NL2009161C2

NL2009161C2 - Ophang- en aandrijfinrichting voor het elektrisch aandrijven van een afgeveerd wiel van een wegvoertuig.

Info

Publication number: NL2009161C2
Application number: NL2009161A
Authority: NL
Inventors: Laurens Wolters
Original assignee: Teamwork Technology B V
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2014-01-13
Also published as: EP2684726A3; EP2684726A2

Description

Ophang- en aandrijfïnrichting voor het elektrisch aandrijven van een afgeveerd wiel van een wegvoertuig.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op de aandrijving van een wiel van een 5 wegvoertuig. De toenemende schaarste aan fossiele brandstoffen leidt tot een toenemende populariteit van elektrisch aangedreven wegvoertuigen. Deze voertuigen kunnen worden gevormd door volledig elektrisch aangedreven voertuigen of door hybride voertuigen. Het direct en afzonderlijk aandrijven van elk van de wielen is aantrekkelijk omdat daardoor de massa van het voertuig wordt verkleind en verliezen in 10 de overbrenging kunnen worden beperkt. Dergelijke voertuigen zijn veelal ingericht om de bij het remmen vrijkomende kinetische energie van het voertuig om te zetten in elektrische energie en deze elektrische energie op slaan. De verliezen van de overbrenging treden aldus zowel bij het aandrijven als bij het remmen op.

15 Het is dan ook aantrekkelijk de elektromotor zo dicht mogelijk bij het wiel te plaatsen om de overbrenging zo kort mogelijk te maken. De wielen zijn echter verend met de carrosserie van het voertuig verbonden, zodat de wens de motor dicht bij het aan te drijven wiel te plaatsen, leidt tot het vergroten van de slechts door de banden, maar niet door het hoofdveersysteem van het voertuig geveerde massa, hetgeen het dynamisch 20 gedrag van het voertuig verslechtert en de dynamische krachten op de motor sterk vergroot. Opgemerkt wordt dat dit in het bijzonder het gevolg is van de relatief grote massa van een elektromotor. De massa van een elektromotor is immers sterk gerelateerd aan het door de elektromotor op te wekken koppel. Het is dan ook aantrekkelijk gebruik te maken van een elektromotor met een kleiner koppel en een hoger toerental, waardoor 25 de massa van de elektromotor sterk kan worden verkleind. Een kleine elektromotor heeft bovendien een lagere kostprijs. Dit leidt echter tot de noodzaak van een overbrengingsmechnisme, dat de slechts door de banden geveerde massa van de aandrijving weer vergroot.

30 Het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een ophang- en aandrijfïnrichting die het mogelijk maakt een snelle, kleine en daarmede lichte en relatief goedkope elektromotor toe te passen en waarvan de massa zo gering mogelijk is.

2

Dit doel wordt bereikt door een ophang- en aandrijfinrichting voor het aandrijven van een afgeveerd wiel van een wegvoertuig, omvattende verend met het wegvoertuig verbonden lagers, een in de lagers gelagerde, van een koppelflens voor het wiel voorziene wielas, een met de wielas gekoppeld planetair tandwiel stelsel en een 5 elektromotor met een op zijn uitgaande as geplaatst rondsel dat in aangrijping is met het planetaire tandwiel stelsel.

De toepassing van een planetair tandwielstelsel maakt een weinig omvangrijke en lichte constructie mogelijk, terwijl de verliezen van een planetair tandwielstelsel gering zijn.

10 Een ander voordeel van een planetair tandwielstelsel is de mogelijke toepassing van meer dan één planeetwiel, zodat de overdracht van de krachten wordt verdeeld over verschillende planeetwielen. Het gevolg daarvan is dat de tanden van de planeetwielen, het zonnewiel en het satellietwiel minder zwaar worden belast.

