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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Achsantriebsstrang für ein elektrisch oder hybrid betreibbares Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine und eine mit der elektrischen Maschine wirkverbundenen Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor aufweist, welcher mit einer über eine Wälzlageranordnung drehbar gelagerten, die elektrische Maschine axial durchgreifende Rotorwelle drehfest verbunden ist.
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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. Zunehmend werden in derartigen automobilen Anwendungen auch Axialflussmaschinen als Antriebsaggregate eingesetzt.
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Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist beispielsweise vielfach beiden eingangs beschriebenen elektrischen Antriebsystemen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge der Fall.
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Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt. In der Regel umfasst eine Axialflussmaschine mindestens einen Stator, der Wicklungen zur Erzeugung des axial ausgerichteten magnetischen Feldes aufweist.
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Mindestens ein Rotor ist beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt, deren magnetisches Feld in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der Statorwicklungen über einen Luftspalt ein Antriebsmoment erzeugt.
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Insbesondere bei hybriden oder vollelektrischen Antriebskonzepten spielen die Geräuschentwicklung durch den Antrieb eine zunehmend wichtigere Rolle. Systembedingt kann es im Betrieb einer derartigen elektrischen Maschine für einen hybriden oder vollelektrischen Antriebsstrang beispielsweise zu einer hohen elektromagnetischen Anregung kommen, welche auch zu akustischen Schwingungen in den Strukturbauteilen der elektrischen Maschine oder des Antriebsstrangs führen können. Dies kann dann auch im Fahrzeuginnenraum akustisch wahrnehmbar sein, was regelmäßig als störend empfunden wird. Dies ist umso bedeutender, da im elektrischen Betrieb eines entsprechenden Fahrzeugs, derartige Störgeräusche besonders auffallen und das ansonsten akustisch besonders ruhige Fahrerlebnis nachteilig beeinflussen.
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Bei der Lagerung der Rotoren in derartigen elektrischen Maschinen kommen üblicherweise Wälzlageranordnungen zum Einsatz. Dabei werden beispielsweise Loslager üblicherweise auf der Rotorwelle aufgepresst, so dass diese einen Festsitz am Innenring des Wälzlagers aufweisen. Der Lageraußenring ist hierbei in der Regel zum Ausgleich von wärmeinduzierten Längenausdehnungen der Rotorwelle im Betrieb verschiebbar ausgeführt. Zur Herstellung vorteilhafter Laufverhältnisse zwischen Kugelsatz und Lagerlaufbahnen des Loslagers sowie zur akustischen Verbesserung, wird der Lageraußenring regelmäßig vorgespannt. Durch das vorgespannte Lager können ungewollte akustische Auffälligkeiten des entsprechenden Wälzlagers durch Ausbildung einer Spielfreiheit der sich gegeneinander bewegenden Lagerkomponenten vermieden werden.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu vermeiden oder zumindest abzuschwächen und einen elektrischen Achsantriebsstrang für ein elektrisch oder hybrid betreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen, welcher eine einen besonders kompakten Aufbau sowie eine hohe Laufruhe aufweist sowie kostengünstig in der Fertigung ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrischen Achsantriebsstrang für ein elektrisch oder hybrid betreibbares Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine und eine mit der elektrischen Maschine wirkverbundenen Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor aufweist, welcher mit einer über eine Wälzlageranordnung drehbar gelagerten, die elektrische Maschine axial durchgreifende Rotorwelle drehfest verbunden ist, wobei sich die einstückig ausgebildete Rotorwelle axial in die Getriebeanordnung hineinerstreckt und die Rotorwelle mit wenigstens einem drehmomentübertragenden Getriebeelement verbunden ist, wobei die Wälzlageranordnung ein Festlager und ein Loslager umfasst, wobei das Festlager axial zwischen dem drehmomentübertragenden Getriebeelement und dem Rotor positioniert ist, während das Loslager an dem dem Getriebeelement abgewandten distalen Ende der Rotorwelle angeordnet ist.
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Hierdurch wird der Vorteil eines besonders kompakten axialen Aufbaus und einer reduzierten Bauteilmenge durch die einteilige Ausbildung der Rotorwelle erzielt, was auch zu geringeren Herstellkosten führt. Ferner kann hierdurch die Wälzlageranordnung zur Lagerung der elektrischen Maschine und auch der Getriebeanordnung deutlich vereinfacht werden, was ebenfalls zu geringeren Herstellkosten beiträgt.
