-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
-
Bei Kraftfahrzeugen, bei welchen eine elektrisch angetriebene Achse von zwei Elektromotoren angetrieben wird, ist es üblicherweise so, dass jeder der Elektromotoren für sich gelagert ist, und zwar so, dass die Lagerungen weitgehend spielfrei sind und die Axialkräfte der Abtriebswelle aufnehmen können. Es werden dabei für jeden Rotor zwei Lager verwendet, die den Rotor im Gehäuse zentrieren und abstützen. Insgesamt sind für den Dualantrieb mit zwei elektrischen Maschinen also vier Lager notwendig, welche zu den entsprechenden Reibungsverlusten beim Drehen der Rotoren führen.
-
Die
DE 10 2016 222 844 A1 gibt deshalb ein gattungsgemäßes reibungsoptimiertes elektrisches Antriebssystem an. Bei diesem Antriebssystem ist es so, dass die Lagerung der beiden Rotoren auf ihrer einander zugewandten Seite in der Art erfolgt, dass der eine Rotor den anderen umgreift, sodass mit einem ersten Lager die beiden Rotoren relativ zueinander und mit einem zweiten Lager der den inneren Rotor umgreifende äußere Rotor gegenüber dem Gehäuse gelagert ist. Hierdurch lässt sich Reibung minimieren, da bei identischen Drehzahlen der beiden Rotoren zueinander keine Relativdrehzahl in dem einen der beiden zentralen Lager auftritt, und hierdurch Reibung verhindert wird.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein derartiges elektrisches Antriebssystem gegenüber diesem Aufbau aus dem Stand der Technik noch weiter zu verbessern.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen einer solchen elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug ist es, vergleichbar wie im gattungsgemäßen Stand der Technik, vorgesehen, dass eine erste elektrische Maschine mit einem ersten Rotor und einer ersten Rotorwelle sowie eine zweite elektrische Maschine mit einem zweiten Rotor und mit einer koaxial zu der ersten Rotorwelle angeordneten zweiten Rotorwelle vorgesehen ist. Die beiden Rotorwellen sind mittels eines Zentrallagers gegeneinander gelagert. Erfindungsgemäß ist die erste Rotorwelle mittels eines ersten Festlagers gegenüber einem Gehäuse gelagert, wobei dieses Festlager in einer axialen Richtung gesehen auf einer dem zweiten Rotor abgewandten Seite des ersten Rotors angeordnet ist. Die Begriffe „axial“ und „radial“ beziehen sich dabei immer auf die Drehachse der koaxial zueinander angeordneten Rotoren bzw. Rotorwellen. Auch die zweite Rotorwelle ist mittels eines zweiten Festlagers gegenüber dem Gehäuse gelagert. Auch hier ist das zweite Festlager auf der in axialer Richtung gesehen dem ersten Rotor abgewandten Seite des zweiten Rotors angeordnet. Das Zentrallager ist dann als ein einziges Lager das einzige axial zwischen den Rotoren angeordnete Lager zur Lagerung von zumindest einer der beiden Rotorwellen, je nach Antriebssituation.
-
Dieser Aufbau erlaubt es, die Zahl der im regulären Betrieb umlaufenden Lager noch weiter zu reduzieren. Die Festlager, welche vorzugsweise als spielfreie Vierpunktlager ausgebildet sein können, übernehmen einen großen Teil der Lagerung. Das Zentrallager lagert dann lediglich die beiden Rotoren gegeneinander. Bei einem regulären Betrieb wie einer Geradeausfahrt mit gleicher Drehzahl der beiden elektrischen Maschinen und damit ihrer Rotoren entsteht hier keine Relativdrehzahl, sodass der Aufbau lediglich die Verluste der beiden Vierpunktlager zu überwinden hat.
-
Für einen Betrieb mit lediglich einer elektrischen Maschine besteht in einem der Vierpunktlager keine Relativdrehzahl der Bauteile gegeneinander, dafür in dem Zentrallager. Auch hier sind dann lediglich zwei Lager beteiligt, sodass auch hier lediglich die Verluste von zwei Lagern hinsichtlich der Reibung ausgeglichen werden müssen. Lediglich in einem Betrieb der beiden elektrischen Maschinen zusammen, jedoch mit unterschiedlicher Drehzahl, beispielsweise bei einem elektrischen Torque-Vectoring-Betrieb tritt eine Relativdrehzahl im Bereich des Zentrallagers auf, welche doch meist vergleichsweise gering ist und nur zu überschaubaren Lagerverlusten führt.
