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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Elektrofahrzeug mit einer Antriebseinheit, einem Differentialgetriebe, einer Übersetzungsstufe, zwei mit dem Differentialgetriebe über jeweils eine Welle verbundenen Antriebsrädern, mindestens einem ersten Bremssystem an einer der Wellen, bestehend aus einer nasslaufenden Betriebsbremse, einer Feststellbremse und einem Aktuator zur steuerbaren Betätigung sowohl der nasslaufenden Betriebsbremse als auch der Feststellbremse.
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Im Fahrbetrieb wird eine Verzögerung von Elektrofahrzeugen vielfach mittels Rekuperation erzielt. Zusätzlich werden als Betriebsbremsen vor allem Trommelbremsen und Scheibenbremsen eingesetzt, die regelmäßig an jedem Antriebsrad des Fahrzeugs individuell angebracht werden. Beide Varianten nutzen Bremsklötze, welche bei Aktivierung auf eine Fläche gepresst werden, die fest mit einem der Antriebsräder verbunden ist und sich mit diesem zusammen bewegt. Durch Reibung wird ein Gegenmoment zu einer Bewegung des Antriebsrads erzeugt und auf diese Weise das Elektrofahrzeug abgebremst.
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Eine Sonderform der Scheibenbremse stellt die Ölbadbremse, die auch als nasslaufende Betriebsbremse oder Nassbremse bezeichnet wird, dar, bei der eine oder mehrere Bremsscheiben in einem Ölbad rotieren. Die Bremsscheiben werden bei der Aktivierung der Bremse mittels Druckplatten an zwischen den Bremsscheiben befindliche Zwischenscheiben gepresst, so dass die Reibung zwischen den Bremsscheiben, Zwischenscheiben und Druckplatten ein Bremsmoment erzeugt. Die Druckplatten werden dabei in der geläufigsten Ausführung von außen durch einen Aktuator zueinander verdreht, wobei zwischen den Druckplatten in länglichen, flacher werdenden Vertiefungen Kugeln gelagert sind, welche die Druckplatten voneinander weg- oder aufeinander zubewegen können. Da die gesamte Fläche der Bremsscheiben zum Erzeugen des Bremsmoments beiträgt, nennt man diesen Bremsentyp Vollscheiben- oder auch Lamellenbremse. Der Vorteil dieser Bremsen ist die integrierte Kühlung und ihre Wartungsfreiheit, da durch die geschlossene Bauweise ein Verschmutzen verhindert sowie durch das Ölbad der Abrieb an den Bremsscheiben reduziert und ein Abtransport von Wärme ermöglicht wird.
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Zusätzlich zu der Betriebsbremse weisen Elektrofahrzeuge eine Park- oder Feststellbremse auf, mit denen sich die Räder blockieren lassen. Diese wird über Seilzüge oder elektrisch aktiviert und arbeitet unabhängig von der Betriebsbremse.
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Ein Bremssystem mit einer Lamellenbremse als Betriebsbremse und Parkbremse ist aus der
DE 10 2006 012 065 A1 bekannt. Hier ist ein modular aufgebautes Bremsmodul für eine Antriebsachse offenbart, welches in einem Bremsgehäuse zwischen einer Achsbrücke und einem Achsmittelteil der Antriebsachse angeordnet ist. Die Lamellenbremse wird sowohl als Betriebsbremse als auch als Parkbremse hydraulisch, aber mit separaten Hydraulikkreisläufen betätigt. Zum Auslösen der Betriebsbremse wird ein Kolben direkt auf die Lamellenbremse gepresst, wobei das Lösen der Betriebsbremse zum Beispiel durch Federkraft erfolgt. Die Parkbremse ist als Negativbremse aufgebaut, sodass sie sich bei einer Reduktion des Drucks in ihrem respektiven Hydraulikkreislauf z.B. durch Federkraft in Richtung Kolben der Betriebsbremse bewegt, welche dann über die Kolben die Lamellenbremse feststellt.