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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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Die Wälzlageranordnung umfasst wenigstens zwei axial voneinander beabstandete Wälzlager. Wälzlager können insbesondere dazu verwendet werden, Drehbewegungen mit möglichst geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen. Wälzlager können insbesondere zur Fixierung und/oder Lagerung von Achsen und Wellen eingesetzt werden, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile ermöglichen.
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Hierzu sind zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers abrollende Wälzkörper angeordnet. Zwischen diesen drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und den Wälzkörpern tritt innerhalb des Wälzlagers in der Regel hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring bevorzugt auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen können, ist die Rollreibung derartiger Lager relativ gering.
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Der Innenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Welle mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Welle mit der der Welle zugewandten Seite der Mantelfläche des Innenrings verbunden sein, wobei auf der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Innenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Innenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Innenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Der Innenring kann einen Innenringeinstich aufweisen. In einem Innenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Innenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Innenring ausgebildet.
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Der Außenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Lagerung mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Lagerung mit der der Lagerung zugewandten Seite der Mantelfläche des Außenrings verbunden sein, wobei der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Außenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Außenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Außenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Der Außenring kann einen Außenringeinstich aufweisen. In einem Außenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Außenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Außenring ausgebildet.
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Die Wälzkörper haben abhängig von der Wälzlagerbauart die Form einer Kugel oder einer Rolle. Sie wälzen sich auf den Laufbahnen des Wälzlagers ab und haben die Aufgabe, die auf ein Radialwälzlager wirkende Kraft vom Außenring auf den Innenring und umgekehrt zu übertragen. Bei einem Axialwälzlager übertragen die Wälzkörper die auf das Axialwälzlager wirkenden Kräfte zwischen den Laufscheiben. Rollenförmige Wälzkörper werden auch als Rollenwälzkörper und kugelförmige Wälzkörper als Lagerkugel bezeichnet.
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Rollenförmige Wälzkörper können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der symmetrischen Pendelrollen, der asymmetrischen Pendelrollen, der Zylinderrollen, der Nadelrollen und/oder der Kegelrollen.
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Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Innenringlaufbahn des Innenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Innenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Innenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Innenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Innenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn erlauben.
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Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Außenringlaufbahn des Außenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Außenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht.
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Die Außenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Außenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Außenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn erlauben.
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Wälzkörper können in einem Käfig oder durch Wälzkörperdistanzstücke geführt und voneinander beabstandet sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, ein käfigloses Wälzlager auszubilden, welches auch als vollrolliges Wälzlager bezeichnet wird. Bei vollrolligen Wälzlagern können sich benachbarte Wälzkörper kontaktieren.
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Ein Wälzlager kann einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig so ausgebildet, dass die Wälzkörperkugeln und/oder die Wälzkörperrollen voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst geringgehalten wird. Ferner hält der Käfig die Wälzkörperkugeln und/oder Wälzkörperrollen in einem festen Abstand beim Abwälzen zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
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Ein Wälzlager kann eine Dichtung aufweisen, um ein Austreten von Schmiermittel aus dem Wälzlager oder ein Eintreten von Schmutz oder Feuchtigkeit in das Wälzlager zu verhindern. Hierzu können die eingesetzten Dichtungen mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein, die an einem Bauteil des Wälzlagers anliegen können. Diese sind derart ausgelegt, dass sie zum einen möglichst über die gesamte Lebensdauer das Lager abdichten, andererseits die Reibung durch die anliegende Dichtung nicht zu hoch ist.
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Ein elektrisch betreibbarer Achsantriebsstrang umfasst eine elektrische Maschine und eine mit der elektrischen Maschine gekoppelte Getriebeanordnung. Die Getriebeanordnung und die elektrische Maschine bilden eine bauliche Einheit. Diese kann beispielsweise mittels eines Antriebsstranggehäuses gebildet sein, in welchem die Getriebeanordnung und die elektrische Maschine gemeinsam aufgenommen sind.
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Die elektrische Maschine besitzt bevorzugt ein Motorgehäuse und/oder die Getriebeanordnung ein Getriebegehäuse, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung der Getriebeanordnung gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist.
