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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Elektrofahrzeug, welches einen Freilauf aufweist.
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Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge, die eine elektrische Antriebseinrichtung aufweisen, sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So kann bei elektrischen Antriebseinrichtung ein Drehmoment erzeugt und das Kraftfahrzeug bewegt werden. Ferner wird in Hybridfahrzeugen eine Ausgangswelle von sowohl einem Verbrennungs- als auch einem Elektromotor angetrieben. Dabei können in der Regel beide Antriebsarten unabhängig voneinander oder zusammen das Fahrzeug antreiben.
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Da Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb durch wieder aufladbare Batterien, Brennstoffzellen oder anderweitigen Quellen mit Energie versorgt werden, die nur eine begrenzte Ladekapazität aufweisen, werden verschiedene Konzepte zur Energieeinsparung und auch zur Energierückgewinnung, der sogenannten Rekuperation, eingesetzt. Dabei werden die Antriebseinrichtung und eine an der Antriebseinrichtung vorhandene Ausgangswelle voneinander entkoppelt und eine Rotation auf die elektrische Maschine des Fahrzeugs übertragen. Die elektrische Maschine dreht weiter und erzeugt daraus eine Spannung, welche zum Laden der Batterie verwendet werden kann. Ferner werden Antriebseinrichtungen mit entkoppelbarer Ausgangswelle genutzt, um die bewegte Masse zu reduzieren, indem zusätzlich der Elektroantrieb entkoppelt und auf diese Weise das auftretende Schleppmoment verringert und damit der Schleppverlust reduziert wird.
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Für eine derartige Entkopplung sind im Stand der Technik Kopplungseinrichtungen vorgesehen, die zum Beispiel Klauenschaltelemente aufweisen und ein wahlweises Koppeln und Entkoppeln der elektrischen Antriebseinrichtung an die Getriebeanordnung bzw. an die Ausgangswelle der Getriebeanordnung erlauben. Alternativ finden auch Freilaufeinrichtungen Anwendung, welche in einer ersten Drehrichtung ein Drehmoment übertragen und in einer zweiten Drehrichtung frei rotieren können, ohne ein Drehmoment zu übertragen.
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Eine solche Freilaufeinrichtung ist aus der
DE 10 2019 219 459 A1 bekannt. Diese wird hier möglichst antriebsnah an einem Hybridfahrzeug vorgesehen und ist an einer elektrischen Antriebseinrichtung oder einer Zwischenwelle angebracht wird. Die elektrische Antriebseinrichtung ist mit einer Eingangswelle gekoppelt, die mittels einer Freilaufeinrichtung, insbesondere eines mechanischen Freilaufs, mit der Ausgangswelle gekoppelt ist. Die Freilaufeinrichtung ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Drehbewegung der Eingangswelle die Eingangswelle mit der Ausgangswelle zu koppeln oder von der Ausgangswelle zu entkoppeln.
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Freilaufeinrichtungen werden in der Regel zwischen einem Differentialgetriebe und der Antriebseinheit angebracht. So offenbart die WO 2010 / 028 905 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein Fahrzeug, welches eine elektrische Maschine und eine von dieser elektrischen Maschine antreibbare Achse aufweist. Zwischen der antreibbaren Achse und der elektrischen Maschine befindet sich antriebsnah eine trennbare mechanische Kupplung, die als schaltbarer Freilauf ausgebildet ist. Auf diese Weise kann in einem ersten Modus die elektrische Maschine das Fahrzeug effizient beim Beschleunigen unterstützen und in einem zweiten Modus kinetische Energie des Fahrzeugs mittels der elektrischen Maschine in elektrische Energie umgewandelt werden. Alternativ kann die elektrische Maschine vollständig entkoppelt werden, um das durch diese induzierte Schleppmoment zu reduzieren. Im Rahmen der genannten Patentanmeldung ist jedoch nur das Abkoppeln der elektrischen Maschine offenbart, wenn die Drehzahl für diese zu groß werden würde, so dass es zum Schlupf und somit zur Instabilität des Fahrzeugs kommen könnte. Ein Entkoppeln des Freilaufs, um das Schleppmoment zu reduzieren, oder eine Rekuperation bei vollgeladener Batterie zu verhindern, ist mit dem vorgestellten Aufbau ohne weiteres möglich.