15 Een planetair tandwielstelsel kent drie assen, namelijk de as van het zonnewiel, van de planeetwieldrager en van het satellietwiel. Al deze assen kunnen in principe worden gekozen als aangedreven as, aan te drijven as en stationaire as. Volgens een eerste voorkeursuitvoeringsvorm omvat het planetair tandwielstelsel een met een van de lagers vast verbonden zonnewiel, een met de wielas vast verbonden planeetwieldrager, op de 20 planeetwieldrager geplaatste planeetwielen die in aangrijping zijn met het zonnewiel en een gelagerd satellietwiel dat aan zijn binnenzijde in aangrijping is met de planeetwielen en dat aan zijn buitenzijde in aangrijping is met het op de uitgaande as van de elektromotor geplaatste rondsel. Deze configuratie maakt het mogelijk het satellietwiel aan zijn buitenzijde door de elektromotor aan te drijven, hetgeen het 25 mogelijk maakt, bij keuze van een klein rondsel, de elektromotor nog kleiner te dimensioneren. Hierbij wordt aanvankelijk tussen het rondsel en het satellietwiel een klein koppel overgedragen, terwijl tussen het satellietwiel en de planeetwielen, respectievelijk tussen de planeetwielen en het zonnewiel een groter koppel wordt overgedragen, hetgeen over meer dan één tandwiel wordt verdeeld.

30

Om het benodigde volume van de aandrijving nog verder te verkleinen, heeft het de voorkeur dat de as van de planeetwielen zich dwars op de as van de wielas uitstrekt en dat het satellietwiel en het zonnewiel beide een kroonwiel zijn. Hierbij wordt opgemerkt dat deze haakse configuratie het mogelijk maakt de krachtoverbrenging op een zo groot 3 mogelijk afstand van de as te laten plaatsvinden waardoor de krachten op de tanden van de tandwielen relatief klein zijn. Het gebruik van kroonwielen en relatief goedkoop te vervaardigen rechte tandwielen verlaagt de kostprijs.

5 Voor een optimale verdeling van de krachten, heeft het de voorkeur dat de straal van het aangrijpende deel van beide kroonwielen gelijk is. Deze wielen worden hiermede gelijk belast.

Volgens een alternatieve uitvoeringsvorm strekt de as van de planeetwielen zich dwars 10 op de as van de wielas uit en zijn het satellietwiel, het zonnewiel en de planeetwielen alle conische tandwielen.

De hierboven toegelichte uitvoeringsvormen hebben alle een zekere mate van uitstrekking in axiale richting. In situaties waarin de ruimte in die richting beperkt is, 15 bijvoorbeeld door de aanwezigheid van omvangrijke remsystemen, kan het aantrekkelijk zijn een uitvoeringsvorm toe te passen, waarbij de as van de planeetwielen, van het satellietwiel en van het zonnewiel zich parallel aan de as van de wielas uitstrekt en waarbij de planeetwielen, het satellietwiel en het zonnewiel alle rechte tandwielen zijn.

20

Binnen het planetaire tandwiel stelsel vindt de overdracht van de krachten, oftewel het koppel plaats via de planeetwielen. Om de krachten per planeetwiel te verdelen, stelt een voorkeursuitvoeringsvorm voor dat het planetair tandwiel stelsel is voorzien van tenminste twee planeetwielen. Bovendien wordt hiermede symmetrie verkregen zodat 25 geen asymmetrische koppels resteren. Het zal duidelijk zijn dat ook andere aantallen planeetwielen kunnen worden toegepast, zoals vier, zes of acht planeetwielen.

Zoals in de inleiding reeds is toegelicht, is het aantrekkelijk om de elektromotor zo klein mogelijk met een zo groot mogelijk toerental te bouwen. Dit vereist een grotere 30 overbrengverhouding. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm, is de overbrengverhouding van het planetaire tandwiel stelsel gelijk aan of groter dan twee.

Alhoewel het goed mogelijk is kleine snelle elektromotoren te construeren met elektromagneten, maakt de toenemende beschikbaarheid van permanente magneten met 4 grote veldsterkten het aantrekkelijk deze magneten toe te passen. Een motor met permanente magneten vereist voorts geen bekrachtigingstroom, zodat het rendement van een motor met permanente magneten groter is. Een voorkeursuitvoeringsvorm verschaft dan ook een dergelijke ophang- en aandrijfinrichting waarbij de elektromotor 5 een van permanente magneten voorziene, snelle elektromotor is.