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Das Getriebegehäuse ist ein Gehäuse zur Aufnahme eines Getriebes. Es hat die Aufgabe, vorhandene Wellen jeweils über die Lager zu führen und den Rädern (eventuell Kurvenscheiben) bei allen Belastungen diejenigen Freiheitsgrade zu gewähren, derer sie bedürfen, ohne sie in der Dreh- und eventuell Bahnbewegung zu behindern, sowie Lagerkräfte und Abstützmomente aufzunehmen. Ein Getriebegehäuse kann ein- oder mehrschalig, das heißt, ungeteilt oder geteilt ausgebildet sein. Das Getriebegehäuse sollte insbesondere auch sowohl Geräusche und Vibrationen dämpfen als auch Hydraulikfluid sicher aufnehmen können. Das Getriebegehäuse ist bevorzugt aus einem metallischen Material, insbesondere bevorzugt aus Aluminium, Grauguss oder Stahlguss, insbesondere mittels einem Urformverfahren wie Gießen oder Druckguss geformt.
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Das Motorgehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Hydraulikfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen. Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumdruckguss, Magnesiumdruckguss, Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Das Motorgehäuse kann bevorzugt mehrteilig ausgebildet sein.
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Die elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und sie 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, insbesondere drehbar, angeordneten Teil.
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Als Rotorwelle wird eine drehbar gelagerte Welle einer elektrischen Maschine bezeichnet, mit der der Rotor bzw. Rotorkörper drehfest gekoppelt ist.
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Die elektrische Maschine des erfindungsgemäßen Achsantriebsstrangs ist bevorzugt als Axialflussmaschine ausgebildet. Der magnetische Fluss in einer elektrischen Axialflussmaschine (AFM) ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial zu einer Rotationsrichtung des Rotors der Axialflussmaschine gerichtet. Es gibt unterschiedliche Typen von Axialflussmaschinen. Ein bekannter Typ ist eine sogenannte I-Anordnung, bei der der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet ist. Ein anderer bekannter Typ ist eine sogenannte H-Anordnung, bei der zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet sind. Die elektrische Axialflussmaschine ist bevorzugt als I-Typ konfiguriert.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator-Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, sowohl eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des I-Typs sowie eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des H-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.
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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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Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
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Die Getriebeanordnung 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. Bevorzugt ist die Getriebeanordnung als ein Planetengetriebe ausgebildet.
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Die elektrische Maschine kann ferner eine Steuereinrichtung aufweisen. Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Maschine.
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Eine Steuereinrichtung weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinrichtung ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen.
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Innerhalb der Steuereinrichtung können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinrichtung eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.
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Die Steuereinrichtung kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinrichtung übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinrichtung einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.
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Eine Steuereinrichtung kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
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Ganz besonders bevorzugt besitzt die Steuereinrichtung wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung zur Ausführung des Computerprogrammcodes zu veranlassen.
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Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt eine Leistungselektronik zur Bestromung des Stators oder Rotors umfassen. Eine Leistungselektronik ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält die Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B. Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 10 W, bevorzugt mindestens 100 W besonders bevorzugt mindestens 1000 W zu steuern oder regeln.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine als eine Axialflussmaschine konfiguriert ist, wodurch sich ein axial besonders kompakt bauender Achsantriebsstrang realisieren lässt.
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Der Stator der elektrischen Axialflussmaschine weist bevorzugt einen Statorkörper mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen auf. Der Statorkörper kann in Umfangsrichtung gesehen einteilig oder segmentiert ausgebildet sein. Der Statorkörper kann aus einem Statorblechpaket mit mehreren laminierten Elektroblechen gebildet sein. Alternativ kann der Statorkörper auch aus einem verpressten weichmagnetischen Material, wie dem sogenannten SMC-Material (Soft Magnetic Compound) gebildet sein.
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Der Rotor einer elektrischen Axialflussmaschine kann zumindest in Teilen als geblechter Rotor ausgebildet sein. Ein geblechter Rotor ist in axialer Richtung geschichtet ausgebildet. Der Rotor einer Axialflussmaschine kann alternativ auch einen Rotorträger aufweisen, der entsprechend mit Magnetblechen und/oder SMC-Material und mit als Permanentmagneten ausgebildeten Magnetelementen bestückt ausgebildet ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine als eine Axialflussmaschine in I-Anordnung konfiguriert ist, mit einem, dem Getriebeelement zugewandten ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und einem axial dazu beabstandeten, dem Getriebeelement abgewandten zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper zwischen denen der scheibenförmige Stator angeordnet ist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Festlager radial innerhalb des ersten ringscheibenförmigen Statorkörpers angeordnet ist, was ebenfalls zu einem axial besonders kompakten Aufbau beiträgt.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Loslager als ein einreihiges Kugellager ausgeführt ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Loslager als ein einreihiges Vierpunkt-Kugellager ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass das einreihige Vierpunkt-Kugellager für die gegebenen Anwendungsfälle Bauraum- wie auch Effizienzvorteile gegenüber anderen Wälzlagertypen aufweist. Ferner kann ein bevorzugt vorhandenes radiales Spiel für eine gewisse Selbstzentrierung der Rotorwelle sorgen .
