WO2020030227A1 - Elektromechanische antriebsanordnung für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Elektromechanische antriebsanordnung für ein kraftfahrzeug Download PDF

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WO2020030227A1
WO2020030227A1 PCT/DE2019/100712 DE2019100712W WO2020030227A1 WO 2020030227 A1 WO2020030227 A1 WO 2020030227A1 DE 2019100712 W DE2019100712 W DE 2019100712W WO 2020030227 A1 WO2020030227 A1 WO 2020030227A1
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WO
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drive
rotor
drive arrangement
auxiliary unit
switching element
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PCT/DE2019/100712
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Inventor
Andrea Reichert
Martin Dressel
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K1/00—Arrangement or mounting of electrical propulsion units
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K2001/001—Arrangement or mounting of electrical propulsion units one motor mounted on a propulsion axle for rotating right and left wheels of this axle
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    • B60K25/00—Auxiliary drives
    • B60K2025/005—Auxiliary drives driven by electric motors forming part of the propulsion unit

Definitions

  • the invention relates to an electromechanical drive arrangement for a motor vehicle with an electromechanical main drive motor provided for driving the motor vehicle, which comprises a rotor and a stator, a reduction gear device which is kinematically coupled to the rotor, an axle differential gear for branching the Output of the reduction gear device applied drive power to a first and a second wheel drive section and at least one auxiliary unit, for example in the form of a power steering pump, an air conditioning compressor or a pump for a coolant circuit that is routed via a battery module, whereby that auxiliary unit can be driven via the main drive motor.
  • an electromechanical main drive motor provided for driving the motor vehicle, which comprises a rotor and a stator, a reduction gear device which is kinematically coupled to the rotor, an axle differential gear for branching the Output of the reduction gear device applied drive power to a first and a second wheel drive section and at least one auxiliary unit, for example in the form of a power steering pump, an air conditioning compressor or a pump for
  • An electromechanical drive arrangement of the type mentioned above is known from DE 10 2012 010 171 A1.
  • the main drive motor is composed of two coaxial sub-motors, the outputs of which are routed to two separate inputs of an epicyclic gear train.
  • the auxiliary unit provided in this drive arrangement is arranged coaxially to the axis of the inner sub-motor and kinematically coupled to its rotor.
  • the invention has for its object to show solutions by which it is possible to create an electromechanical drive arrangement for a purely electrically operated motor vehicle, which is characterized by an advantageously realizable overall structure and which can be operated advantageously from an energy point of view.
  • Solution according to the invention is characterized by an advantageously realizable overall structure and which can be operated advantageously from an energy point of view.
  • an electromechanical drive arrangement with:
  • an electromechanical main drive motor comprising a rotor and a stator
  • a reduction gear device which comprises a gear input, a gear output, at least one reduction stage and a gear housing which houses the reduction stage,
  • an axle differential gear for branching the drive power passed through the reduction stage to a first and a second wheel drive train section
  • the auxiliary unit is arranged outside the transmission housing,
  • a switching element is provided in the transmission housing
  • the switching element is designed and integrated into the drive arrangement in such a way that the drive connection between the rotor and the axle differential can be switched and disconnected, and the auxiliary unit can be driven via the rotor when the drive connection between the rotor and the axle differential is released is.
  • a drive arrangement for a purely electromechanically operated motor vehicle in which an auxiliary unit arranged outside the transmission housing is coupled to the main drive train via a switchable device provided in the transmission housing, so that the auxiliary unit is driven by the vehicle when the vehicle is in operation is connected to the drive train section leading to the axle differential and, in addition, the auxiliary unit can continue to be driven by the main drive motor when the vehicle is at a standstill.
  • the switching element is preferably designed and integrated into the drive arrangement such that it can be brought into a state in which the drive connection between the rotor and the axle differential gear is broken and the auxiliary unit is driven via the axle differential gear in vehicle overrun mode.
  • a positive or frictional clutch device and / or a freewheel device can be provided in the switching element.
  • an electronic control device is provided, the switching state of the switching element being set via this control device, the control device taking into account the current operating state of the vehicle and setting the switching state in accordance with a control concept that takes the overall energy efficiency into account.
  • the control device can take into account the current or a modeled thermal state of the battery system, the thermal energy required to heat the vehicle interior, the cooling power requirement and the energy requirement of the auxiliary unit, and then use this input information to bring about switching states which, for example, cause the vehicle to overrun energy that can be tapped from this is used as efficiently as possible and without conversion losses to cover the energy requirements of the auxiliary unit.
  • the control device can take into account the speeds at which the unit arranged outside the transmission housing would be driven when the switching element is switched through and, for example, first of all undertake energy regeneration parallel to the operation of the auxiliary unit via the temporarily driven main drive motor, and use the tapped power primarily for the drive of the auxiliary unit only at slower run-down speeds of the vehicle.
  • Mixed states can also be set temporarily in which, in overrun mode, both a direct mechanical drive of the auxiliary units from the overrun power and also recuperation via the electric motor are carried out.