-
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung kann es nun vorgesehen sein, dass ein erster axialer Anschlag vorgesehen ist, mittels welchem das Zentrallager gegenüber der ersten Rotorwelle axial gesichert ist. Ferner kann ein Federelement vorgesehen sein, mittels welchem das Zentrallager gegenüber der zweiten Rotorwelle axial elastisch gesichert ist, sodass insgesamt also die beiden Rotorwellen gegeneinander axial elastisch gesichert sind.
-
„Axial gesichert“ im Sinne der Erfindung soll dabei bedeuten, dass ein Element gegenüber einem anderen Element nicht in axialer Richtung verschoben werden kann. Dementsprechend ist der Begriff „axial elastisch gesichert“ im Sinne der Erfindung eine vergleichbare Sicherung, bei welcher aufgrund eines elastischen Elements, wie beispielsweise einer Tellerfeder, eine Verschiebung in axialer Richtung in gewissen Grenzen und gegen eine von diesem elastischen Element aufgebracht Rückstellkraft möglich ist. Hierdurch entsteht ein Aufbau mit ausreichender Flexibilität in axialer Richtung, welcher dennoch eine ausreichend gute Lagerung der beiden Rotorwellen in allen Situationen gewährleistet.
-
Ferner kann ein zweiter axialer Anschlag gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen werden, mittels welcher die erste Rotorwelle mittelbar einseitig axial gegenüber dem Gehäuse gesichert ist. Ferner kann über einen dritten axialen Anschlag die zweite Rotorwelle mittelbar einseitig gegenüber dem Gehäuse gesichert sein. Dies erfolgt dabei in entgegengesetzter Richtung im Vergleich zu dem zweiten axialen Anschlag, um so den Gesamtaufbau einschließlich des, vorzugsweise elastisch gesicherten Zentrallagers in axialer Richtung vollständig zu sichern.
-
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung kann es außerdem vorsehen, dass die erste elektrische Maschine und/oder die zweite elektrische Maschine als Axialflussmaschine ausgebildet ist, wobei dann der jeweilig erste und/oder zweite Rotor dieser als Axialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine im Querschnitt gesehen eine H-Form aufweist, wobei die jeweilige Rotorwelle eine axiale Trennstelle aufweist, die mit einer Axialverzahnung versehen ist. Eine „Axialverzahnung“ im Sinne der Erfindung beschreibt dabei eine in axialer Richtung wirkende Verzahnung zur drehfesten Verbindung zweier koaxial angeordneter Wellenteile, beispielsweise kann es sich um eine sogenannte Hirth-Verzahnung handeln. Ein solcher im Querschnitt H-förmiger Aufbau eines Rotors bietet sich für eine Axialflussmaschine an. Der Rotor ist dann zweiteilig ausgeführt und kann über eine Trennstelle um den Stator der elektrischen Maschine herum zusammengesetzt werden. Eine Axialverzahnung hält die beiden Hälften des Rotors im Bereich der Trennstelle dann in der jeweils gewünschten Position und fügt diese zu einem festen Verbund zusammen.
-
Der Aufbau mit dem H-förmigen Rotor kann dabei sowohl für eine, insbesondere jedoch auch für beide der Maschinen entsprechend vorgesehen sein, welche in diesem Fall beide Axialflussmaschinen wären. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, diesen Aufbau lediglich einmal vorzusehen, beispielsweise indem eine Axialfluss- und eine Radialflussmaschine in der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung miteinander kombiniert werden.
-
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Weiterbildung der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass diese über ein Überlagerungsgetriebe verfügt. Die erste Rotorwelle ist dann derart mit einer Welle des Überlagerungsgetriebes verbunden, dass Drehmomente, ausgehend von der ersten Rotorwelle in das Überlagerungsgetriebe eingeleitet werden können. Die zweite Rotorwelle ist derart mit einer zweiten Welle des Überlagerungsgetriebes verbunden, dass Drehmomente ausgehend von der zweiten Rotorwelle ebenfalls in das Überlagerungsgetriebe eingeleitet werden können. Ferner sind eine erste Abtriebswelle und eine zweite Abtriebswelle jeweils zur Ausleitung von Drehmomenten aus dem Überlagerungsgetriebe vorgesehen. Sowohl die erste Rotorwelle als auch die zweite Rotorwelle sind nun als Hohlwellen ausgebildet, wobei die zweite Abtriebswelle radial innerhalb dieser beiden Hohlwellen verläuft.