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Festlager einerseits axial an einer Wellenschulter der Rotorwelle und anderseits mittels einer axial gegenüber der Rotorwelle versetzbaren Schraubenmutter axial festgelegt und mit einer Lagervorspannung beaufschlagt ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Festlager spielfrei und bevorzugt auch mit einer Lagervorspannung beaufschlagbar ist, wobei mittels der Schraubenmutter die Lagervorspannung gut einstellbar ist. Es versteht sich, dass hierbei die Rotorwelle im Bereich der Schraubenmutter eine korrespondierende Verzahung bzw ein korrespondierendes Gewinde aufweist.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Festlager an seiner dem Getriebeelement zugwandten axialen Seite durch ein Ringelement einseitig axial gegenüber dem ersten Statorkörper gesichert ist, wobei das Ringelement einen Wellendichtring trägt, welcher die Rotorwelle kontaktiert, so dass die elektrische Maschine gegenüber der Getriebeanordnung insbesondere flüssigkeitsdicht abgedichtet ist, was ebenfalls zu einer axial besonders kompakten Ausgestaltung des Achsantriebsstrangs beiträgt. Ferner kann hierdurch auch eine hydraulische Trennung beispielsweise zwischen einer naßlaufenden Getriebeanordnung und der elektrischen Maschine bewirkt werden.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Wälzlageranordnung ein drittes Wälzlager aufweist, dass radial innerhalb des zweiten ringscheibenförmigen Statorkörpers angeordnet ist und die Rotorwelle gegenüber dem zweiten Statorkörper drehbar lagert. Hierdurch kann eine zusätzliche axiale Abstützung des zweiten Statorkörpers gegenüber der Rotorwelle bereitgestellt werden.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der elektrische Achsantriebsstrang zwei im Wesentlichen baugleiche als Axialflussmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen umfasst, deren Rotorwellen koaxial zueinander angeordnet sind und deren sich in radialer Richtung erstreckenden, aneinander anliegenden Rückwände miteinander verbunden sind, wobei jede der beiden Axialflussmaschinen jeweils eine Wälzlageranordnung umfasst, welche genau ein Festlager und ein Loslager aufweist. Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist insbesondere, dass auf das dritte Wälzlager zur axialen Abstützung des zweiten Statorkörpers verzichtet werden kann, da die axiale Abstützung der zweiten Statorkörper durch die miteinander fest verbundenen Rückwände bereitgestellt wird.
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Um die Systemintegration und die axiale Kompaktheit weiter zu verbessern, kann das Loslager bevorzugt radial innerhalb einer hydraulischen Ausrückvorrichtung angeordnet sein.
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Die hydraulische Ausrückvorrichtung kann insbesondere zur Aktuierung einer Kupplung, insbesondere einer Trennkupplung, einer Bremse und/oder eines Ausrücklagers innerhalb des Achsantriebsstrangs verwendet werden. Besonders bevorzugt kann die Hydraulikanordnung auch innerhalb einer mehrgängig und schaltbar ausgeführten Getriebeanordnung, wie sie beispielsweise als schaltbare Planetengetriebe in Achsantriebssträngen vorkommen, verwendet werden, wobei die Aktuierung einer derartigen mehrgängig und schaltbar ausgeführten Getriebeanordnung von einer hydraulischen Ausrückvorrichtung bewirkt ist.
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Die Ausrückvorrichtung ist hierbei bevorzugt als ein Zentralausrücker konfiguriert, bei dem sich ein Zentralausrückerkolben axial hydraulisch versetzen lässt.
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Der Zentralausrücker umfasst ein Zentralausrückergehäuse. Das Zentralausrückergehäuse hat die Funktion Bauteile des Zentralausrückers wie insbesondere die beweglichen Zentralausrückerkolben aufzunehmen und vor äußeren mechanischen oder chemischen Einflüssen zu schützen. Ferner besitzt das Zentralausrückergehäuse die Funktion, eine einfache Montage und Fixierung des Zentralausrückers innerhalb des Antriebsstrangs zu erlauben. Bevorzugt kann das Zentralausrückergehäuse aus einem Kunststoff, einem metallischen Werkstoff und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Das Zentralausrückergehäuse kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Bevorzugt kann das Zentralausrückergehäuse aus einem Kunststoff, einem metallischen Werkstoff und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Zentralausrückergehäuse aus Alu-Druckguss.