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Das antriebsnahe Anbringen eines Freilaufs hat den Nachteil, dass das an der Stelle des Freilaufs wirkende Drehmoment sehr groß ist und somit große Schleppverluste auftreten, insofern die elektrische Maschine mit der Ausgangswelle verbunden ist. Solche Systeme unterliegen einem erhöhten Verschleiß und müssen entsprechend der auftretenden hohen Drehmomente dimensioniert werden, so dass sie auch das Fahrzeuggewicht erhöhen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs derart abzuwandeln, dass der Antrieb entkoppelt und somit Schleppverluste reduziert werden können, dabei aber sowohl die auftretenden Drehmomente als auch das Fahrzeuggewicht reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang für ein Elektrofahrzeug und durch ein mit einem solchen Antriebsstrang ausgestattetes Elektrofahrzeug gelöst.
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Der erfindungsgemäße Antriebsstrang für ein Elektrofahrzeug umfasst eine elektrische Maschine mit einer Ausgangswelle, ein Differentialgetriebe, eine mit einem ersten Antriebsrad verbundene erste Seitenwelle und eine mit einem zweiten Antriebsrad verbundene zweite Seitenwelle sowie eine Trennvorrichtung. Das Differentialgetriebe umfasst einen Differentialkorb, an dem mindestens ein Umlaufzahnrad angeordnet ist und der mit der Ausgangswelle in Verbindung steht, so dass die Ausgangswelle diesen antreibt. Das mindestens eine Umlaufzahnrad steht mit der ersten Seitenwelle und der zweiten Seitenwelle in Verbindung, sodass eine Bewegung der Ausgangswelle über den Differentialkorb und das mindestens eine Umlaufzahnrad auf die erste und die zweite Seitenwelle übertragen wird. Die Trennvorrichtung ist an der ersten Seitenwelle angeordnet und erlaubt ein Entkoppeln der ersten Seitenwelle von dem ersten Antriebsrad. Dies bewirkt, dass in einem entkoppelten Zustand eine Drehung des zweiten Antriebsrads von dem zweiten Antriebsrad über die zweite Seitenwelle und über das mindestens eine Umlaufzahnrad auf die erste Seitenwelle übertragen wird, nicht aber auf den Differentialkorb. Da die Trennvorrichtung nicht wie üblich an der Ausgangswelle oder zwischen Ausgangswelle und Differentialgetriebe angebracht ist, kann sie kleiner dimensioniert und das Fahrzeuggewicht reduziert werden. Ferner wirkt nur ein Teil des Drehmoments auf die Trennvorrichtung, da der übrige Teil an der zweiten Seitenwelle wirkt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Trennvorrichtung ein Freilauf, welcher in einer ersten Drehrichtung das erste Antriebsrad gegenüber der ersten Seitenwelle freigibt und in einer zweiten, entgegengesetzten Drehrichtung die Verbindung zwischen dem ersten Antriebsrad und der ersten Seitenwelle miteinander koppelt.
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Auf diese Weise kann besonders einfach die erfindungsgemäße Trennvorrichtung in einen Antriebsstrang integriert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Differentialgetriebe ein Differentialgehäuse auf, in dem zumindest ein Teil der ersten Seitenwelle angeordnet ist. Die Trennvorrichtung ist innerhalb des Differentialgehäuses angeordnet, was die bewegte Masse im abgekoppelten Zustand reduziert und außerdem eine kompakte Ausführung erlaubt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung teilen sich die Trennvorrichtung und das Differentialgetriebe einen Ölraum oder zumindest einen Ölhaushalt, wodurch der Antriebsstrang wartungsärmer ist und das insgesamt am Antriebsstrang auftretende Schleppmoment weiter reduziert wird.
Ebenso ist es aber in einer anderen vorteilhaften Ausführung möglich, dass die Trennvorrichtung außerhalb des Differentialgehäuses angeordnet ist. Bei dieser Variante ist es besonders vorteilhaft, wenn auch die Trennvorrichtung und das Differentialgetriebe jeweils einen voneinander getrennten Ölhaushalt aufweisen, um beide Komponenten getrennt voneinander besser regeln zu können.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Elektrofahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang gelöst.
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Das Elektrofahrzeug umfasst in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine permanent angetriebene Primärachse und eine Sekundärachse. Die Trennvorrichtung ist dabei an der Sekundärachse angebracht. Auf diese Weise kann das Elektrofahrzeug trotz Entkopplung durch die Trennvorrichtung weiter beschleunigen oder rekuperieren.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, das Elektrofahrzeug mit einer ersten und einer zweiten Sekundärachse auszustatten, wobei mehrere Trennvorrichtungen an den Sekundärachsen angebracht sind. Auf diese Weise können, bei Entkopplung aller Achsen, die Schleppverluste weiter minimiert werden.
