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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, bei der durch eine oder mehrere Trennvorrichtungen ein Abkoppeln des Rads und der Betriebsbremse von einem Antrieb ermöglicht.
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Aktuell ist der Stand der Technik des Betriebsbremssystems bei Fahrzeugen unabhängig vom Antriebskonzept (Elektro-, Hybrid- oder Verbrennungsantrieb) eine radnahe, luftgekühlte Scheibenbremse für jedes Rad. Dies ist auch für Elektrofahrzeuge die immer noch vorherrschende Art der Betriebsbremse, welche autark vom Antriebskonzept funktioniert. Nachteile dieses Betriebsbremssystems sind Luftkühlung, Feinstaubbelastung, Wartungsaufwand, Einfluss auf Fahrzeuggeometrie, Schleppverluste etc.
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Für Elektro- oder Hybridfahrzeuge ist die Luftkühlung der Scheibenbremse mit den dadurch begünstigten Nebeneffekten von reibungsbedingtem Verschleiß nebst Feinstaubemission, reibungs- und witterungsbedingt hohem Wartungsbedarf sowie Beschränkungen des Fahrzeugdesigns aufgrund von notwendigen Lüftungskanälen ein sehr vorrangiges Problem für die beabsichtigte Umweltfreundlichkeit des Fahrzeugs.
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Außerdem sollen Elektro- oder Hybridfahrzeuge vor allem in der Leistungsfähigkeit gesteigert werden, indem Synergieeffekte zwischen Betriebsbremssystem und Antriebssystem unter Ausnutzung der Energierückgewinnung (Rekuperationsbremsung) besser verknüpft werden, um den Energiespeicher (Akku) nachzuladen oder aber überschüssige Wärmeenergie aus Antriebs- und Bremssystem umzuwandeln oder für Heizzwecke zu nutzen.
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Obwohl es heutzutage Stand der Technik ist, dass eine Betriebsbremse im Pkw vor allem wegen der Zusatzfunktionalitäten, wie ESP (elektronisches Stabilitäts-Programm), ASR (Antischlupfregelung), ABS (Antiblockiersystem) etc., nicht mehr mittels mechanischer Verbindung, sondern mittels elektronisch gesteuerter Pumpen vom Bremspedal gesteuert wird, ist das Betriebsbremssystem auch für reine E-Autos immer noch strikt getrennt vom elektrischen Antriebssystem und mit den peripheren Bremseinrichtungen (luftgekühlte Scheibenbremsen) an den Rädern des Fahrzeugs über hydraulische Bremskreise verbunden.
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Bei aus der Praxis bekannten Lösungen wird in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit mindestens einer elektrischen Antriebsachse ein Betriebsbremssystem verwendet das je Rad eine fluidgekühlte Nassbremse aufweist.
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Solche, im Stand der Technik bekannte Lösungen weisen jedoch Schleppverluste an Lagern, Übersetzung sowie durch Magnetfeldverluste der E-Maschine auf, welche besonders im geschleppten Betrieb, wenn der Pkw rollt, ohne beschleunigt zu werden, eine unerwünschte Bremsung bewirken. Insbesondere, wenn eine Rekuperation, zum Beispiel bei bereits vollgeladener Batterie, nicht erwünscht ist, kommt es so zu einer ungewollten Bremsung des Fahrzeugs.