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Der in dem Zentralausrückergehäuse ausgeformte ringförmige Zentralausrückerkolbenraum dient der Aufnahme sowie der Führung des linearbeweglich in dem Zentralausrückergehäuse gelagerten ringförmigen Zentralausrückerkolben. Der Zentralausrückerkolben hat die Funktion eine hydraulische Druckbeaufschlagung in eine lineare Verschiebung des Zentralausrückerkolbens umzuwandeln. Der Zentralausrücker kann über einen ringförmigen Zentralausrückerkolben oder mehrere Zentralausrückerkolben (Mehrkolbenausrücker) verfügen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der Zentralausrückerkolben aus Aluminium.
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Der Zentralausrücker kann ferner eine Zentralausrückerkolbendichtung umfassen. Die Zentralausrückerkolbendichtung dichtet den linearbeweglich geführten Zentralausrückerkolben gegenüber dem den Zentralausrückerkolben aufnehmenden Zentralausrückergehäuse ab. Die Zentralausrückkolbendichtung kann insbesondere als Dichtring ausgebildet sein. Die Zentrauausrückerkolbendichtung kann insbesondere formschlüssig mit dem Zentralausrückerkolben verbunden sein. Besonders bevorzugt ist eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Zentralausrückekolben und der Zentralausrückerkolbendichtung als Schnappverbindung ausgestaltet. Besonders bevorzugt ist es, dass die Zentralausrückerkolbendichtung aus einem elastischen, insbesondere bevorzugt gummielastischen Material geformt ist. Das elastische Material kann bevorzugt ganz oder teilweise aus einem Elastomer bestehen, wobei wiederum bevorzugt die Elastomere ausgewählt sind aus der Gruppe der Vulkanisate von Naturkautschuk und Silikonkautschuk.
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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 eine erste Ausführungsform eines elektrischen Achsantriebsstrangs mit einer elektrischen Maschine in einer Axialschnittansicht,
- 2 eine zweite Ausführungsform eines elektrischen Achsantriebsstrangs mit zwei elektrischen Maschinen in einer Axialschnittansicht,
- 3 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Achsantriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung.
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Die Figur zeigt einen elektrischen Achsantriebsstrang 1 für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug 2, wie es auch exemplarisch in der 3 skizziert ist.
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Der Achsantriebsstrang 1 umfassend eine als Axialflussmaschine in I-Konfiguration ausgebildete elektrische Maschine 3 und eine mit der elektrischen Maschine 3 über die Rotorwelle 8 wirkverbundenen Getriebeanordnung 4. Die elektrische Maschine 3 besitzt einen Stator 5 und einen relativ zum Stator 5 drehbaren Rotor 6, welcher mit einer über eine Wälzlageranordnung 7 drehbar gelagerten, die elektrische Maschine 3 axial durchgreifende Rotorwelle 8 drehfest verbunden ist.
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Die einstückig ausgebildete Rotorwelle 8 erstreckt sich axial in die Getriebeanordnung 4 hinein. Dort ist die Rotorwelle 8 mit wenigstens einem drehmomentübertragenden Getriebeelement 9 verbunden. Die Wälzlageranordnung 7 umfasst ein Festlager 10 und ein Loslager 11, wobei das Festlager 10 axial zwischen dem drehmomentübertragenden Getriebeelement 9 und dem Rotor 6 positioniert ist, während das Loslager 11 an dem dem Getriebeelement 9 abgewandten distalen Ende 12 der Rotorwelle 8 angeordnet ist.
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Aus der 1 ist ersichtlich, dass die elektrische Maschine 3 eine Axialflussmaschine in I-Anordnung konfiguriert ist, mit einem, dem Getriebeelement 9 zugewandten ersten ringscheibenförmigen Statorkörper 13 und einem axial dazu beabstandeten, dem Getriebeelement 9 abgewandten zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper 14 zwischen denen der scheibenförmige Stator 5 angeordnet ist.
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Das Festlager 10 ist dabei radial innerhalb des ersten ringscheibenförmigen Statorkörpers 13 angeordnet und als zweireihiges Schrägkugellager ausgeführt. Das Loslager 11 ist hingegen als ein einreihiges Kugellager ausgeführt.