Omdat diverse delen van elektromotor tijdens bedrijf, in het bijzonder bij het remmen, wanneer zij immers zwaar worden belast, veel warmte kunnen ontwikkelen, heeft het de voorkeur dat de elektromotor een door vloeistof gekoelde elektromotor is.

10

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm zijn de permanente magneten in de binnen liggende rotor geplaatst en is de rotor voorzien van een sterke vezels omvattende, zich om zijn mantelvlak in tangentiële richting uitstrekkende bandage. Hiermede wordt een lichte wijze verkregen voor het opsluiten van de magneten, die 15 zelfs tegen hoge toerentallen bestand is.

Om het door de elektromotor op te wekken koppel zo gelijkmatig mogelijk te maken, hetgeen van belang is bij het vermijden van trillingen en variërende belasting van de tandwielen, heeft het de voorkeur dat de magneten zich met een component in de 20 tangentiële richting van de rotor uitstrekken.

Hoewel de maatregelen volgens de uitvinding ook van toepassing zijn op niet bestuurbare wielen van een wegvoertuig, zijn de afmetingen van de aandrijving zo danig gering, dat zij kan worden toegepast bij bestuurbare wielen zoals de voorwielen 25 van een wegvoertuig.

De uitvinding betreft voorts een wegvoertuig, voorzien van tenminste vier wielen, waarvan er tenminste twee zijn voorzien van een ophang- en aandrijfinrichting volgens één van de voorafgaande conclusies.

30

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen, waarin voorstellen:

Figuur 1: een schematisch doorsnedeaanzicht van een eerste uitvoeringsvorm; en

Figuur 2: een schematisch doorsnedeaanzicht van een tweede uitvoeringsvorm.

5

In figuur 1 is een dragend deel van de carrosserie van een wegvoertuig, zoals een personenauto of een bestelauto schematisch weergegeven en aangeduid met 1. Door middel van twee eveneens schematisch weergegeven draagarmen 2, 3 is een in zijn 5 geheel met 4 aangegeven huis in hoofdzakelijk verticale richting beweegbaar bevestigd. Voor het dragen van de massa van de carrosserie is een eveneens schematisch weergegeven veer 5 schamierbaar verbonden met de bovenste draagarm 2 en het dragend deel van de carrosserie 1.

10 Het huis 4 is voorzien van twee concentrisch geplaatste lagers 6, 7, waarin een wielas 8 is gelagerd. Aan de buitenzijde van de wielas is een koppelflens 9 aangebracht, waartegen een velg 10 door middel van niet weergegeven bouten is bevestigd. Op de velg is op de gebruikelijke wijze een band 11 aangebracht. Op de wielas 8 is voorts een remschijf 12 bevestigd en met het huis 4 is een op de remschijf aangrijpende rem 13 15 geplaatst. Het zal duidelijk zijn dat er meer remmen 13 kunnen worden toegepast.

Op de wielas 8 is, concentrisch met de lagers 6,7 een lager 14 geplaatst, waarop een schijf 15 draaibaar ten opzichte van de wielas is gelagerd. Deze schijf 15 is aan zijn omtrek voorzien van een tandkrans 16. Aan het huis 4 is een elektromotor 17 bevestigd, 20 op de uitgaande as 18 waarvan een rondsel 19 is geplaatst, dat in aangrijping is met de tandkrans 16. Op de naar buiten gekeerde kopzijde van de schijf 15 is een concentrisch ten opzichte van de wielas 8 geplaatste tandkrans 20 aangebracht, en wel in zodanig vorm dat een kroontandwiel wordt gevormd. Aan de binnenzijde van het huis 4 is, eveneens concentrisch ten opzichte van de wielas 8 een tandkrans 21 aangebracht die 25 eveneens, tezamen met het huis 4 een kroontandwiel vormt. De diameter en de breedte van beide vertandingen 20 en 21 zijn hoofdzakelijk gelijk. Op de wielas 8 zijn vier, zich elk onder een loodrechte hoek ten opzichte van de wielas 8 en van elkaar uitstrekkende armen 22 aangebracht. Van deze vier armen 22 zijn er slechts twee in figuur 1 afgebeeld. Aan het einde van elk van de vier armen is een lager 23 geplaatst, waarvan 30 de as zich in radiale richting van de wielas uitstrekt. Op elk van deze lagers 23 is een recht tandwiel 24 geplaatst, de elk in aangrijping zijn met beide tandkransen 20, 21. Aldus is de configuratie van een planetair tandwiel stelsel verkregen. Hierbij vormt de schijf 15, tezamen met de tandkrans 20 het satellietwiel, vormen de rechte tandwielen 24 de planeetwielen, vormen de armen 24 de planeetwieldragers en vormt de tandkrans 6 21, tezamen met het huis het zonnewiel, dat in de gebruikte configuratie stil staat. Door deze configuratie wordt het toerental van de elektromotor 17 aanvankelijk gereduceerd met een factor die gelijk is aan de verhouding tussen het aantal tanden van het rondsel 19 en het aantal tanden van de tandkrans 16, terwijl vervolgens het toerental wordt 5 gehalveerd door het planetaire tandwiel stelsel. Hiermede wordt een overeenkomstige vergroting van het koppel verkregen tot een waarde, die voldoende groot is voor het aandrijven van een wiel van een wegvoertuig.

