim Stillstand des Rotors in Richtung des Ablaufkanals bewirkt ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Abfließen von sich im Trockenraum angesammelten Hydraulikfluid weiter verbessert werden kann.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Gehäusebauteil ein Lagerschild der elektrischen Maschine ist, was zu einem besonders kompakten Aufbau des Achsantriebsstrangs beitragen kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Achsantriebsstrangs für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine, mit einem relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor mit einer Rotorwelle, sowie eine von einem Hydraulikfluid beaufschlagten Getriebeanordnung, welche drehmomentübertragend mit dem Rotor der elektrischen Maschine koppelbar ist und die elektrische Maschine sowie die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden, und die Rotorwelle axial in die Getriebeanordnung eingreift, umfassend die folgenden Schritte:
- Drehfeste Fixierung einer Rotorscheibe an der Rotorwelle, und drehfeste Fixierung einer Gehäusescheibe an einem Gehäusebauteil des elektrischen Achsantriebsstrangs, so dass die Rotorscheibe und die Gehäusescheibe eine Labyrinthdichtung mit einem Dichtspalt ausbilden, wobei Montage der Rotorscheibe und der Gehäusescheibe gemeinsam erfolgt.
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Um die Montage weiter zu vereinfachen kann vorgesehen sein, dass die gemeinsame Montage der Rotorscheibe und der Gehäusescheibe mittels eines Werkzeugs erfolgt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Achsantriebsstrang in einer schematischen Blockschaltansicht,
- 2 eine schematische Axialschnittansicht eines elektrischen Achsantriebsstrangs,
- 3 eine Detailansicht der Dichtung der Rotorwelle gegenüber der Getriebeanordnung in einer schematischen Axialschnittansicht, und
- 4 eine Ausschnitts-Detailansicht der Dichtung der Rotorwelle gegenüber der Getriebeanordnung in einer schematischen Axialschnittansicht,
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Die 1 zeigt einen elektrischen Achsantriebsstrang 1 eines elektrisch antreibbares Kraftfahrzeugs 2, umfassend eine elektrische Maschine 3 und eine Getriebeanordnung 7, welche eine bauliche Einheit 6 bilden.
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2 zeigt, dass der Achsantriebsstrangs 1 aus der 1 eine elektrische Maschine 3, mit einem relativ zu einem Stator 4 drehbar gelagerten Rotor 5 mit einer Rotorwelle 15, sowie eine von einem Hydraulikfluid 13 beaufschlagten Getriebeanordnung 7 umfasst, welche drehmomentübertragend mit dem Rotor 5 der elektrischen Maschine 3 koppelbar ist. Die Rotorwelle 15 greift axial in die Getriebeanordnung 7 ein. Die Rotorwelle 15 ist über die Wälzlager 18 drehbar gegenüber den drehfesten Gehäusebauteilen 10 und dem Stator 4 gelagert. Das Gehäusebauteil 10 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Lagerschild der elektrischen Maschine 3. Der gestrichelte und mit a bezeichnete Bereich wird nachfolgend in einer Detailansicht in der 3 näher erläutert.
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Man erkennt anhand der 3 gut, dass an der Rotorwelle 15 eine Rotorscheibe 8 drehfest fixiert ist und eine Gehäusescheibe 9 drehfest an einem Gehäusebauteil 10 des elektrischen Achsantriebsstrangs 1 angeordnet ist. Die Rotorscheibe 8 und die Gehäusescheibe 9 bilden eine Labyrinthdichtung 11 mit einem Dichtspalt 12 aus. Die Rotorscheibe 8 ist derart konfiguriert, dass bei einer Rotation der Rotorwelle 15 die Rotorscheibe 8 eine in axiale Richtung zur Getriebeanordnung 7 hin gerichtete Schleuderwirkung auf das Hydraulikfluid 13 der Getriebeanordnung 7 bewirkt und so ein Eintritt von Hydraulikfluid 13 in den Dichtspalt 12 weitestgehend verhindert ist.
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Aus der 3 ist ferner ersichtlich, dass die Rotorscheibe 8 und die Gehäusescheibe 9 kegelstumpfringförmig ausgebildet sind. Die Rotorscheibe 8 weitet sich in axialer Richtung zur Getriebeanordnung 7 hin radial auf, wobei der kleine Durchmesser der kegelstumpfringförmigen Rotorscheibe mit der Rotorwelle 15 verbunden ist. Die kegelstumpfringförmige Gehäusescheibe 9 ist mit ihrem großen Durchmesser an dem Gehäusebauteil 10 fixiert. Die kegelstumpfringförmige Rotorscheibe 8 und die kegelstumpfringförmige Gehäusescheibe 9 definieren den kegelstumpfringförmigen Dichtspalt 12. Sowohl die Rotorscheibe 8 als auch die Gehäusescheibe 9 sind aus einem metallischen Blech mittels Tiefziehverfahren geformt. Die Rotorscheibe 8 ist mittels einer Presspassung an der Rotorwelle und die Gehäusescheibe 9 mittels einer Presspassung an dem Gehäusebauteil 10 fixiert.
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Wie in der Detailansicht der 4 gut zu erkennen ist, ist an dem Gehäusebauteil 10 ein Ablaufkanal 16 derart ausgebildet, dass ein schwerkraftbewirktes Abfließen von Hydraulikfluid 13 beim Stillstand des Rotors 5 in Richtung der Getriebeabordnung 7 bewirkt ist. Hierzu ist der Ablaufkanal 16 in Schwerkraftrichtung an dem untersten Punkt des Gehäusebauteils 10 ausgebildet. Um das Abfließen des Hydraulikfluids 13 weiter zu unterstützen, weist das Gehäusebauteil 10 einen Konus 17 auf, welcher so konfiguriert ist, dass ein schwerkraftbewirktes Abfließen von Hydraulikfluid 13 beim Stillstand des Rotors 5 in Richtung des Ablaufkanals 16 bewirkt ist.
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Die Herstellung des in den 1-4 gezeigten Achsantriebsstrangs 1 kann die folgenden Schritte umfassen:
- Zur Abdichtung des Trockenraums 14 der elektrischen Maschine 14 gegenüber der mit Hydraulikfluid 13 beaufschlagten Getriebeanordnung 7 erfolgt eine drehfeste Fixierung der Rotorscheibe 8 an der Rotorwelle 15, sowie die drehfeste Fixierung der Gehäusescheibe 9 an dem Gehäusebauteil 10 des elektrischen Achsantriebsstrangs 1, so dass die Rotorscheibe 8 und die Gehäusescheibe 9 eine Labyrinthdichtung 11 mit einem Dichtspalt 12 ausbilden. Die Montage der Rotorscheibe 8 und der Gehäusescheibe 9 erfolgt gemeinsam mittels eines Werkzeugs.
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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
- Stator
- 5
- Rotor
- 6
- bauliche Einheit
- 7
- Getriebeanordnung
- 8
- Rotorscheibe
- 9
- Gehäusescheibe
- 10
- Gehäusebauteil
- 11
- Labyrinthdichtung
- 12
- Dichtspalt
- 13
- Hydraulikfluid
- 14
- Trockenraum
- 15
- Rotorwelle
- 16
- Ablaufkanal
- 17
- Konus
- 18
- Wälzlager