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Das Festlager 10 ist an seinen Innenringen einerseits axial an einer Wellenschulter 16 der Rotorwelle 8 und anderseits mittels einer axial gegenüber der Rotorwelle 8 versetzbaren Schraubenmutter 20 axial festgelegt und mit einer Lagervorspannung beaufschlagt.
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An seinem dem Getriebeelement 9 zugewandten Außenring ist das Festlager 10 an seiner dem Getriebeelement 9 zugwandten axialen Seite durch ein Ringelement 17 einseitig axial gegenüber dem ersten Statorkörper 13 gesichert ist. Das Ringelement 17 trägt einen Wellendichtring 18, welcher die Rotorwelle 8 umfänglich kontaktiert, so dass die elektrische Maschine 1 gegenüber der Getriebeanordnung 4 insbesondere flüssigkeitsdicht abgedichtet ist.
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Ersichtlich ist aus der 1 ferner, dass die Wälzlageranordnung 7 ein drittes Wälzlager 15 aufweist, dass radial innerhalb des zweiten ringscheibenförmigen Statorkörpers 14 angeordnet ist und die Rotorwelle 8 gegenüber dem zweiten Statorkörper 14 drehbar lagert.
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Wie man anhand der 1 weiter erkennt, ist die Rotorwelle 8 gestuft ausgebildet. Dabei liegen das Festlager 10 und das dritte Wälzlager 15 auf etwa dem gleichen Durchmesser der Rotorwelle 8, während das Loslager 11 auf einem kleineren Durchmesser der Rotorwelle 8 angeordnet ist.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 ist das Loslager 11 radial innerhalb einer hydraulischen Ausrückvorrichtung 21 angeordnet. Die Ausrückvorrichtung 21 ist als ein Zentralausrücker konfiguriert, bei dem sich ein Zentralausrückerkolben 22 axial hydraulisch versetzen lässt. Der Zentralausrückerkolben ist in dem Zentralausrückergehäuse 23 geführt und wirkt beispielsweise auf die Getriebeanordnung 4 ein, beispielsweise um einen Schaltvorgang bei einem mehrgängig ausgeführten Getriebe zu aktuieren. Der Außenring des Loslagers 11 liegt dabei an einer zylindrisch axial verlaufenden Mantelfläche des Zentralausrückergehäuses 23 an, während sich der Innenring des Loslagers 11 auf der Rotorwelle 8 abstützt.
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Der aus der 1 bekannte Achsantriebsstrang 1 ist in der der 1 dargestellt.
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Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Achsantriebsstrangs 1, der zwei im Wesentlichen baugleiche als Axialflussmaschinen konfigurierte elektrische Maschinen 3, wie sie aus der 1 bekannt sind, umfasst. Dies ist auch in der der 3 wiedergegeben. Ein derartiger Achsantriebsstrang wird gelegentlich auch als Twin-Drive bezeichnet. Die Rotorwellen 8 der elektrischen Maschinen 3 sind koaxial zueinander angeordnet und deren sich in radialer Richtung erstreckende, aneinander anliegenden Rückwände 19 sind miteinander verbunden, wobei jede der beiden Axialflussmaschinen jeweils eine Wälzlageranordnung 7 umfasst, welche genau ein Festlager 10 und ein Loslager 11 aufweist.
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Die in dieser Anmeldung benutzten Begriffe radial , axial , tangential und Umfangsrichtung beziehen sich immer auf die Rotationsachse der elektrischen Maschine 3. Die Begriffe links , rechts , oben , unten , oberhalb und unterhalb dienen hier nur dazu, um zu verdeutlichen, welche Bereiche der Abbildungen gerade im Text beschrieben werden. Die spätere Ausführung der Erfindung kann auch anders angeordnet werden. Die Erfindung ist ferner 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
- Stator
- 6
- Rotor
- 7
- Wälzlageranordnung
- 8
- Rotorwelle
- 9
- Getriebeelement
- 10
- Festlager
- 11
- Loslager
- 12
- Ende
- 13
- Statorkörper
- 14
- Statorkörper
- 15
- Wälzlager
- 16
- Wellenschulter
- 17
- Ringelement
- 18
- Wellendichtring
- 19
- Rückwände
- 20
- Schraubenmutter
- 21
- Ausrückvorrichtung
- 22
- Zentralausrückerkolben
- 23
- Zentralausrückergehäuse