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Im Stand der Technik werden Übersetzungsstufen in Form von Übersetzungsgetrieben bei der Nutzung von Nassbremsen in der Regel zwischen der Lamellenbremse und einem der Lamellenbremse zugeordneten Antriebsrad angeordnet. Gerade bei Elektrofahrzeugen ist eine solche Übersetzungsstufe zwingend notwendig. Ist sie aber zwischen Bremssystem und dem zugehörigen Antriebsrad angeordnet, werden auf das jeweilige Antriebsrad wirkende Kräfte übersetzt an das Bremssystem übertragen. Ferner wird das von der nasslaufenden Bremse induzierte Bremsmoment ebenfalls übersetzt, bevor es an dem Antriebsrad wirkt. Das kann sich negativ auf das Fahr- und Bremsverhalten des Fahrzeugs auswirken. Zudem sind bei einer solchen Anordnung ein konstruktiv bedingtes Drehspiel zwischen dem Differentialgetriebe und der Übersetzungsstufe sowie im Antriebsstrang vorhandene Elastizitäten problematisch für die Bremse. Es wäre daher wünschenswert, diese Einflüsse zu minimieren oder gar vollständig zu beseitigen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Antriebsstrang zur Verfügung zu stellen, der nachteilige Einflüsse einer Übersetzungsstufe und eines Differentialgetriebes auf das Bremssystem und damit auf das Brems- und das Fahrverhalten eines Fahrzeugs minimiert.
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Die Aufgabe wird für den eingangs beschriebenen Antriebsstrang dadurch gelöst, dass die Übersetzungsstufe zwischen der Antriebseinheit und dem Differentialgetriebe angeordnet ist und die Antriebsräder direkt mit dem Differentialgetriebe in Wirkverbindung stehen. Indem die Übersetzungsstufe nicht mehr zwischen Antriebsrad und Bremssystem angeordnet wird und sich auch nicht mehr an den Wellen befindet, hat die Übersetzungsstufe keinen direkten Einfluss mehr auf das Bremssystem oder die Antriebsräder. Übersetzungseinflüsse und Verdrehspiel treten somit nicht mehr an den Wellen und den Bremssystemen auf. Auf diese Weise werden das Fahr- und das Bremsverhalten des Fahrzeugs verbessert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Bremssystem dahingehend angepasst werden, dass der Aktuator motorisch oder hydraulisch 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, in dem der Aktuator weder mit der Betriebsbremse noch mit der Feststellbremse in Verbindung steht, verstellbar ist. Durch das Anbringen einer zusätzlichen Feststellbremse wird das Problem gelöst, dass nasslaufende Bremsen einen Mikroschlupf aufweisen, so dass ein langfristiges Feststellen des Fahrzeugs an einer Steigung nicht möglich ist. Das Einbringen des Feststellbremsbereichs und des Betriebsbremsbereichs ermöglicht ein separates Ansteuern der Betriebsbremse und der Feststellbremse.
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Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn der Neutralbereich, zwischen dem Betriebsbremsbereich und dem Feststellbereich angeordnet ist, damit ein gleichzeitiges Auslösen der nasslaufenden Bremse und der Feststellbremse verhindert wird.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Antriebsstrang ein zweites Bremssystem, wobei das erste und das zweite Bremssystem jeweils an einer der Wellen angeordnet sind und mit der jeweiligen Welle in Wirkverbindung stehen. Dies verbessert das Bremsverhalten und die Bremswirkung. Weiter werden dadurch Zusatzfunktionen wie ein radselektiver Bremseingriff für eine Fahrdynamikregelung (ESC/Electronic Stability Control) oder für eine Traktionskontrolle (ASR, Antriebsschlupfregelung) ermöglicht. Ferner können die einzelnen Bremssysteme auf diese Weise kompakter gestaltet werden. Grundsätzlich ist es möglich, das erste Bremssystem und das zweite Bremssystem unterschiedlich auszuführen. Es ist aber besonders von Vorteil, wenn das zweite Bremssystem dem ersten Bremssystem entspricht, da so die Gewichtsverteilung, sowie Steifigkeiten und Reibwerte des Fahrzeugs und das Bremsverhalten verbessert werden. Durch die Verwendung von Gleichteilen können zudem Kosten eingespart werden.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Übersetzungsstufe als eine Stirnradstufe oder als ein Radsatz ausgebildet. Derartige Übersetzungsgetriebeformen sind für den Einsatz zwischen Antriebseinheit und Differentialgetriebe besonders gut geeignet.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Fahrzeug mit einem gerade beschriebenen Antriebsstrang gelöst.
