WO2012136436A2 - Antriebseinheit für ein fahrzeug mit einem elektromotor sowie ein verfahren zum betrieb einer derartigen antriebseinheit - Google Patents

Antriebseinheit für ein fahrzeug mit einem elektromotor sowie ein verfahren zum betrieb einer derartigen antriebseinheit Download PDF

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Definitions

  • Drive unit for a vehicle with an electric motor and a method for operating such a drive unit
  • the invention relates to a drive unit for a vehicle with an electric motor and to a method for operating such a drive unit.
  • Wheel hub drives are usually arranged on or in a vehicle wheel of a vehicle.
  • Wheel hub drive conventionally have a motor unit, via which the wheel hub and thus the vehicle wheel of the vehicle can be driven.
  • the object of the invention is therefore to provide a drive unit with which a standstill of a vehicle on an inclined plane can be maintained more energy efficient.
  • the subject of the present invention is a drive unit for a vehicle which comprises an electric motor driving a motor with a rotor, in which the transmission of the rotational movement from the electric motor to the vehicle wheel can be blocked by a locking device having a profiled locking wheel and a locking element, wherein the blocking element has an engagement region, wherein the engagement region for blocking the blocking device can be introduced into the profile of the barrier wheel by a movement against the force of gravity.
  • the position of the vehicle on an inclined plane can advantageously be kept more energy-efficient, for example when being stopped at a traffic light, in a traffic jam or during a parking operation, and rolling back of the vehicle can be avoided.
  • the blocking element can in particular be in a blocking position, in which the engagement region is introduced against the force of gravity in the profile of the barrier wheel.
  • the engagement region of the locking element in particular by gravity, can be brought into a non-locking position spaced from the barrier wheel, in which a rolling back of the vehicle, for example for parking or turning, is allowed.
  • the drive unit can be either a direct drive, for example a wheel hub motor, or a drive unit equipped with a transmission.
  • a barrier wheel can be understood to mean, in particular, a substantially rotationally symmetrical component which is rotatably mounted about the axis of rotation. In this case, it can be understood essentially that the component can deviate from an ideal body of revolution, in particular due to the profile.
  • the profiled lock wheel may be a toothed and / or grooved wheel.
  • the teeth or grooves can be formed on the outer lateral surface, on an inner lateral surface or on a side surface of the wheel.
  • a gear such as a spur gear, an internal gear, a crown wheel or a worm wheel, be.
  • the lock wheel is a gear.
  • the lock wheel can be configured in a particularly simple and cost-effective manner.
  • An embodiment in the form of a gear also has the advantage that gears which serve in the drive unit for other purposes, can also be used as a lock wheel.
  • the lock wheel is therefore a part of the electric motor, for example a wheel hub motor.
  • an additional barrier wheel can be advantageously dispensed with. This in turn has the advantage that the material costs and the weight of the drive unit can be optimized.
  • the drive unit comprises a transmission.
  • the lock wheel is a transmission gear. This also allows material costs and the weight of the drive unit to be optimized.
  • the lock wheel can also be an additional component.
  • the lock wheel may have an additional electric motor or gearbox attached. ordered component, such as gear, be.
  • an additional lock wheel if necessary, the design effort can be reduced.
  • an additional lock wheel can advantageously be configured in terms of its blocking function optimized.
  • the profiled lock wheel may also be another substantially rotationally symmetrical, rotatably mounted component, for example the rotor of the electric motor, which is on an outer lateral surface, an inner lateral surface or a side surface with a profile, for example provided with one or more teeth or grooves.
  • the barrier wheel in the form of a profile, in particular a toothing, on or in the outer or inner circumferential surface of the rotor or a rotor shaft is formed.
  • the rotor or the rotor shaft itself represent the barrier wheel, in particular by the profile, in particular the toothing, in the outer or inner circumferential surface of the rotor or the rotor shaft is formed.
  • a profiled component such as a gear, attached, for example, plugged is.
  • This embodiment has proven particularly advantageous for direct drives, such as wheel hub motors, in which the locking wheel should preferably have the largest possible effective diameter.
  • a simple solution thereof can be represented by a reshaped toothing in the radially remote area of the rotor.
  • the barrier wheel and the blocking element are parts of a, preferably (um) switchable, freewheeling mechanism.
  • a freewheeling mechanism may, in particular, be understood to mean a mechanism which has a shaft and an outer ring acting as a blocking wheel, in which case the shaft can also be designed as an inner ring. Between the shaft and the outer wheel acting as a locking wheel ring are arranged one or more locking elements acting as locking elements, which allow a rotation of the shaft relative to the outer ring in a first direction, which is also referred to as a freewheeling direction, and a rotation of the shaft relative to the Au stallring in a first reverse second direction, which Also referred to as reverse direction lock.
  • a switchable freewheeling mechanism may be understood to mean a freewheeling mechanism in which the latching element or elements can be brought into different positions.
  • the latching element (s) may be brought into a non-locking position in which the shaft is rotatable in both directions relative to the outer ring and into a blocking position in which the freewheeling mechanism performs the usual function of free-wheeling in shape a rotation of the shaft relative to the outer ring in one direction and a lock against rotation in the opposite direction.
  • the freewheeling mechanism is preferably a freewheeling mechanism which can be switched between a first freewheeling direction and a second freewheeling direction opposite to the first freewheeling direction.
  • the latching element or the latching elements for example, in a first locking position, in which the freewheel mechanism has a rotation of the shaft relative to the outer ring in the first direction of freewheeling and a lock against rotation in the reverse direction, and in a second locking position are brought, in which the freewheel mechanism has a rotation of the shaft relative to the outer ring in the second direction of freewheeling and a lock against rotation in the reverse direction.