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Insofern die Trennvorrichtung als Freilauf ausgebildet ist, ist sie vorteilhaft derart an der Sekundärachse ausgerichtet, dass der Freilauf bei einer Rückwärtsfahrt geschlossen ist. So kann durch die Primärachse das Elektrofahrzeug weiterhin rückwärts beschleunigt werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts Andres angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang in einer ersten Ausführung,
- 2 ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang in einer zweiten Ausführung,
- 3 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug.
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1 zeigt einen Antriebsstrang für ein Elektrofahrzeug, dessen Aufbau im Folgenden beschreiben werden soll. Eine elektrische Maschine 1 ist mit einer Ausgangswelle 2 verbunden, welche wiederum mit einem Differentialgetriebe 3 in Verbindung steht. Zwischen der Ausgangswelle 2 und dem Differentialgetriebe 3 kann optional ein Übersetzungsgetriebe 12 beliebiger Art vorhanden sein.
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Das Differentialgetriebe 3 selbst setzt sich aus einem Differentialkorb 9 und einem Umlaufzahnrad 10 zusammen, welches ein auf den Differentialkorb 9 wirkendes Drehmoment aufnimmt und an eine erste Seitenwelle 4 und eine zweite Seitenwelle 5 überträgt. Dazu sind beide Seitenwellen 4, 5 selbst mit passenden Zahnrädern versehen, welche mit dem mindestens einen Umlaufzahnrad 10 kämmend in Verbindung stehen. Im einfachsten Fall handelt es sich bei den Zahnrädern der Seitenwellen und dem mindestens einen Umlaufzahnrad 10 um Kegelräder, es kann jedoch problemlos jeder andere Differentialtyp in dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang umgesetzt werden. Auch kann eine beliebige Anzahl an Umlaufzahnrädern 10 vorhanden oder können zusätzliche Zahnräder zwischen den Umlaufzahnrädern 10 und einer oder beiden Seitenwellen 4, 5 angeordnet sein. Für die Umsetzung der erfindungsgemäßen Lehre ist es aber hinreichend, wenn mindestens ein Umlaufzahnrad 10 vorhanden ist. Das Differentialgetriebe 3 wird von einem Differentialgehäuse 11 umschlossen, um das innenliegende Differenzialgetriebe 3 zu schützen und zur optimalen Schmierung in einem Ölbad betreiben zu können.
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Ein an der Ausgangswelle 2 durch die elektrische Maschine 1 erzeugtes Drehmoment wird über das Übersetzungsgetriebe 12 auf den Differentialkorb 9 übertragen, welcher mittels Umlaufzahnrad 10 dieses anteilig auf die erste Seitenwelle 4 und die zweite Seitenwelle 5 weitergibt. Diese treiben jeweils ein erstes Antriebsrad 6 und ein zweites Antriebsrad 7 an.
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Zwischen dem ersten Antriebsrad 6 und dem Differentialgetriebe 3 ist an der ersten Seitenwelle 4 eine Trennvorrichtung 8 vorgesehen. Dabei kann es sich um eine Klauenkupplung oder ähnliches handeln, wobei ein Freilauf vorteilhaft integriert werden kann, der in einer ersten Drehrichtung das erste Antriebsrad 6 gegenüber der ersten Seitenwelle 4 freigibt und in einer zweiten, entgegengesetzten Drehrichtung zwischen dem ersten Antriebsrad 6 und der ersten Seitenwelle 4 eine Verbindung herstellt. Um einen Freilauf in den Antriebsstrang bestmöglich zu implementieren, muss das Spiel des Differentialgetriebes 3 entsprechend angepasst, also vergrößert werden, als es ohne Freilauf notwendig ist.
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Die Trennvorrichtung 8 bewirkt, dass in einem entkoppelten Zustand eine Drehung des zweiten Antriebsrads 7 von dem zweiten Antriebsrad 7 über die zweite Seitenwelle 5 und über das Umlaufzahnrad 10 auf die erste Seitenwelle 4 übertragen wird. Der Differentialkorb 9 bleibt jedoch mittels der Ausgangswelle 2 und des Übersetzungsgetriebes 12 mit der elektrischen Maschine 1 verbunden. Beim Entkoppeln des ersten Antriebsrads 6 wird durch die elektrische Maschine 1 in der Regel kein Drehmoment mehr erzeugt, sondern es wirkt ein Schleppmoment, welches den Differentialkorb 9 abbremst. Gleichzeitig kommt es zu einem Abbremsen und anschließender Umkehr der Drehrichtung der ersten Seitenwelle 4, da auf diese über das Umlaufzahnrad 10 eine Drehung des zweiten Antriebsrads 7 und somit der zweiten Seitenwelle 5 übertragen wird. Im weiteren Verlauf kommt der Differentialkorb 9 aufgrund des Bremsung durch die elektrische Maschine 1 zur Ruhe. Die Drehung wird dann vollständig von dem Umlaufzahnrad 10 aufgenommen und nur noch auf die erste Seitenwelle 4 übertragen, nicht aber auf den Differentialkorb 9.