Hierbij wordt opgemerkt dat, onder de aanname dat het wegvoertuig vier wielen heeft, 10 het mogelijk is alle vier de wielen van het wegvoertuig te voorzien van een aandrijving van de hierboven beschreven soort, maar dat het ook mogelijk is dat slechts twee van de vier wielen van het wegvoertuig van een dergelijke aandrijving zijn voorzien. Voorts zijn de afmetingen van de aandrijving zodanig gering, dat deze gemakkelijk kan worden toegepast op een bestuurbaar wiel. Dit is weliswaar in figuur 1 niet weergegeven, maar 15 het zal duidelijk zijn, dat door het verbinding tussen het huis 4 en de draagarmen 2, 3 uit te voeren als een kogelgewricht, deze bestuurbaarheid kan worden bereikt, waarbij een stangenstelsel moet worden aangebracht voor het daadwerkelijk besturen van het wiel.

In figuur 2 is een uitvoeringsvorm afgebeeld, die in grote lijnen overeenkomt met de in 20 figuur 1 afgebeelde uitvoeringsvorm, maar waarbij het planetaire tandwielstelsel uitsluitend met rechte tandwielen is uitgevoerd. Hierbij zijn zo veel mogelijk dezelfde referentienummers gebruikt als bij de voorgaande figuur.

In de uitvoeringsvorm van figuur 2 is het huis 4 vervangen door een veel kleinere bus 25 34. De draagarmen 2 en 3 zijn dan ook verbonden met de bus 34 en in de bus 34 zijn lagers 6 en 7 geplaatst voor het lageren van de wielas 8. Op de bus 34 is door middel van een arm 35 de elektromotor 17 bevestigd, die, evenals bij de voorgaande uitvoeringsvorm, is voorzien van een uitgaande as 18 en een daarop geplaatst rondsel 19.

30

Om de bus 34 is een lager 36 geplaatst, waarop een schijf 37 draaibaar is gelagerd. De schijf is aan zijn mantelvlak van een tandkrans 38 voorzien die in aangrijping is met het rondsel 19 van de elektromotor 17. De schijf 37 is gekoppeld met een concentrische bus 39, die aan zijn binnenzijde van een tandkrans 40 is voorzien. Op de bus 34 is 7 voorts een tandkrans 41 aangebracht, concentrisch met de tandkrans 40. Op de wielas 8 zijn vier, zich elk onder een loodrechte hoek ten opzichte van de wielas 8 en van elkaar uitstrekkende armen 22 aangebracht. Van deze vier armen 22 zijn er slechts twee in figuur 1 afgebeeld. Aan het einde van elk van de vier armen is een lager 23 geplaatst, 5 waarvan de as parallel aan die van de wielas uitstrekt. Op elk van deze lagers 23 is een recht tandwiel 24 geplaatst, de elk in aangrijping zijn met beide tandkransen 38, 40. Hiermede is de configuratie van een planetair tandwiel stelsel verkregen. Hierbij vormt de tandkrans 34 het zonnewiel, vormen de rechte tandwielen 24 de planeetwielen, vormen de armen 24 de planeetwieldragers en vormt de tandkrans 40 het satellietwiel. 10 Bij de gebruikte configuratie staat het zonnewiel 34 stil.