  • the latching element or the latching elements can be brought into a non-locking position in which the shaft is rotatable in both directions relative to the outer ring.
  • a freewheel switchable between two freewheeling directions can advantageously be used both in the case of positive (uphill) and negative (downhill) inclined planes.
  • the freewheel mechanism is arranged between a rotor shaft and a housing of the electric motor. It is advantageous that in this case acts on the freewheel - compared to a load acting on the transmission output - low load.
  • a blocking element can be understood to mean in particular a component which has a region, the so-called engagement region, which can be introduced into the profile of the barrier wheel by a movement, in particular against gravity, in particular by a rotation the lock wheel and thus lock the locking device.
  • the blocking element can be both linearly guided and rotatably mounted.
  • the blocking element is a linearly guided, in particular pin-shaped, blocking element.
  • Such a configured locking element has proven to be particularly advantageous in combination with an electromagnetic actuation and can be used for example as part of a freewheel mechanism.
  • the blocking element is a pawl.
  • a pawl may, in particular, be understood to mean a rotatably mounted mechanical device which has an engagement region which can be introduced into the profile of the barrier wheel in order to lock the blocking device.
  • Such a configured locking element can be used in particular as part of a freewheel mechanism.
  • the blocking element is a rocker.
  • a rocker may in particular be understood to mean a mechanical device having at least two arms which are rotatably mounted about a rotational or tilting axis and which has an engagement region which can be introduced into the profile of the barrier wheel to lock the locking device. Also, such a configured locking element can be used as part of a freewheel mechanism.
  • a blocking element in the form of a rocker can also be moved from a non-blocking position, in which a distal end of an arm, the so-called engagement region, spaced below the locking wheel, into a blocking position, in which the distal end of the arm, ie the engagement region , is introduced against the force of gravity in the profile of the barrier wheel, be rotatable or tiltable.
  • the blocking element may be a rocker arm.
  • a rocker arm may refer to a rocker in which a movement of a first arm of the rocker by applying a force to a second arm of the rocker, for example by means of a rod, is executable.
  • the blocking element may be designed, for example, mechanically, electromotively or electromagnetically operable.
  • electromotive actuation advantageously a high efficiency can be achieved.
  • mechanical operation advantageously a particularly simple structure and easy handling are possible.
  • the blocking element is electromagnetically actuated.
  • An electromagnetic actuation of a blocking element requires - compared to the energizing of the complete electric motor to maintain a standstill of the vehicle on an inclined plane - significantly less power.
  • an electromagnetic actuation of the locking element has advantages with respect to its structural design.
  • the shape of the engagement region corresponds at least partially to the negative profile shape, in particular the negative tooth shape or groove shape, of the barrier wheel.
  • a corresponding shape advantageously a particularly good barrier effect can be achieved.
  • the size of the engagement region may differ from the size of the negative profile shape of the barrier wheel.
  • the engagement region may have a smaller size than the negative profile shape of the barrier wheel. This has the advantage that the blocking element can be more easily introduced into the negative profile shape.
  • the drive unit may in particular have two or more profiled locking wheels, which are arranged coaxially with an angular offset from one another, wherein the blocking element for blocking by a movement against gravity in the profiles of the barrier wheels can be introduced.
  • the wheel circumference of a vehicle wheel can be for example 2 m. With a 1:10 reduction, each revolution of the motor would then correspond to 20 cm of travel. In the case of a blocking wheel, for example a pawl plate, with 1 6 slots, this would result in a resolution of 12.5 mm.
  • a resolution of 6.25 mm or three disks of approximately 4 mm could be represented.
  • Another object of the present invention is a method for operating a vehicle with a drive unit according to the invention.
  • the method can be the method steps:
  • the application of a torque to the lock wheel for setting a locking position of the lock wheel by the electric motor can be effected in particular by a resolver of the electric motor.
  • the electric motor can hold the position of the vehicle.
  • the locking position of the lock wheel can be electronically controlled, for example via the resolver.
  • the rotor of the electric motor can be set in an optimal position in which the blocking element is ideally under a profile recess, such as a groove of the barrier wheel. This can be simplified by setting a clear clearance between the shape of the engagement region of the blocking element and the negative profile shape of the barrier wheel.
  • the blocking element can be brought from a non-locking position against gravity into a blocking position which engages in the profile of the locking wheel.
  • the control unit can determine which of the flanks of the blocking element is loaded in the blocking position.
  • the detection can also take place via a force or torque sensor.
  • the drive unit according to the invention can have a force or torque sensor for detecting the loaded flank of the blocking element or the engagement area in the position introduced into the profile of the barrier wheel.
  • the method can be the method steps:
  • Whether a start by the driver is intended can be determined, for example, by means of an actuation of the accelerator pedal by the driver. If the vehicle is to go up after holding, a relieving torque is applied anyway to the lock wheel and thus relieved the locking element. In order to minimize material wear ß and energy requirements, however, it is particularly advantageous to apply a relieving torque on the lock wheel when the vehicle should drive down after holding, in particular to then easily remove the engagement portion of the locking element can. Whether a start up or down should take place, can be detected by a rotation angle measurement of the electric motor, in particular wherein it is determined which of the flanks of the locking element is loaded. Alternatively, the detection can take place via a force or torque sensor, in particular with which the drive unit can be equipped.
  • the engagement area of the locking element is automatically inserted into the profile of the locking wheel during a charging process of the vehicle. introduced.
  • Activation of the blocking element can be effected in particular by a signal from the charging device.