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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 einen Antriebsstrang mit einem ersten und einem zweiten Bremssystem und
- 2 eine alternative Ausführung des Antriebsstrangs.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau des Antriebsstrangs 1 eines Elektrofahrzeugs (BEV, HEV oder PHEV), der eine Antriebseinheit 2 (nachfolgend auch E-Maschine 2) umfasst, die ein Drehmoment erzeugt, welches über eine Übersetzungsstufe 4 und anschließend über ein Differentialgetriebe 3 auf zwei Wellen mit jeweils einem Antriebsrad 5 übertragen wird. Das Differentialgetriebe 3, die Wellen und die Antriebsräder 5 werden nachfolgend auch als Achse zusammengefasst. Zwischen dem Differentialgetriebe 3 und den Antriebsrädern 5 ist insbesondere kein Übersetzungsgetriebe vorhanden, sodass diese direkt verbunden sind. Die Antriebseinheit 2 kann einen oder mehrere Elektromotoren enthalten, die entweder den alleinigen Antrieb darstellen oder als Teil eines Hybridantriebs arbeiten können. Die Antriebseinheit 2 umfasst sämtliche notwendigen Elektronik für deren Ansteuerung und Betrieb sowie notwendige oder optionale Sensorik. Das Elektrofahrzeug kann auch mehrere elektrisch angetriebene Achsen mit jeweiligen Antriebseinheiten 2 umfassen.
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Der Antriebsstrang 1 weist ein Bremssystem auf jeder Seite des Differentialgetriebes 3 auf, die unterschiedlich gestaltet mit der jeweiligen Welle, an der sie sich befinden, in Wirkverbindung stehen. Je nach Typ des Elektrofahrzeugs kann es hinreichend sein, auf einer Seite des Antriebsstrangs 1 ein Bremsgehäuse mit einem ersten Bremssystem 11 aus nasslaufender Betriebsbremse 8, Aktuator 10 und Feststellbremse 9 vorzusehen. Die Feststellbremse 9 ist hierbei und in den weiteren Ausführungsbeispielen vorzugsweise als formschlüssige Bremse ausgebildet. An der dem ersten Bremssystem 11 gegenüberliegenden Seite befindet sich ein zweites Bremssystem 12, welches eine weitere Betriebsbremse 8a umfasst. Das zweite Bremssystem 12 unterscheidet sich von dem ersten Bremssystem 11 also durch das Fehlen der Feststellbremse 9 und dem zugeordneten Aktuator 10. Es ist allgemein in diesem Ausführungsbeispiel unerheblich, auf welcher Seite des Antriebsstranges 1 das erste und das zweite Bremssystem 11, 12 angeordnet sind. So könnte das erste Bremssystem 11 auch auf der rechten Seite der 1 angeordnet sein, während das zweite Bremssystem 12 sich auf der linken befindet.
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Das erste Bremssystem 11 weist einen Betriebsbremsbereich auf, innerhalb dem der Aktuator 10 mit der Betriebsbremse 8 in Verbindung steht. In diesem Bereich bewirkt eine Änderung der Position des Aktuators 10 eine Variation der Bremswirkung, wobei diese bis hin zu einem Maximum zunimmt, umso weiter sich der Aktuator 10 in seiner Position von einem angrenzenden Neutralbereich entfernt. In dem Neutralbereich steht der Aktuator 10 nicht mehr mit der Betriebsbremse 8 in Verbindung, sodass diese keinerlei Bremswirkung erzeugt. Entfernt sich der Aktuator 10 in seiner Position weiter von dem Betriebsbremsbereich, erreicht er einen Feststellbereich, in dem er mit der Feststellbremse 9 in Verbindung steht. Die Bremswirkung beschreibt hier eine Stufe, da es durch den Formschluss zu einem Blockieren bzw. Festsetzen der Welle kommt, an der sich das erste Bremssystem 11 befindet.