-
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung kann es dabei vorgesehen sein, dass die zweite Abtriebswelle die beiden Rotorwellen axial durchdringt, also axial beidseitig überragt. Sie kann dann direkt oder vorzugsweise mittelbar über eine weitere Übersetzungsstufe mit dem von ihr angetriebenen Rad verbunden sein. Diese Ausgestaltung mit den beiden Rotorwellen als Hohlwellen erlaubt es, einen in Radialrichtung sehr kompakten Aufbau zu realisieren, bei welchem die beiden elektrischen Maschinen und das Überlagerungsgetriebe in Axialrichtung nebeneinander positioniert werden können.
-
Grundsätzlich ist es so, dass das Überlagerungsgetriebe in beliebiger Art und Weise ausgebildet sein kann. Eine sehr einfache und grundlegend bekannte Ausgestaltung wäre beispielsweise die Umsetzung des Aufbaus als Differential. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann es nun jedoch vorgesehen sein, dass das Überlagerungsgetriebe als ein Getriebe mit zwei Planetenradsätzen ausgebildet ist, sodass neben der reinen Differentialfunktion auch eine Torque-Vectoring-Funktion mit dargestellt werden kann.
-
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung kann außerdem zwischen den Abtriebswellen und Seitenwellen der angetriebenen Räder Übersetzungsstufen vorsehen. Auch diese können vorzugsweise Planetenradsätze umfassen, wobei jeweils die Sonne mit der entsprechenden Abtriebswelle oder Rotorwelle verbunden ist, während das Hohlrad beispielsweise gehäusefest gehalten wird und die jeweilige Seitenwelle über den Planetenträger Leistung an die angetriebenen Räder abgibt.
-
Beim Einsatz der Planetenradsätze als Überlagerungsgetriebe und/oder als Übersetzungsstufe ist es insbesondere vorgesehen, dass die beiden Planetenradsätze koaxial zu der Drehachse der beiden Rotoren, also der Zentralachse der elektrischen Antriebsvorrichtung angeordnet sind.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
-
Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung durch die Anordnung und Lagerung zweier elektrischer Maschinen in einer elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung.
-
In der Darstellung der 1 ist ein entscheidender Teil der elektrischen Antriebsvorrichtung 1, welche in ihrer Gesamtheit in 2 dargestellt ist, zu erkennen. Der Aufbau umfasst dabei eine erste elektrische Maschine 2 und eine zweite elektrische Maschine 3, welche hier jeweils als Axialflussmaschinen ausgebildet sind. Die erste elektrische Maschine 2 umfasst einen ersten Rotor 4, welcher im hier dargestellten Querschnitt H-förmig ausgestaltet ist und aus einem ersten Rotorteil 4.1 und einem zweiten Teil Rotorteil 4.2 besteht. Diese Rotorteile 4.1, 4.2 des ersten Rotors 4 sind im Bereich einer axialen Trennstelle 5 über eine Axialverzahnung, z.B. eine Hirth-Verzahnung, miteinander verbunden. Die axiale Richtung a bezieht sich dabei auf die zentral innerhalb der elektrischen Motoren 2, 3 dargestellten Drehachse A, ebenso wie die Radialrichtung, welche senkrecht auf dieser Drehachse A steht. Sowohl der erste Rotor 4 als auch der zweite Rotor 7 sind um die Drehachse A drehbar.
-
Der erste Rotor 4 umfasst dabei eine erste Rotorwelle 6, welche der in Radialrichtung innen liegende Teil des ersten Rotors 4 ist.
-
Ein zweiter Rotor 7 der zweiten elektrischen Maschine 3 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vergleichbar aufgebaut, also ebenfalls H-förmig. Auch er besteht aus zwei Rotorteilen 7.1, 7.2 mit einer axialen Trennstelle 5 und hat ebenfalls eine Axialverzahnung zum Verbinden der beiden Teile. Eine zweite Rotorwelle 8 des zweiten Rotors 7 ist auch hier der in radialer Richtung der Achse A am weitesten zugewandte Teil des zweiten Rotors 7.