  • the stopping process may, for example, proceed as follows: the driver brakes the vehicle to a standstill. If necessary, the driver releases the brake. The electric motor moves to the next possible locking position of the lock wheel. The blocking element is brought from the non-locked position into the locked in the profile of the lock wheel position. Then the torque is removed from the engine. Subsequently, the vehicle stands without an active actuation of the driving or brake pedal of the driver.
  • the starting process may, for example, proceed as follows: Upon actuation of the accelerator pedal by the driver, the electric motor is activated and the engagement region of the blocking element is pulled out of the barrier wheel. If the vehicle is to go uphill starting from the locked position, the locking element is advantageously already relieved anyway and can be easily solved. If the vehicle is to travel downhill from the locked position, the engine is preferably initially driven backwards. In this way, the locking element can be relieved and also easily solved.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a locking device of an embodiment of a drive unit according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic view of an embodiment of a drive unit according to the invention.
  • FIG. 1 shows that the locking device has a profiled locking wheel 22 embodied as a toothed wheel and a pin-shaped, linearly guided blocking element 24.
  • the blocking element may also be rotatably mounted, for example in the form of a pawl, rocker and / or a rocker arm, executed (not shown).
  • FIG. 1 illustrates that the blocking element 24 has an engagement region 26 which can be moved from a non-blocking position spaced from the barrier wheel 22 against a force of gravity into a blocking position in which the engagement region 26 is introduced into the profile of the barrier wheel 22.
  • the actuation of the blocking element 24 is preferably carried out electromagnetically.
  • FIG. 1 shows that the blocking wheel 22 has teeth and intermediate grooves on the outer circumferential surface.
  • the blocking wheel 22 may be both an already existing wheel, for example a gear toothed wheel, as well as an additional wheel, for example a gear wheel widened by an additional groove rim.
  • FIG. 1 illustrates that the blocking element 24, which in the illustrated embodiment can also be referred to as a detent pin, has a shape in the engagement region 26 which corresponds to the negative profile shape, in particular the negative tooth shape or groove shape, of the barrier wheel 22, wherein the engagement region of the blocking element However, 24 has a smaller size, in particular is designed narrower than the negative profile of Locking wheel 22.
  • the drive unit according to the invention in the context of this embodiment comprises an electric motor 20 driving a vehicle wheel 10 and a transmission 30.
  • FIG. 2 additionally illustrates that there is a rotational movement transmission both between the electric motor 20 and the transmission 30 and between the transmission 30 and the vehicle wheel 10.
  • the locking device shown in Figure 1 is in this case the transmission of the rotational movement of the electric motor 20 to the vehicle 10th
  • the arrows symbolize possible installation positions for such a blocking device.
  • the left arrow illustrates that a locking device may be formed in the engine 20 or at the engine outlet.
  • An insert directly on the motor 20 has the advantage that the translation has an advantageous effect on the representable positioning accuracy of the locking position of the locking wheel 22.
  • the torque to be blocked when using the locking device on or in the motor 20 by the reduction ratio is lower than the vehicle wheel.
  • the middle arrow illustrates that the locking device may be formed at the entrance of the transmission 30.
  • the right arrow illustrates that the locking device can also be formed at the output of the transmission 30.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Fahrzeug, welches einen ein Fahrzeugrad antreibenden Elektromotor mit einem Rotor umfasst, bei der die Übertragung der Drehbewegung von dem Elektromotor auf das Fahrzeugrad durch eine Sperrvorrichtung sperrbar ist. Um einen energieeffizienteren Stillstand des Fahrzeugs auf einer schiefen Ebene zu erzielen, weist die Sperrvorrichtung ein profiliertes Sperrenrad (22) und ein Sperrelement (24) auf, wobei das Sperrelement (24) einen Eingriffsbereich 26 aufweist, wobei der Eingriffsbereich (26) zum Sperren der Sperrvorrichtung durch eine Bewegung entgegen der Schwerkraft in das Profil des Sperrenrades (22) einbringbar ist.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Antriebseinheit für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Antriebseinheit
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Antriebseinheit.
In den letzten Jahren ist das Interesse an Elektroautos insbesondere aufgrund eines wachsenden Umweltbewusstseins mehr und mehr gestiegen.
Bei Elektroautos können unter anderem neben zentralen und radnahen Motoren auch Radnabenantriebe eingesetzt werden. Radnabenantriebe sind üblicherweise an beziehungsweise in einem Fahrzeugrad eines Fahrzeugs ange- ordnet. Radnabenantrieb weisen herkömmlicherweise eine Motoreinheit auf, über welche die Radnabe und damit das Fahrzeugrad des Fahrzeuges angetrieben werden kann.
Um ein Elektrofahrzeug, beispielsweise beim Halten an einer Ampel, in einem Stau oder während eines Parkvorgangs, auf einer schiefen Ebene, beispielsweise an einem Hang oder Berg, anzuhalten und ein Zurückrollen des Fahrzeugs zu vermeiden, muss üblicherweise entweder eine mechanische Bremse betätigt werden oder der Elektromotor im bestromten Zustand gehalten werden. Das Bestromen des Elektromotors zur Aufrechterhaltung eines Stillstands eines Fahrzeugs auf einer schiefen Ebene verbraucht jedoch viel Strom und kann zu einer Erwärmung des Motors führen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antriebseinheit zur Verfügung zu stellen, mit welcher ein Stillstand eines Fahrzeugs auf einer schiefen Ebene energieeffizienter aufrechterhalten werden kann. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Antriebseinheit für ein Fahrzeug, welche einen ein Fahrzeugrad antreibenden Elektromotor mit einem Rotor umfasst, bei der die Übertragung der Drehbewegung von dem Elektromotor auf das Fahrzeugrad durch eine Sperrvorrichtung sperrbar ist, welche ein profiliertes Sperrenrad und ein Sperrelement aufweist, wobei das Sperrelement ei- nen Eingriffsbereich aufweist, wobei der Eingriffsbereich zum Sperren der Sperrvorrichtung durch eine Bewegung entgegen der Schwerkraft in das Profil des Sperrenrades einbringbar ist.