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Es ist daher Aufgabe, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit nasslaufender Bremse derart auszugestalten, dass die Schleppverluste minimiert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für ein Fahrzeug gelöst, das ein Differenzialgetriebe, zwei nasslaufenden Betriebsbremsen und zwei Räder umfasst. Ein elektrischer Antrieb steht dabei über ein Übersetzungsgetriebe mit einem Eingang des Differenzialgetriebes und die Räder jeweils über eine der zwei nasslaufenden Betriebsbremsen mit jeweils einem Ausgang des Differenzialgetriebes in Verbindung, wobei eine oder mehrere Trennvorrichtungen zwischen dem elektrischen Antrieb und mindestens einer der nasslaufenden Betriebsbremsen vorhanden sind.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die eine Trennvorrichtung zwischen einem der beiden Ausgänge und einem der beiden Antriebsräder oder jeweils eine der mehreren Trennvorrichtungen zwischen einem der beiden Ausgänge und einem der beiden Antriebsräder anzuordnen. Auf diese Weise werden das Übersetzungsgetriebe wie auch der elektrische Antrieb entkoppelt, so dass die Schleppverluste minimiert werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bestehen weiterhin darin, die eine Trennvorrichtung entweder zwischen dem Übersetzungsgetriebe und dem Differenzialgetriebe anzuordnen, die eine Trennvorrichtung in das Übersetzungsgetriebe zu integrieren oder die eine Trennvorrichtung zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Übersetzungsgetriebe anzuordnen. Auf diese Weise muss nur eine einzige Trennvorrichtung vorhanden sein, um alle folgenden Elemente des Antriebssystems abkoppeln zu können, was eine kompakte und kostengünstige Ausführung ermöglicht.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, die eine oder die zwei Trennvorrichtungen und mindestens eine der zwei nasslaufenden Betriebsbremsen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, so dass sie sich einen Ölraum oder zumindest einen Ölhaushalt teilen. So wird die Wartungsfreundlichkeit eines mit eines solchen Antriebssystems versehenen Fahrzeugs erhöht sowie ermöglicht, den Wärmehaushalt aller Bauteile zentral zu steuern und den Wärmeeintrag zur Energiegewinnung oder Heizung des Fahrzeugs zu verwenden.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit zwei elektrischen Antrieben, zwei nasslaufende Betriebsbremsen, zwei Übersetzungsgetriebe und zwei Räder, wobei jedes Rad jeweils mittels eines Übersetzungsgetriebes und einer Betriebsbremse mit einem elektrischen Antrieb verbunden ist, gelöst, die jeweils mit einer von zwei nasslaufenden Betriebsbremsen und jeweils mittels eines Übersetzungsgetriebes mit einem von zwei Rädern verbunden sind. Dabei ist jeweils eine Trennvorrichtung zwischen jedem elektrischen Antrieb und dem jeweiligen Rad vorhanden. Das zugrundeliegende Prinzip des Einsatzes einer Trennvorrichtung kann problemlos auf ein zentrales Antriebssystem, bei dem jedes Rad individuell angetrieben wird, angewendet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines solchen Antriebssystem wird die jeweilige Trennvorrichtung zwischen dem elektrischen Antrieb und der nasslaufenden Betriebsbremse angeordnet. Die Trennvorrichtung befindet sich so an einer Stelle des Antriebssystems, an der die Drehzahlen geringer sind, so dass das Ab- und Ankoppeln erleichtert wird, erlaubt aber weiterhin ein Abbremsen des jeweiligen Rads.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung befinden sich an jedem Rad die Trennvorrichtung, das Übersetzungsgetriebe, der elektrische Antrieb und die nasslaufende Betriebsbremse in einem gemeinsamen Gehäuse, so dass sie sich einen Ölraum oder zumindest einen Ölhaushalt teilen. Dies ermöglicht, den Wärmehaushalt aller Bauteile zentral zu steuern und den Wärmeeintrag zur Energiegewinnung oder Heizung des Fahrzeugs zu verwenden.
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Eine Vorteilhafte Ausgestaltung, welche für beide Varianten des Antriebssystems geeignet ist, beinhaltet, dass die nasslaufende Betriebsbremse neben der Betriebsbremse eine Feststellbremse umfasst, die ein an ihr befindliches Rad feststellt. So kann das Fahrzeug unabhängig vom Zustand der einen oder der zwei Trennvorrichtungen festgestellt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Feststellbremse in die ansonsten als eine Betriebsbremse ausgestaltete nasslaufende Betriebsbremse integriert. Dazu umfasst die nasslaufende Betriebsbremse einen Aktuator, der zwischen einem Betriebsbremsbereich, innerhalb dem er mit der Betriebsbremse in Verbindung steht, einem Feststellbereich, in dem er mit der Feststellbremse in Verbindung steht, und einem Neutralbereich, der sich zwischen dem Betriebsbremsbereich und dem Feststellbereich befindet und in dem der Aktuator weder mit der Betriebsbremse noch mit der Feststellbremse in Verbindung steht, verstellbar ist. So kann besonders kompakt ein Feststellen des Fahrzeugs erreicht werden.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Fahrzeug mit mindestens einer der gerade beschriebenen Antriebssysteme gelöst. Dabei kann das Antriebssystem an einer Sekundärachse ausgebildet sein, während eine weitere am Fahrzeug befindliche Primärachse ohne Trennvorrichtung vorhanden ist. Dies gibt der Verwendung des Fahrzeugs ein hohes Maß an Flexibilität, da zwischen Allradantrieb und einachsigem Antrieb umgeschaltet werden kann. Ferner werden Schleppverluste der nicht angetriebenen Sekundärachse reduziert. Alternativ kann bei angekoppelter Sekundärachse die Rekuperation optimiert oder aber im Falle eines Notbetriebs diese als alleinige Antriebsachse verwendet werden. Ist eine Trennvorrichtung an jeder Antriebsachse des Fahrzeugs vorhanden, wird ein vollständiges Abkoppeln der Antriebe ermöglicht, so dass das Fahrzeug nahezu ohne Schleppverluste rollen kann.