-
Der erste Rotor 4 und der zweite Rotor 7 sind koaxial zueinander angeordnet und sind über ein Zentrallager 9 radial und axial gegeneinander gelagert. Dieses Zentrallager 9 stützt sich in axialer Richtung a direkt an der ersten Rotorwelle 6 an einem ersten axialen Anschlag 16. Der erste axiale Anschlag 16 ist axial nicht verschiebbar mit der ersten Rotorwelle 6 verbunden. Auf der anderen Seite in axialer Richtung a stützt sich das Zentrallager 9 über ein hier als eine Tellerfeder ausgebildetes Federelement 10 an der zweiten Rotorwelle 8 axial ab. An der zweiten Rotorwelle 8 ist hierzu ein vierter axialer Anschlag 26 angeordnet. Der vierte axiale Anschlag 26 ist axial unverschieblich mit der zweiten Rotorwelle 8 verbunden. Die beiden Rotorwellen 6, 8 sind also axial und auch radial über das Zentrallager 9, als einziges Lager, das axial zwischen den beiden Rotorwellen 6, 8 angeordnet ist, gegeneinander gelagert. In der axialen Richtung a gesehen sind der erste axiale Anschlag 16, das Zentrallager 9 und der vierte axiale Anschlag 26 in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet. In der axialen Richtung a gesehen ist vorteilhaft das Federelement 10 zwischen dem Zentrallager 9 und dem vierten axialen Anschlag 26 angeordnet.
-
Soweit die Rotorwellen 6, 8 mit derselben Drehzahl umlaufen, also keine Relativdrehzahl zueinander aufweisen, treten im Zentrallager 9 keine Verluste auf. Kommt es zu einer Relativdrehzahl treten je nach Drehzahl entsprechende Verluste auf. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn lediglich eine der beiden elektrischen Maschinen 2, 3 betrieben wird, oder im Falle des Torque-Vectorings, also wenn beide elektrische Maschinen 2, 3 mit unterschiedlicher Drehzahl betrieben werden. In diesem zweiten Fall ist die Relativdrehzahl typischerweise eher gering, sodass die dadurch entstehenden Reibungsverluste klein sind.
-
Um die beiden Rotorwellen 6, 8 nun auch hinsichtlich einer Drehung gegenüber einem Gehäuse 11 entsprechend zu lagern, ist ein erstes Festlager 12 vorgesehen. Dieses kann insbesondere als spielfreies Vierpunktlager ausgebildet sein und lagert die erste Rotorwelle 6 auf der dem Zentrallager 9 abgewandten Seite der ersten elektrischen Maschine 2. Ein vergleichbarer Aufbau mit einem zweiten Festlager 13 ist für die zweite Rotorwelle 8 vorgesehen, welche ebenfalls auf ihrer in axialer Richtung a gesehen abgewandten Seite des Zentrallagers 9 über dieses zweite Festlager 13 gelagert wird.
-
Das erste Festlager 12 ist über einen zweiten axialen Anschlag 14 axial gegenüber dem Gehäuse gesichert. Der zweite Axiale Anschlag 14 ist fest mit dem Gehäuse 11 verbunden. An der ersten Rotorwelle 6 ist ein fünfter axialer Anschlag 27 angeordnet. Der fünfte axiale Anschlag 27 ist axial unverschieblich mit der ersten Rotorwelle 6 verbunden. In der axialen Richtung a gesehen sind der zweite axiale Anschlag 14, das erste Festlager 12 und der fünfte axiale Anschlag 27 in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet.
-
Das zweite Festlager 13 ist über einen dritten axialen Anschlag 15 gegenüber dem Gehäuse 11 axial gesichert. Der dritte axiale Anschlag 15 ist fest mit dem Gehäuse 11 verbunden. An der zweiten Rotorwelle 8 ist ein sechster axialer Anschlag 28 angeordnet. Der sechste axiale Anschlag 28 ist axial unverschieblich mit der zweiten Rotorwelle 8 verbunden. In der axialen Richtung a gesehen sind der sechste axiale Anschlag 28, das zweite Festlager 13 und der dritte axiale Anschlag 15 in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet.
-
In der axialen Richtung a gesehen sind der zweite axiale Anschlag 14, das erste Festlager 12, der fünfte axiale Anschlag 27, der sechste axiale Anschlag 28, das zweite Festlager 13 und der dritte axiale Anschlag 15 in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet.
-
Damit ist eine axiale Verschiebung des Aufbaus der beiden Rotorwellen 6, 8 gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse weitgehend ausgeschlossen, lediglich der durch das Federelement 10 erlaubte Verschiebeweg in axialer Richtung a wird die Rotorwellen 6, 8 grundsätzlich ermöglicht.