Zoals uit de figuur blijkt, is de diameter van de uitvoeringsvorm van figuur 2 groter dan die van figuur 1, terwijl de axiale lengte iets kleiner is. Voorts is de plaatsing van de draagarmen bij de uitvoeringsvorm van figuur 2 wat lastiger. Er moet echter wel mee 15 rekening worden gehouden dat de elektromotor op diverse posities kan worden geplaatst, zodat een positie kan worden gekozen waar deze de draagarmen zo min mogelijk hindert.

Voorts zal het duidelijk zijn dat talloze constructieve variaties van de getoonde 20 configuraties kunnen worden toegepast en dat de beschermingsomvang slechts wordt bepaald door de conclusies.

Claims

1. Ophang- en aandrijfinrichting voor het aandrijven van een afgeveerd wiel van een wegvoertuig, omvattende: 5. verend met het wegvoertuig verbonden lagers; - een in de lagers gelagerde, van een koppelflens voor het wiel voorziene wielas; - een met de wielas gekoppeld planetair tandwielstelsel en - een elektromotor met een op zijn uitgaande as geplaatst rondsel dat in aangrijping is met het planetaire tandwielstelsel. 10

2. Ophang- en aandrijfinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het planetair tandwielstelsel omvat: - - een met een van de lagers vast verbonden zonnewiel; - - een met de wielas vast verbonden planeetwieldrager; 15 - - tenminste één op de planeetwieldrager geplaatste planeetwiel dat in aangrijping is met het zonnewiel; en - - een gelagerd satellietwiel dat aan zijn binnenzijde in aangrijping is met het tenminste ene planeetwiel en dat in aangrijping is met het op de uitgaande as van de elektromotor geplaatste rondsel. 20

3. Ophang- en aandrijfinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de as van de planeetwielen elk zich dwars op de as van de wielas uitstrekt en dat het satellietwiel en het zonnewiel beide een kroonwiel zijn.

4. Ophang- en aandrijfinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de straal van het aangrijpende deel van beide kroonwielen gelijk is.

5. Ophang- en aandrijfinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de as van de planeetwielen zich dwars op de as van de wielas uitstrekt, dat het satellietwiel, 30 het zonnewiel en de planeetwielen alle conische tandwielen zijn.

6. Ophang- en aandrijfinrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de as van de planeetwielen, van het satellietwiel en van het zonnewiel zich parallel aan de as van de wielas uitstrekt en dat de planeetwielen, het satellietwiel en het zonnewiel alle rechte tandwielen zijn.

7. Ophang- en aandrijfinrichting volgens één van de voorafgaande conclusies, met 5 het kenmerk, dat het planetair tandwiel stelsel is voorzien van tenminste twee planeetwielen.

8. Ophang- en aandrijfinrichting volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de overbrengingsverhouding van het planetaire tandwielstelsel gelijk 10 is aan of groter is dan twee.

9. Ophang- en aandrijfinrichting volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de elektromotor een van permanente magneten voorziene, snelle elektromotor is. 15

10. Ophang- en aandrijfinrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de elektromotor een door vloeistof gekoelde elektromotor is.

11. Ophang- en aandrijfinrichting volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk, dat 20 de permanente magneten in de binnenliggende rotor zijn geplaatst en dat de rotor is voorzien van een van sterke vezels voorziene, zich om zijn mantelvlak in tangentiële richting uitstrekkende bandage.

12. Ophang- en aandrijfinrichting volgens conclusie 9, 10 of 11, met het kenmerk, 25 dat de magneten zich met een component in de tangentiële richting van de rotor uitstrekken.

13. Ophang- en aandrijfinrichting volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat het aangedreven wiel een bestuurbaar wiel is. 30

14. Wegvoertuig, voorzien van tenminste vier wielen, waarvan er tenminste twee zijn voorzien van een ophang- en aandrijfinrichting volgens één van de voorafgaande conclusies.