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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 anderes 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 Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem,
- 2 ein Schaltbild eines Antriebssystems einer alternativen Lösung und
- 3 Schaltbild eines Antriebssystems mit Feststellbremse.
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Die 1 zeigt ein Fahrzeug, welches einen Antriebsstrang mit erfindungsgemäßem Antriebssystem aufweist. Das Fahrzeug umfasst eine Antriebsachse 16, die aus einem Differentialgetriebe 3, zwei nasslaufenden Betriebsbremsen 4 und zwei Rädern 5 gebildet ist. Zwischen der Antriebsachse 16 und dem elektrischen Antrieb 1 befindet sich ein Übersetzungsgetriebe 2, über das der elektrische Antrieb 1 mit einem Eingang des Differentialgetriebes 3 in Verbindung steht. Die Räder 5 stehen jeweils über eine der zwei nasslaufenden Betriebsbremsen 4 mit jeweils einem Ausgang des Differenzialgetriebes 3 in Verbindung. Zwischen dem elektrischen Antrieb 1 und den nasslaufenden Betriebsbremsen 4 ist ferner eine oder mehrere Trennvorrichtungen 8 vorgesehen. Bei diesen kann es sich um Reibschaltkupplungen oder eine formschlüssige Kupplung, z.B. eine Klauenkupplung, handeln, wie es aus dem Stand der Technik weitgehend bekannt ist. Je nach Aufbau des Fahrzeugs kann es sinnvoll sein, die eine oder mehreren Trennvorrichtungen 8 an verschiedenen Positionen P1 bis P5 anzubringen.
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Um möglichst viel Masse abzukoppeln und die Schleppverluste zu minimieren, kann eine Trennvorrichtung 8 an Positionen P4 und P5, also zwischen einem der beiden Ausgänge des Differentialgetriebes 3 und einer der beiden nasslaufenden Betriebsbremsen 4 oder jeweils eine der mehreren Trennvorrichtungen 8 zwischen einem der beiden Ausgänge des Differentialgetriebes 3 und einem der beiden nasslaufenden Betriebsbremsen 4 angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Verbindung der Antriebsachse 16 mit dem Übersetzungsgetriebe 2 wie auch dem elektrischen Antrieb 1 aufgelöst werden, so dass dort bei geschleppten Betrieb durch Reibung oder anderweitig entstehende Schleppverluste vermieden werden können.
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Alternativ befindet sich die Trennvorrichtung 8 an Position P3, also zwischen dem Übersetzungsgetriebe 2 und dem Differenzialgetriebe 3, an Position P2, bei der die Trennvorrichtung 8 in das Übersetzungsgetriebe 2 integriert ist, oder an Position P1, und damit zwischen dem elektrischen Antrieb 1 und dem Übersetzungsgetriebe 2. Auch auf diese Weise können Schleppverluste reduziert werden, da mindestens der elektrische Antrieb 1 im geschleppten Betrieb entkoppelt wird. Es ist dabei von Vorteil, dass lediglich eine einzige Trennvorrichtung 8 vorhanden sein muss.
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Ein solches Antriebssystem kann bei einem Fahrzeug an einer Antriebsachse 16 vorgesehen sein, während an einer weiteren Achse 15, keine Trennvorrichtung 8 vorhanden ist. In diesem Zusammenhang wird die Antriebsachse 16 als Sekundärachse bezeichnet, die weitere Achse 15 als Primärachse. Auch kann die hier als hintere Antriebsachse 16 dargestellte und die vordere weitere Achse 15 vertauscht sein, also sich die Antriebsachse 16 vorn und die weitere Antriebsachse hinten am Fahrzeug befinden. Alternativ kann, in 1 durch eine optionale, zusätzliche Trennvorrichtung 8 an Position P6 dargestellt, ein oben beschriebenes Antriebsystem sowohl an der Antriebsachse 16 als auch der weiteren Achse 15 vorhanden sein.