Durch die erfindungsgemäße Antriebseinheit kann die Position des Fahrzeugs auf einer schiefen Ebene, beispielsweise an einem Hang oder Berg, vorteilhafterweise energieeffizienter, beispielsweise beim Halten an einer Ampel, in einem Stau oder während eines Parkvorgangs, gehalten und ein Zurückrollen des Fahrzeugs vermieden werden. Dabei kann das Sperrelement sich insbesondere in einer sperrenden Stellung befinden, in der der Eingriffsbereich entgegen der Schwerkraft in das Profil des Sperrenrades eingebracht ist. Durch Deaktivieren der Sperrvorrichtung kann der Eingriffsbereich des Sperrelements, insbesondere durch die Schwerkraft, in eine nichtsperrende zum Sperrenrad beabstandete Stellung verbracht werden, in welcher ein Zurückrollen des Fahrzeugs, beispielsweise zum Einparken oder Wenden, zugelassen wird.
Dadurch, dass der Eingriffsbereich durch eine Bewegung entgegen der Schwerkraft in das Profil des Sperrenrades einbringbar ist, kann zudem vorteilhafterweise eine unbeabsichtigte Aktivierung der Sperrvorrichtung während der Fahrt vermieden und so die Ausfallsicherheit des Systems verbessert werden.
Bei der Antriebseinheit kann es sich sowohl um einen Direktantrieb, beispielsweise einen Radnabenmotor, als auch um eine mit einem Getriebe ausgestattete Antriebseinheit handeln. Unter einem Sperrenrad kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Bauteil verstanden werden, welches um die Rotationsachse drehbar gelagert ist. Dabei kann unter im Wesent- liehen verstanden werden, dass das Bauteil insbesondere profilbedingt von einem idealen Rotationskörper abweichen kann.
Beispielsweise kann es sich bei dem profilierten Sperrenrad um ein gezahntes und/oder mit Nuten versehenes Rad handeln. Die Zähne beziehungsweise Nu- ten können dabei auf der äußeren Mantelfläche, auf einer inneren Mantelfläche oder auf einer Seitenfläche des Rades ausgebildet sein. Insbesondere kann das profilierte Sperrenrad ein Zahnrad, beispielsweise ein Stirnrad, ein Innenzahnrad, ein Kronrad oder ein Schneckenrad, sein. Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sperrenrad ein Zahnrad. So kann das Sperrenrad auf besonders einfache und kostengünstige Weise ausgestaltet werden. Eine Ausgestaltung in Form eines Zahnrades bietet zudem den Vorteil, dass Zahnräder welche in der Antriebseinheit auch für andere Zwecke dienen, zusätzlich als Sperrenrad verwendet werden können.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Sperrenrad daher ein Teil des Elektromotors, beispielsweise eines Radnabenmotors. Auf den Einbau eines zusätzlichen Sperrenrades kann so vorteilhafterweise verzichtet werden. Dies hat wiederum den Vorteil, dass die Materialkosten sowie das Gewicht der Antriebseinheit optimiert werden können.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Antriebseinheit ein Getriebe. Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist das Sperrenrad ein Getriebezahnrad. Auch so können die Ma- terialkosten sowie das Gewicht der Antriebseinheit optimiert werden.
Das Sperrenrad kann jedoch auch ein zusätzliches Bauteil sein. Beispielsweise kann das Sperrenrad ein zusätzliches im Elektromotor oder im Getriebe ange- ordnetes Bauteil, beispielsweise Zahnrad, sein. Durch ein zusätzliches Sperrenrad kann gegebenenfalls der konstruktive Aufwand verringert werden. Zudem kann ein zusätzliches Sperrenrad vorteilhafterweise hinsichtlich dessen Sperrfunktion optimiert ausgestaltet werden.