-
Beim oben bereits angesprochenen Antriebsfall, bei dem beide elektrischen Maschinen 2, 3 mit derselben Drehzahl drehen, haben nun also aufgrund der fehlenden Relativdrehzahl im Bereich des Zentrallagers 9 lediglich die beiden Festlager 12, 13 Reibungsverluste. Im Gegensatz zu bisherigen Aufbauten sind also lediglich zwei Lager mit Reibungsverlusten betroffen, was eine Minimierung der Reibung ermöglicht. Dreht nur eine der beiden elektrischen Maschinen 2, 3, bleibt eines der beiden Festlager 12, 13 ohne Relativdrehzahl, dagegen dreht sich das Zentrallager 9. Auch in diesem Fall wird die Lagerung auf lediglich zwei Lager reduziert, deren Reibung zu überwinden ist. Lediglich für den Fall des Torque-Vectoring-Betriebs, also unterschiedlicher Drehzahlen der beiden elektrischen Maschinen 2, 3 gegeneinander, kommt es zu minimalen Reibungsverlusten im Bereich des Zentrallagers 9 sowie zu den üblichen Reibungsverlusten im Bereich der beiden Festlager 12, 13, wobei auch dies gegenüber dem Einsatz von vier Lagern immer noch eine erhebliche Einsparung der Reibungsverluste ermöglicht.
-
Die beschriebene Anordnung und Lagerung der beiden elektrischen Maschinen 2, 3 lässt sich nun beispielsweise in einer elektrische Antriebsvorrichtung 1, wie sie in der Darstellung der 2 schematisiert dargestellt ist, einsetzen. Die Darstellung in der 2 zeigt dabei lediglich den oberhalb der Drehachse A liegenden Teil des um die Achse A rotationssymmetrischen Aufbaus. Dieser ist entsprechend vereinfacht dargestellt und kann den aus 1 beschriebenen Aufbau enthalten. Prinzipiell ist jedoch auch eine andersartige Ausgestaltung der Rotoren 4, 7 und der elektrischen Maschinen 2, 3 denkbar.
-
In der Darstellung der 2 sind die bereits bekannten Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch hier sind wieder die beiden elektrischen Maschinen 2, 3 innerhalb eines Gehäuses 11 erkennbar, in dessen Innerem sich ein gemeinsamer Ölkühlraum für die elektrischen Maschinen 2, 3 sowie ihre Lagerung ausbilden kann. Die erste Rotorwelle 6 ist gegenüber der zweiten Rotorwelle 8 über das Zentrallager 9 entsprechend gelagert, welches wiederum mit dem ersten axialen Anschlag 16 zwischen dem Zentrallager 9 und der ersten Rotorwelle 6 sowie dem Federelement 10 zwischen dem Zentrallager 9 und der zweiten Rotorwelle 8 in der oben beschriebenen Art und Weise aufgebaut ist. Die beiden Festlager 12, 13 lagern dann die jeweils abgewandten Enden der beiden Rotorwellen 6, 8 gegenüber dem Gehäuse 11 und beinhalten die axialen Anschläge 14, 15.
-
Beide Rotorwellen 6, 8 sind, wie es auch schon in der Darstellung der 1 zu erkennen war, als Hohlwellen ausgebildet. Beide Rotorwellen 6, 8 treiben dabei in ein schematisch dargestelltes Überlagerungsgetriebe 17, welches beispielsweise zwei Planetenradsätze 18, 19 umfassen kann. Eine erste Abtriebswelle 20 sowie eine zweite Abtriebswelle 21 dienen dann zum Ausleiten von Drehmomenten aus dem Überlagerungsgetriebe 17, wobei die ersten Abtriebswelle 20 über eine erste Übersetzungsstufe 22 eine erste Seitenwelle 23 antreibt, welche insbesondere direkt oder mittelbar drehfest mit einem angetriebenen Rad verbunden sein kann. Die zweite Abtriebswelle 21 des Überlagerungsgetriebes 17 durchdringt die beiden als Hohlwellen ausgebildeten Rotorwellen 6, 8 in axialer Richtung a und treibt durch diese beiden Hohlwellen hindurch eine zweite Übersetzungsstufe 24, welche ihrerseits eine Seitenwelle 25 für ein zweites angetriebenes Rad antreibt. Die Übersetzungsstufen 22, 24 können als Planetengetriebe ausgebildet sein.
-
Das Überlagerungsgetriebe 17, welches auch im einfachsten Fall als Differentialgetriebe ausgebildet sein könnte, umfasst hier, wie es in der schematischen Darstellung angedeutet ist, die beiden Planetenradsätze 18, 19 und erlaubt damit einen Torque-Vectoring-Betrieb.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102016222844 A1 [0003]