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Der Erfindungsgedanke lässt sich ebenfalls auf ein alternatives Antriebssystem anwenden, bei welchem jedes Rad 5 mittels eines eigenen elektrischen Antriebs 1 angetrieben wird. Ein solches ist in 2 dargestellt und umfasst zwei elektrische Antriebe 1, die jeweils mit einer von zwei nasslaufenden Betriebsbremsen 4 und jeweils mittels eines Übersetzungsgetriebes 2 mit einem von zwei Rädern 5 verbunden sind. Hier ist jeweils eine Trennvorrichtung 8 für jedes Rad 5 zwischen dem elektrischen Antrieb 1 und der nasslaufenden Betriebsbremse 4 angeordnet. Das alternative Antriebssystem kann an Stelle der Antriebsachse 16 in das Fahrzeug eingebracht werden.
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Der elektrische Antrieb 1, die nasslaufende Betriebsbremse 4, das Übersetzungsgetriebe 2 sowie die Trennvorrichtung 8 befinden sich in einem gemeinsamen Gehäuse 9 und teilen sich damit einen Ölraum bzw. einen Ölhaushalt. Dies ist im Übrigen nicht auf die alternative Form des Antriebssystems beschränkt, sondern kann auch auf die erste beschriebene Variante des Antriebssystems angewandt werden. Hier ist es möglich, die Trennvorrichtung 8, wenn sie sich an Positionen P4 oder P5 befindet, mit der jeweiligen nasslaufenden Betriebsbremse 4 und optional mit anderen am Antriebssystem befindlichen Komponenten in einem Gehäuse 9 zu vereinen, sodass sie sich einen Ölraum bzw. einen Ölhaushalt teilen.
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Im entkoppelten Zustand ist ein Festsetzen des Fahrzeugs aufgrund der vielen entkoppelten Elemente nicht ohne weiteres möglich, so dass die nasslaufende Betriebsbremse 4 um eine Feststellbremse 11 erweitert werden kann, so dass ein Bremssystem gebildet wird. Dies ist in 3 am Beispiel der ersten Variante des Antriebssystems dargestellt. Je nach Typ des Elektrofahrzeugs kann aber es hinreichend sein, lediglich auf einer Seite der Antriebsachse 16 ein Bremssystem aus nasslaufender Betriebsbremse 4, einem Aktuator 10 und einer Feststellbremse 11 vorzusehen, wobei natürlich auch an beiden Seiten eine Feststellbremse 11 angeordnet sein kann. Der Aktuator 10 erfüllt hier eine Doppelfunktion, da er sowohl die Feststellbremse 11 als auch die nasslaufende Betriebsbremse 4 auslöst. Die Feststellbremse 11 arbeitet über einen Formschluss, sodass sie in der Lage ist, die das Rad 5 zu blockieren. Dem Stand der Technik sind hier verschiedenste Ausführungen zu entnehmen, so zum Beispiel Feststellbremsen 11, welche mittels Klauen, Kolben, Bajonett oder Kronenverzahnung einen Formschluss herstellen. Die Feststellbremse 11 kann über den Aktuator 10 ausgelöst werden, wobei die Feststellbremse 11 als separates Bauteil vorgesehen sein kann, oder aber der Aktuator 10 arbeitet selbst als Teil der Feststellbremse 11, indem er einen Formschluss mit einem nicht dargestellten Bremsgehäuse herstellt.
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Der Aktuator 10 ist also zwischen einem Betriebsbremsbereich, innerhalb dem er mit der nasslaufenden Betriebsbremse 4 in Verbindung steht, einem Feststellbereich, in dem er mit der Feststellbremse 11 in Verbindung steht, und einem Neutralbereich, der sich zwischen dem Betriebsbremsbereich und dem Feststellbereich befindet und in dem der Aktuator 10 weder mit der nasslaufenden Betriebsbremse 4 noch mit der Feststellbremse 11 in Verbindung steht, verstellbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antrieb
- 2
- Übersetzungsgetriebe
- 3
- Differentialgetriebe
- 4
- nasslaufende Betriebsbremse
- 5
- Rad
- 8
- Trennvorrichtung
- 9
- Gehäuse
- 10
- Aktuator
- 11
- Feststellbremse
- 15
- (vordere) Antriebsachse
- 16
- (hintere) Antriebsachse
- P 1, ..., P6
- Positionen der Trennvorrichtung