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Die zwischen der Antriebseinheit 2 und dem Differentialgetriebe 3 angeordnete Übersetzungsstufe 4 ist als eine Stirnradstufe oder ein Radsatz ausgebildet. Das von der Antriebseinheit 2 erzeugte Drehmoment wird hier direkt übersetzt und an das Differentialgetriebe 3 weitergegeben. Durch die Anordnung der Übersetzungsstufe 4 zwischen Antriebseinheit 2 und Differentialgetriebe 3 wird der Einfluss der Getriebe auf die Bremssysteme 11, 12 reduziert. Wird nämlich durch die nasslaufenden Betriebsbremsen 8, 8a ein Verzögerungsmoment auf die Wellen übertragen, wird dieses bei einer Anordnung, wo zwischen dem entsprechenden Antriebsrad 5 und dem Bremssystem 11, 12 ein Übersetzungsgetriebe angeordnet ist, übersetzt an das jeweilige Antriebsrad 5 weitergegeben. Dies wirkt sich nachteilig auf das Brems- und somit auch das Fahrverhalten des Elektrofahrzeugs aus. Ferner treten der Bremsung hohe Kräfte auf, die das Übersetzungsgetriebe stark belasten. Zusätzlich zu diesen ungewollten Übersetzungseinflüssen kommt es, wenn eine oder beide Wellen neben dem Differentialgetriebe 3 zusätzlich ein zwischen dem jeweiligen Antriebsrad 5 und zum Beispiel dem jeweiligen Bremssystem 11, 12 angeordnetes Übersetzungsgetriebe aufweisen, zu einem Verdrehspiel an den Wellen zwischen dem Differentialgetriebe 3 und dem jeweiligen Übersetzungsgetriebe. Auch dieses kann durch eine Anordnung der Übersetzungsstufe 4 zwischen Antriebseinheit 2 und Differentialgetriebe 3 vermieden werden.
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Je nach Fahrzeug kann es sinnvoll sein, beidseitig ein zweites Bremssystem 12 an dem Antriebsstrang 1 vorzusehen, welches dem ersten Bremssystem 11 entspricht, also neben der weiteren nasslaufenden Betriebsbremse 8a ebenfalls eine weitere Feststellbremse 9a und einen diesen zugeordneten weiteren Aktuator 10a umfasst. Dies ist in der 2 dargestellt. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass beide Wellen festgesetzt werden können, was die Sicherheit beim Abstellen des Elektrofahrzeugs erhöht. Außerdem sorgt der identische Aufbau der Bremssysteme 11, 12 zusätzlich für eine gleichmäßigere Gewichtsverteilung.
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Bei beiden Ausführungen können zusätzliche Funktionen integriert werden, die zum Beispiel ein unerwünschtes Anrollen des Fahrzeugs verhindern können. Dies wird folgend beispielhaft im Folgenden zunächst am Beispiel des ersten Bremssystems 11 dargelegt.
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Um mit dem Elektrofahrzeug anfahren zu können, wird zunächst, während sich der Aktuator 10 noch im Feststellbereich befindet, die Verbindung des Aktuators 10 mit der Feststellbremse 9 aufgelöst, indem der Aktuator 10 von dem Feststellbereich in den Neutralbereich bewegt wird, sodass die Achse freigegeben wird und kein Bremsmoment mehr auf diese wirkt. Nun kann das Elektrofahrzeug beschleunigt werden, indem es an einer Steigung anrollt oder die E-Maschine 2 ein Drehmoment erzeugt.
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Wird anschließend gebremst, zum Beispiel beim Anhalten des Elektrofahrzeugs, wird der Aktuator 10 von dem Neutralbereich in den Betriebsbremsbereich bewegt, so dass er in Verbindung mit der Betriebsbremse 8 tritt und die Betriebsbremse 8 ein Bremsmoment an der Achse erzeugt. Soll das Elektrofahrzeug nach dem Gebrauch abgestellt werden, wird das nun stehende Elektrofahrzeug festgesetzt, indem der Aktuator 10 von dem Betriebsbremsbereich über den Neutralbereich hin zu dem Feststellbereich bewegt wird, so dass der Aktuator 10 mit der Feststellbremse 9 in Verbindung tritt und die Achse mittels Formschluss der Feststellbremse 9 festgesetzt wird.