Neben einem gezahnten oder mit Nuten versehenen Rad, kann das profilierte Sperrenrad auch ein sonstiges im Wesentlichen rotationssymmetrisches, drehbar gelagertes Bauteil, beispielsweise der Rotor des Elektromotors, sein, welches auf einer äußeren Mantelfläche, einer inneren Mantelfläche oder einer Seitenfläche mit einem Profil, zum Beispiel mit einem oder mehreren Zähnen oder Nuten, versehen ist.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Sperrenrad in Form eines Profils, insbesondere einer Zahnung, auf beziehungsweise in der äußeren oder inneren Mantelfläche des Rotors oder einer Rotorwelle ausgebildet. Dazu kann der Rotor beziehungsweise die Rotorwelle selbst das Sperrenrad darstellen, insbesondere indem das Profil, insbesondere die Zahnung, in der äußeren oder inneren Mantelfläche des Rotors beziehungsweise der Rotorwelle ausgebildet ist. Es ist jedoch ebenso möglich, dass auf der äu ßeren oder inneren Mantelfläche des Rotors beziehungsweise der Rotorwelle ein profiliertes Bauteil, beispielsweise ein Zahnrad, angebracht, beispielsweise aufgesteckt, ist. Diese Ausführungsform hat sich insbesondere für Direktantriebe, wie Radnabenmotoren, als vorteilhaft erwiesen, bei denen das Sperrenrad vorzugsweise einen möglichst großen Wirkdurchmesser aufweisen sollte. Eine einfache Lösung hiervon kann durch eine umgeformte Verzahnung im radial ausgelegenen Bereich des Rotors dargestellt werden.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das Sperrenrad und das Sperrelement Teile eines, vorzugsweise (um)schaltbaren, Freilaufme- chanismus. Unter einem Freilaufmechanismus kann insbesondere ein Mechanismus verstanden werden, welcher eine Welle und einen als Sperrenrad fungierenden Außenring aufweist, bei der die Welle auch als Innenring ausgebildet sein kann. Zwischen der Welle und dem als Sperrenrad fungierenden Außen- ring sind ein oder mehrere als Sperrelemente fungierende Rastelemente angeordnet, die eine Drehung der Welle gegenüber dem Außenring in einer ersten Richtung, welche auch als Freilaufrichtung bezeichnet wird, zulassen und eine Drehung der Welle gegenüber dem Au ßenring in einer zur ersten umgekehrten zweiten Richtung, welche auch als Sperrrichtung bezeichnet wird, sperren. Unter einem schaltbaren Freilaufmechanismus kann ein Freilaufmechanismus verstanden werden, bei welchem das oder die Rastelemente in unterschiedliche Stellungen gebracht werden können. Bei einem einfachen schaltbaren Freilaufmechanismus können das oder die Rastelemente zum Beispiel in eine nichtsperrende Stellung, in der die Welle in beide Richtungen gegenüber dem Außenring drehbar ist, und in eine sperrende Stellung gebracht werden, in welcher der Freilaufmechanismus die die übliche Funktion eines Freilaufs in Form einer Drehbarkeit der Welle gegenüber dem Außenring in einer Richtung und eine Sperrung gegen eine Drehung in umgekehrter Richtung aufweist.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Freilaufmechanismus jedoch um einen zwischen einer ersten Freilaufrichtung und einer zweiten, zur ersten entgegen- gesetzten Freilaufrichtung umschaltbaren Freilaufmechanismus. Bei einem derartigen umschaltbaren Freilaufmechanismus kann das Rastelement beziehungsweise können die Rastelemente zum Beispiel in eine erste sperrende Stellung, in welcher der Freilaufmechanismus eine Drehbarkeit der Welle gegenüber dem Außenring in der ersten Freilaufrichtung und eine Sperrung gegen eine Drehung in umgekehrter Richtung aufweist, sowie in eine zweite sperrende Stellung gebracht werden, in welcher der Freilaufmechanismus eine Drehbarkeit der Welle gegenüber dem Außenring in der zweiten Freilaufrichtung und eine Sperrung gegen eine Drehung in umgekehrter Richtung aufweist. Darüber hinaus kann das Rastelement beziehungsweise können die Rastelemente in eine nichtsperrende Stellung bringbar sein, in der die Welle in beide Richtungen gegenüber dem Außenring drehbar ist. Ein zwischen zwei Freilaufrichtungen umschaltbarer Freilauf kann vorteilhafterweise sowohl bei positiv (hangauf- wärts) als auch negativ (hangabwärts) geneigten Ebenen eingesetzt werden. Vorzugsweise ist der Freilaufmechanismus zwischen einer Rotorwelle und einem Gehäuse des Elektromotors angeordnet. Vorteilhaft ist, dass hierbei auf den Freilauf eine - verglichen mit einer am Getriebeausgang wirkenden Last - geringe Last wirkt.
Unter einem Sperrelement kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Bauteil verstanden werden, welches einen Bereich, den so genannten Eingriffsbereich, aufweist, welcher durch eine Bewegung, insbesondere entge- gen der Schwerkraft, in das Profil des Sperrenrades einbringbar ist, insbesondere um eine Drehung des Sperrenrades und damit die Sperrvorrichtung zu sperren. Dafür kann das Sperrelement sowohl linear geführt als auch drehbar gelagert sein. Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Sperrelement ein linear geführtes, insbesondere stiftförmiges, Sperrelement. Ein derartig ausgestaltetes Sperrelement hat sich insbesondere in Kombination mit einer elektromagnetischen Betätigung als vorteilhaft erwiesen und kann beispielsweise als Teil eines Freilaufmechanismus eingesetzt werden.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Sperrelement eine Sperrklinke. Unter einer Sperrklinke kann insbesondere eine drehbar gelagerte mechanische Vorrichtung verstanden werden, die einen Eingriffsbereich aufweist, welcher zum Sperren der Sperrvorrichtung in das Profil des Sperren- rades einbringbar ist. Ein derartig ausgestaltetes Sperrelement kann insbesondere als Teil eines Freilaufmechanismus eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Sperrelement in Form einer Sperrklinke von einer nichtsperrenden Stellung, in der das distale Ende der Sperrklinke, der sogenannte Eingriffsbereich, beabstandet unterhalb des Sperrenrades angeordnet ist, in eine sperrende Stel- lung, in der das distale Ende, also der Eingriffsbereich, entgegen der Schwerkraft in das Profil des Sperrenrades eingebracht ist, drehbar sein. Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Sperrelement eine Wippe. Unter einer Wippe kann insbesondere eine mechanische Vorrichtung mit mindesten zwei um eine Dreh- beziehungsweise Kippachse drehbar gelagerten Armen verstanden werden, die einen Eingriffsbereich aufweist, wel- eher zum Sperren der Sperrvorrichtung in das Profil des Sperrenrades einbringbar ist. Auch ein derartig ausgestaltetes Sperrelement kann als Teil eines Freilaufmechanismus eingesetzt werden. Auch ein Sperrelement in Form einer Wippe kann von einer nichtsperrenden Stellung, in der ein distales Ende eines Arms, der sogenannte Eingriffsbereich, beabstandet unterhalb des Sper- renrades angeordnet ist, in eine sperrende Stellung, in der das distale Ende des Arms, also der Eingriffsbereich, entgegen der Schwerkraft in das Profil des Sperrenrades eingebracht ist, drehbar beziehungsweise kippbar sein. Insbesondere kann das Sperrelement ein Kipphebel sein. Unter einem Kipphebel kann eine Wippe bezeichnet werden bei der eine Bewegung eines ersten Arms der Wippe durch Aufbringen einer Kraft auf einen zweiten Arm der Wippe, beispielsweise mittel einer Stange, ausführbar ist.