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Die Trennvorrichtung 8 kann an verschiedenen Stellen der ersten Seitenwelle 4 angebracht sein. 1 zeigt die Trennvorrichtung 8 an einer beliebigen Stelle außerhalb des Differentialgehäuses 11. Umso näher die Trennvorrichtung 8 am Differentialgetriebe 3 angebracht ist, desto weniger Masse wird bewegt und desto geringer sind die Schleppverluste des entkoppelten Antriebsstrangs.
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Die Trennvorrichtung 8 kann auch innerhalb des Differentialgehäuses 11 angeordnet sein, wenn zumindest ein Teil der ersten Seitenwelle 4 ebenfalls innerhalb des Differentialgehäuses 11 angeordnet ist. Dies entspricht der Darstellung in 2. Egal ob die Trennvorrichtung 8 als Kupplung oder als Freilauf ausgebildet ist, in beiden Fällen muss sich, um Reibungsverluste und Wärmeeintrag zu vermeiden, die Trennvorrichtung 8 in einem Ölbad befinden oder zumindest hinreichend mit einem Schmiermittel behandelt sein. Das Differentialgehäuse 11 ist in der Regel mit einem Schmiermittel gefüllt. Wird die Trennvorrichtung 8 innerhalb des Differentialgehäuses 11 platziert, können beide in einem einzigen Ölraum vereint werden. Dies erleichtert die Wartung, da nur noch eine Komponente geöffnet und das Schmiermittel getauscht werden muss. Da außerdem weniger Dichtungen benötigt werden, reduziert eine solche Lösung außerdem die Schleppverluste.
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3 zeigt nun am Beispiel des Antriebsstrangs in erster Ausführung, wie ein solcher in ein Elektrofahrzeug integriert werden kann. Das Elektrofahrzeug weist eine Primärachse 13 und eine Sekundärachse 14 auf. Die Primärachse 13 ist dabei zu jeder Zeit durch die elektrische Maschine 1 werden und weist hier ebenfalls ein Differentialgetriebe 3 auf, welches aber optional ist. Die beiden Differentialgetriebe 3 an Primärachse 13 und Sekundärachse 14 können identisch, aber auch unterschiedlich ausgeführt sein. Die Sekundärachse 14 umfasst den mit Bezug auf 1 beschriebenen Antriebsstrang mit Trennvorrichtung 8. Auch wenn hier die Primärachse 13 vorn und die Sekundärachse 14 hinten am Elektrofahrzeug angeordnet sind, so ist auch eine Ausführung mit einer vorderen Sekundärachse 14 und einer hinteren Primärachse 13 denkbar. Insofern das Elektrofahrzeug mehr als zwei Achsen aufweist, können Primärachsen 13 und Sekundärachsen 14 beliebig kombiniert werden.
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Ist die Trennvorrichtung 8 als Freilauf ausgebildet, wird diese so ausgerichtet, dass bei einer Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs das erste Antriebsrad 6 freigegeben ist, während der Freilauf bei einer Rückwärtsfahrt schließt. Zwar ist auf diese Weise kein geschleppter Betrieb bei der Rückwärtsfahrt möglich, aufgrund der geringen Geschwindigkeiten und nur kurzfristigen Ausführung einer solchen stellt dies jedoch kein Problem dar, da in diesem Fall die Schleppverluste allgemein sehr gering sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Ausgangswelle
- 3
- Differentialgetriebe
- 4
- erste Seitenwelle
- 5
- zweite Seitenwelle
- 6
- erstes Antriebsrad
- 7
- zweites Antriebsrad
- 8
- Trennvorrichtung
- 9
- Differentialkorb
- 10
- Umlaufzahnrad
- 11
- Differentialgehäuse
- 12
- Übersetzungsgetriebe
- 13
- Primärachse
- 14
- Sekundärachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019219459 A1 [0005]