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Beim Durchschreiten des Neutralbereichs durch den Aktuator 10 ist die Achse kurzzeitig ungebremst, sodass es zu einem unerwünschten Anrollen des Elektrofahrzeugs kommen kann. Dies kann in vorteilhafter Weise mittels der weiteren Betriebsbremse 8a des zweiten Bremssystems 12 unterbunden werden, welche beim Anhalten des Elektrofahrzeugs mitwirkt, indem die weitere Betriebsbremse 8a auslöst, so dass eine Bremswirkung an der Achse durch die weitere Betriebsbremse 8a erzeugt wird. Die Bremswirkung wird aufrechterhalten, während der Aktuator 10 des ersten Bremssystems 11 beim Festsetzen des Elektrofahrzeugs von dem Betriebsbremsbereich über den Neutralbereich hin zu dem Feststellbereich bewegt wird, und die Achse erst freigegeben, nachdem der Aktuator 10 mit der Feststellbremse 9 in Verbindung getreten ist, so dass die Achse mittels der Feststellbremse 9 festgesetzt ist.
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Umfasst das zweite Bremssystem 12 auch die weitere Feststellbremse 9a und den weiteren Aktuator 10a, wird die weitere nasslaufende Betriebsbremse 8a vorzugsweise durch den weiteren Aktuator 10a ausgelöst, der sich dann in einem weiteren Betriebsbremsbereich befindet und nach dem Freigeben der Achse die weitere Feststellbremse 9a auslöst, indem er zu einem weiteren Feststellbereich bewegt wird und mit der weiteren Feststellbremse 9a in Verbindung tritt. Dies erfolgt, nachdem die Achse durch das erste Bremssystem 11 mittels der Feststellbremse 9 bereits festgesetzt ist und dient der zusätzlichen Sicherung der Achse. Die Aktuatoren 10, 10a beider Bremssysteme 11, 12 werden also nicht gleichzeitig bewegt, sondern nacheinander in ihren jeweiligen Feststellbereich, so dass das Elektrofahrzeug zu keinem Zeitpunkt ungebremst ist.
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Genau das gleiche Verfahren kann invers eingesetzt werden, um das Elektrofahrzeug nach dem vollständigen Festsetzen durch beide Bremssysteme 11, 12 wieder freizugeben, ohne die Achse selbst kurzzeitig freigeben zu müssen. Vor dem Auflösen der Verbindung des Aktuators 10 mit der Feststellbremse 9 wird dabei der weitere Aktuator 10a in den weiteren Betriebsbremsbereich bewegt und tritt in Verbindung mit der weiteren Betriebsbremse 8a, so dass diese eine Bremswirkung an der Achse erzeugt und diese sichert. Im Anschluss wird an dem ersten Bremssystem 11 die Verbindung des Aktuators 10 mit der Feststellbremse 9 gelöst und der Aktuator 10 wird vom Feststellbereich in den Neutralbereich bewegt. Ist dies abgeschlossen, wird die Verbindung des weiteren Aktuator 10a mit der weiteren Betriebsbremse 8a gelöst, indem er von dem weiteren Betriebsbremsbereich in den weiteren Neutralbereich bewegt wird, so dass die Achse freigegeben wird und ein Beschleunigen des Elektrofahrzeugs ermöglicht. Somit ist das Elektrofahrzeug auch hier zu keinem Zeitpunkt ungebremst und ein unerwünschtes Anrollen wird verhindert.
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Durch das Vorsehen von zwei Bremssystemen ist eine Redundanz vorhanden, um die Betriebssicherheit das Fahrzeug auch bei Ausfall eines der Bremssysteme beizubehalten. Optional kann beim Durchlaufen der Neutralstellung eines Aktuators auch ein Haltemoment durch die Antriebseinheit bzw. die E-Maschine 2 bereitgestellt werden, um dadurch ein unerwünschtes Anrollen des Fahrzeugs zu verhindern.
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Bezugszeichen
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- 1
- Antriebsstrang
- 2
- Antriebseinheit
- 3
- Differentialgetriebe
- 4
- Übersetzungsstufe
- 5
- Antriebsrad
- 8
- Betriebsbremse
- 9
- Feststellbremse
- 10
- Aktuator
- 8a
- weitere Betriebsbremse
- 9a
- weitere Feststellbremse
- 10a
- weiterer Aktuator
- 11
- erstes Bremssystem
- 12
- zweites Bremssystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006012065 A1 [0005]