Das Sperrelement kann beispielsweise mechanisch, elektromotorisch oder e- lektromagnetisch betätigbar ausgelegt sein. Durch eine elektromotorische Betä- tigung kann vorteilhafterweise ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Durch eine mechanische Betätigung sind vorteilhafterweise ein besonders einfacher Aufbau und eine leichte Handhabung möglich.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sperrelement elektro- magnetisch betätigbar. Eine elektromagnetische Betätigung eines Sperrelements benötigt - verglichen mit dem Bestromen des kompletten Elektromotors zur Aufrechterhaltung eines Stillstands des Fahrzeugs auf einer schiefen Ebene - deutlich weniger Strom. Zudem hat eine elektromagnetische Betätigung des Sperrelements Vorteile bezüglich dessen konstruktiver Ausgestaltung. So ist es zum Beispiel möglich, das Sperrelement innerhalb der Sperrenrades anzuordnen und das Sperrelement ohne aufwendige konstruktive Maßnahmen im Inneren des Sperrenrades durch eine elektromagnetische Kraft entgegen der Schwerkraft anzuheben und in ein beispielsweise auf der inneren Mantelfläche profiliertes Sperrenrad, zum Beispiel ein Innenzahnrad, einzubringen und damit die Sperrvorrichtung zu sperren. Ebenso ist natürlich auch eine elektromagnetische Betätigung eines außerhalb, insbesondere unterhalb, des Sperrenrades angeordneten Sperrelements ohne aufwendige konstruktive Maßnahmen mög- lieh.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entspricht die Form des Eingriffsbereichs zumindest teilweise der negativen Profilform, insbesondere der negativen Zahnform beziehungsweise Nutenform, des Sperrenrades. Durch eine entsprechende Form kann vorteilhafterweise eine besonders gute Sperrwirkung erzielt werden. Die Größe des Eingriffsbereichs kann dabei von der Größe der negativen Profilform des Sperrenrades abweichen. Insbesondere kann der Eingriffsbereich eine geringere Größe als die negative Profilform des Sperrenrades aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass das Sperrelement leichter in die negative Profilform eingebracht werden kann.
Die Antriebseinheit kann insbesondere zwei oder mehr profilierte Sperrenräder aufweisen, welche coaxial mit einem Winkelversatz zueinander angeordnet sind, wobei das Sperrelement zum Sperren durch eine Bewegung entgegen der Schwerkraft in die Profile der Sperrenräder einbringbar ist. So kann vorteilhafterweise die Auflösung der Sperrvorrichtung erhöht werden. Der Radumfang eines Fahrzeugrades kann beispielsweise 2 m betragen. Bei einer 1 :10- Untersetzung entspräche dann jede Umdrehung des Motors 20 cm Fahrweg. Bei einem Sperrenrad, beispielsweise einer Klinkenscheibe, mit 1 6 Nuten ergä- be sich hierbei eine Auflösung von 12,5 mm. Durch zwei derartige coaxiale Scheiben mit Winkelversatz könnte dabei eine Auflösung von 6,25 mm beziehungsweise durch drei Scheiben von etwa 4 mm dargestellt werden.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Antriebs- einheit wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den Zeichnungen verwiesen. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
Zum Feststellen des Fahrzeugs, beispielsweise beim Halten des Fahrzeugs in einer schiefen Ebene, kann das Verfahren die Verfahrensschritte:
Detektieren eines Stillstands des Fahrzeugs, insbesondere nach einem Bremsvorgang,
Aufbringen eines Drehmoments auf das Sperrenrad zum Einstellen einer Rastposition des Sperrenrades durch den Elektromotor,
- Einbringen des Eingriffsbereichs des Sperrelements in das Profil des Sperrenrades, und
Entfernen des Drehmoments des Elektromotors,
umfassen. Das Aufbringen eines Drehmoments auf das Sperrenrad zum Einstellen einer Rastposition des Sperrenrades durch den Elektromotor kann insbesondere durch einen Resolver des Elektromotors erfolgen.
Für einen ersten kurzen Augenblick nach dem Stillstand des Fahrzeuges kann der Elektromotor die Position des Fahrzeugs halten. Die Rastposition des Sperrenrades kann beispielsweise über den Resolver elektronisch geregelt werden. Dabei kann der Rotor des Elektromotors in eine optimale Position gestellt werden, in der das Sperrelement ideal unter einer Profilvertiefung, beispielsweise einer Nut, des Sperrenrades steht. Dies kann dadurch vereinfacht werden, dass zwischen der Form des Eingriffsbereichs des Sperrelements und der negativen Profilform des Sperrenrades ein deutliches Spiel eingestellt wird. Auf eine Aktivierung, beispielsweise durch eine Steuereinheit oder durch eine Anweisung des Fahrers, kann das Sperrelement von einer nichtsperrenden Stellung entgegen der Schwerkraft in eine sperrende, in das Profil des Sperrenrades eingrei- fende Stellung gebracht werden. Sobald as Sperrelement in der sperrenden Stellung ist, kann das Drehmoment vom Elektromotor entfernt werden, insbesondere um Energie zu sparen. Bei Elektromotoren mit einer präzisen Drehwinkelmessung kann die Steuereinheit ermitteln, welche der Flanken des Sperrelementes in der sperrenden Stellung belastet ist. Alternativ kann die Erkennung jedoch auch über eine Kraftoder Momentsensorik erfolgen. Insbesondere kann daher die erfindungsgemä- ße Antriebseinheit eine Kraft- oder Momentsensorik zum Detektieren der belasteten Flanke des Sperrelementes beziehungsweise des Eingriffsbereichs in der in das Profil des Sperrenrades eingebrachten Stellung aufweisen.
Zum Anfahren des Fahrzeugs, beispielsweise nach dem Halten des Fahrzeugs in einer schiefen Ebene, kann das Verfahren die Verfahrensschritte:
Aufbringen eines das Sperrelement entlastenden Drehmoments durch den Elektromotor, insbesondere einen Resolver des Elektromotors, und Entfernen des Eingriffsbereichs des Sperrelements aus dem Profil des Sperrenrades,
umfassen.
Ob ein Anfahren vom Fahrer beabsichtigt ist, kann dabei beispielsweise anhand einer Betätigung des Fahrpedals seitens des Fahrers ermittelt werden. Wenn das Fahrzeug nach dem Halten aufwärts fahren soll, wird ein entlastendes Drehmoment ohnehin auf das Sperrenrad aufgebracht und damit das Sperrelement entlastet. Um Materialverschlei ß und Energiebedarf zu minimieren, ist es jedoch besonders vorteilhaft, ein entlastendes Drehmoment auf das Sperrenrad aufzubringen, wenn das Fahrzeug nach dem Halten abwärts fahren soll, insbesondere um dann den Eingriffsbereich des Sperrelements leicht entfernen zu können. Ob ein Anfahren aufwärts oder abwärts erfolgen soll, kann durch eine Drehwinkelmessung des Elektromotors detektiert werden, insbesondere wobei ermittelt wird, welche der Flanken des Sperrelements belastet ist. Alternativ kann die Erkennung über eine Kraft- oder Momentsensorik erfolgen, insbesondere mit welcher die Antriebseinheit ausgestattet sein kann.
Vorzugsweise wird der Eingriffsbereich des Sperrelements während eines Ladevorgang des Fahrzeugs automatisch in das Profil des Sperrenrades einge- bracht. Durch eine automatische Verriegelung während der Ladephase kann vorteilhafterweise ein unbeabsichtigtes Anfahren des Fahrzeugs bei eingestecktem Ladeanschluss vermieden werden. Eine Aktivierung des Sperrelements kann dabei insbesondere durch ein Signal von der Ladevorrichtung erfolgen.
Der Anhaltevorgang kann zum Beispiel wie folgt ablaufen: Der Fahrer bremst das Fahrzeug bis zum Stillstand. Gegebenenfalls löst der Fahrer die Bremse. Der Elektromotor fährt die nächstmögliche Rastposition des Sperrenrades an. Das Sperrelement wird von der nichtgesperrten Stellung in die in dem Profil des Sperrenrades gesperrte Stellung gebracht. Dann wird das Drehmoment vom Motor genommen. Anschließend steht das Fahrzeug, ohne eine aktive Betätigung des Fahr- oder Bremspedals des Fahrers.
Der Anfahrvorgang kann zum Beispiel wie folgt ablaufen: Bei Betätigung des Fahrpedals durch den Fahrer wird der Elektromotor aktiviert und der Eingriffsbereich des Sperrelements aus dem Sperrenrad gezogen. Wenn das Fahrzeug ausgehend von der gesperrten Stellung hangaufwärts fahren soll, wird das Sperrelement vorteilhafterweise ohnehin entlastet und kann leicht gelöst werden. Wenn das Fahrzeug ausgehend von der gesperrten Stellung hangabwärts fahren soll, wird vorzugsweise der Motor zunächst rückwärts angesteuert. Auf diese Weise kann das Sperrelement entlastet und ebenfalls leicht gelöst werden.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit und den Zeichnungen verwiesen.
Zeichnungen Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Sperrvorrichtung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit; und
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebeinheit.
Figur 1 zeigt, dass die Sperrvorrichtung ein als Zahnrad ausgeführtes profiliertes Sperrenrad 22 und ein stiftförmiges, linear geführtes Sperrelement 24 aufweist. Alternativ dazu kann das Sperrelement auch drehbar gelagert, beispielsweise in Form einer Sperrklinke, Wippe und/oder eines Kipphebels, ausgeführt sein (nicht dargestellt). Figur 1 veranschaulicht, dass das Sperrelement 24 einen Eingriffsbereich 26 aufweist welcher von einer nichtsperrenden, zum Sperrenrad 22 beabstandeten Stellung entgegen der Schwerkraft in eine sperrende Stellung bewegbar ist, in welcher der Eingriffsbereich 26 in das Profil des Sperrenrades 22 eingebracht ist. Das Betätigen des Sperrelementes 24 erfolgt dabei vorzugsweise elektromagnetisch.
Figur 1 zeigt, dass das Sperrenrad 22 auf der äußeren Mantelfläche Zähne und dazwischen liegende Nuten aufweist. Bei dem Sperrenrad 22 kann es sich sowohl um ein ohnehin vorhandenes Rad, beispielsweise um ein Getriebezahn- rad, als auch um ein zusätzliches Rad, beispielsweise ein durch einen zusätzlichen Nutenkranz erweitertes Getriebezahnrad, handeln.
Figur 1 illustriert, dass das Sperrelement 24, welches in der dargestellten Ausgestaltung auch als Rastierstift bezeichnet werden kann, im Eingriffsbereich 26 eine Form aufweist, welche der negativen Profilform, insbesondere der negativen Zahnform beziehungsweise Nutenform, des Sperrenrades 22 entspricht, wobei der Eingriffsbereich des Sperrelementes 24 jedoch eine geringere Größe aufweist, insbesondere schmaler ausgestaltet ist, als das negative Profil des Sperrenrades 22. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhafterweise sowohl ein leichtes Einbringen des Sperrelementes 24 in das Profil des Sperrenrades 22 als auch ein guter Formschluss erzielt werden. Figur 2 zeigt, dass die erfindungsgemäße Antriebseinheit im Rahmen dieser Ausführungsform einen ein Fahrzeugrad 10 antreibenden Elektromotor 20 sowie ein Getriebe 30 umfasst. Figur 2 veranschaulicht zudem, dass sowohl zwischen dem Elektromotor 20 und dem Getriebe 30 als auch zwischen dem Getriebe 30 und dem Fahrzeugrad 10 eine Drehbewegungsübertragung vorliegt. Beispielsweise durch die in Figur 1 gezeigte Sperrvorrichtung ist hierbei die Übertragung der Drehbewegung von dem Elektromotor 20 auf das Fahrzeugrad 10.
Die Pfeile symbolisieren mögliche Einbaupositionen für eine solche Sperrvor- richtung. Der linke Pfeil veranschaulicht, dass eine Sperrvorrichtung im Motor 20 oder am Motorausgang ausgebildet sein kann. Ein Einsatz direkt am Motor 20 hat den Vorteil, dass sich die Übersetzung vorteilhaft auf die darstellbare Positionierungsgenauigkeit der Rastposition des Sperrenrades 22 auswirkt. Außerdem ist das zu blockierende Drehmoment bei einem Einsatz der Sperr- Vorrichtung am oder im Motor 20 um das Untersetzungsverhältnis geringer als am Fahrzeugrad.
Der mittlere Pfeil veranschaulicht, dass die Sperrvorrichtung am Eingang des Getriebes 30 ausgebildet sein kann.
Der rechte Pfeil veranschaulicht, dass die Sperrvorrichtung auch am Ausgang des Getriebes 30 ausgebildet sein kann.
Darüber hinaus ist natürlich auch eine Ausbildung des Sperrenrades innerhalb des Getriebes, insbesondere in Form eines Getriebezahnrades, möglich.
Bezugszeichenliste
10 Fahrzeugrad Elektromotor Getriebe Sperrenrad Sperrelement Eingriffsbereich

Claims

Patentansprüche
Antriebseinheit für ein Fahrzeug, umfassend einen ein Fahrzeugrad (10) antreibenden Elektromotor (20) mit einem Rotor, wobei die Übertragung der Drehbewegung von dem Elektromotor (20) auf das Fahrzeugrad (10) durch eine Sperrvorrichtung sperrbar ist, wobei die Sperrvorrichtung ein profiliertes Sperrenrad (22) und ein Sperrelement (24) aufweist, wobei das Sperrelement (24) einen Eingriffsbereich (26) aufweist, wobei der Eingriffsbereich (26) zum Sperren der Sperrvorrichtung durch eine Bewegung entgegen der Schwerkraft in das Profil des Sperrenrades (22) einbringbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 , wobei das Sperrelement (24) elektromagnetisch betätigbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sperrenrad (22) ein Zahnrad ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Sperrelement (24) ein linear geführtes, insbesondere stiftförmiges, Sperrelement oder eine Sperrklinke oder eine Wippe, insbesondere ein Kipphebel, ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Sperrenrad (22) ein Teil des Elektromotors oder ein zusätzliches im Elektromotor angeordnetes Bauteil ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 5, wobei das Sperrenrad (22) in Form eines Profils auf beziehungsweise in der äußeren oder inneren Mantelfläche des Rotors oder einer Rotorwelle ausgebildet ist. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Antriebseinheit ein Getriebe (30) umfasst, insbesondere wobei das Sperrenrad (22) ein Getriebezahnrad oder ein zusätzliches im Getriebe angeordnetes Bauteil ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sperrenrad (22) und das Sperrelement (24) Teile eines, insbesondere schaltbaren, Freilaufmechanismus sind, insbesondere wobei der Freilaufmechanismus ein zwischen einer ersten Freilaufrichtung und einer zweiten, zur ersten entgegengesetzten Freilaufrichtung umschaltbarer Freilaufmechanismus ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Form des Eingriffsbereichs (26) zumindest teilweise der negativen Profilform des Sperrenrades (22) entspricht.
Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei das Verfahren zum Feststellen des Fahrzeugs, beispielsweise beim Halten des Fahrzeugs in einer schiefen Ebene, die Verfahrensschritte:
- Detektieren eines Stillstands des Fahrzeugs, insbesondere nach einem Bremsvorgang,
- Aufbringen eines Drehmoments auf das Sperrenrad (22) zum Einstellen einer Rastposition des Sperrenrades (24) durch den Elektromotor (20), insbesondere einen Resolver des Elektromotors,
- Einbringen des Eingriffsbereichs (26) des Sperrelements (24) in das Profil des Sperrenrades (22), und
- Entfernen des Drehmoments des Elektromotors (20),
umfasst, und/oder wobei das Verfahren zum Anfahren des Fahrzeugs, beispielsweise nach dem Halten des Fahrzeugs in einer schiefen Ebene, die Verfahrensschritte:
- Aufbringen eines das Sperrelementes entlastenden Drehmoments durch den Elektromotor, insbesondere einen Resolver des Elektromotors, und
- Entfernen des Eingriffsbereichs (26) des Sperrelements aus dem Profil des Sperrenrades (22),
umfasst, und/oder
wobei der Eingriffsbereich (26) des Sperrelements (24) während eines
Ladevorgang des Fahrzeugs automatisch in das Profil des Sperrenrades (22) eingebracht wird.
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