  • the control device can, in particular, be designed and configured such that when the auxiliary unit requires power, it is primarily covered by power take-off from the axle differential when the vehicle is coasting.
  • the auxiliary unit is preferably designed such that this auxiliary unit has an input shaft and this input shaft is arranged coaxially with the axis of rotation of the rotor of the electric motor.
  • the auxiliary unit can be attached to the transmission housing directly from the outside, so that its input shaft either penetrates into the transmission housing to a corresponding connection point or engages there in a connection geometry. It is also possible to arrange the auxiliary unit via a linkage of the strut arrangement in the vicinity of the transmission housing and to lead a shaft section out of the transmission housing or to provide a suitable drive wheel there, in particular for a belt drive.
  • the drive arrangement according to the invention can also be designed such that the input shaft of the auxiliary unit is arranged offset parallel to the rotational axis of the rotor of the electric motor.
  • the power transfer can then be accomplished by a drive train section running outside of the transmission housing, in particular in the form of a belt drive.
  • the drive arrangement can also be designed such that it comprises two auxiliary units and one of the auxiliary units with its input shaft is coaxial with the rotary axis of the rotor and the second auxiliary unit is arranged offset parallel to this rotary axis.
  • the switching element is preferably designed in such a way that a drive connection to the axle differential gear can be established and canceled via it.
  • the switching element is preferably arranged between the electric motor and the reduction stage or integrated into the reduction stage.
  • the reduction stage can be designed as a spur gear stage which has a first spur gear which is arranged coaxially with the rotor axis, the power transfer to the axle differential gear being then preferably effected directly by the second spur gear.
  • the reduction stage can also be designed as an epicyclic gear transmission and in turn can be designed such that it offers at least two different transmission ratios in a switchable manner.
  • this belt drive in particular as a toothed belt, as a flat or V-belt, or in particular as a poly belt.
  • V belt can be formed.
  • the drive arrangement can also be designed in such a way that it includes a freewheel device and that this freewheel device allows the input shaft of the auxiliary unit to be driven by the energy that can be tapped from the axle differential gear when the vehicle is coasting and thereby overtakes the rotor shaft.
  • the switching element is preferably designed as a positive and / or frictionally coupling switching element.
  • the switching element can also be formed in interaction with a transmission device, the switching state of which is determined by defining / releasing a transmission element, e.g. a Flohlrades is adjustable.
  • the reduction gear device can also be designed as a multi-stage switchable gear device.
  • the drive arrangement according to the invention is a purely electrical drive arrangement in which the main drive power is provided by the electric motor.
  • the drive arrangement does not include an internal combustion engine.
  • the electric motor can advantageously be manufactured as an initially independent assembly and then connected to the transmission housing as part of the assembly of the drive arrangement. It is also possible to provide at least a part of the motor housing, in particular in the form of a pot housing section, through the gear housing.
  • the axle differential gear can be constructed in such a way that it includes its own differential gear housing, which then connects directly to the reductor housing. ons gear device is connected. It is also possible to still accommodate the axle differential gear in the gear housing, or to manufacture the axle differential gear housing integrally with the housing of the reduction gear.
  • the inventive concept allows the same units such as water pump, air conditioning compressor and power steering pump to be operated in an energetically advantageous manner when the vehicle is at a standstill and in overrun mode.
  • the present invention proposes a novel connection of the auxiliary units. This consists in connecting the ancillary units to the transmission in conjunction with "intelligent" switching elements, which make it possible to connect the ancillary units depending on the operating state of the vehicle and / or the drive motor (s) and / or the battery charge state and / or of external factors (eg temperature) to always operate in the most energy-efficient mode. This is guaranteed by the fact that the auxiliary units are driven via the gear shaft when the vehicle is moving. In particular, the vehicle's kinetic energy can also be used.
  • the mechanical drive also offers significant advantages in the overall efficiency chain compared to purely electrified units.
  • the drive When the vehicle is stationary, the drive is electrical via the direct connection to the electric motor. The connection of the units to the transmission shaft is released, which reduces friction losses.
  • This mode of operation enables the provision of comfort functions such as stationary air conditioning when the vehicle is stationary or the securing of necessary functions such as Operation of the battery cooling circuit via a water pump for after-cooling after parking the vehicle.
  • the concept according to the invention enables energy consumption to be reduced by auxiliary units in purely electrically driven vehicles and leads to an increase in the vehicle range.
  • the drive arrangement of an electric vehicle comprises a purely electric drive machine with a transmission and at least one auxiliary unit.
  • the gear unit can be operated in accordance with the illustration described below. only include the final drive and the differential, but it can alternatively also have other gear stages.
  • At least one auxiliary unit arranged outside the gear housing is selectively coupled to the electric drive machine via a switching element located in the gear housing. At least three “paths” can be switched using this switching element.
  • the power flows to the auxiliary unit via a first path (when the vehicle is stationary). Only the transmission is supplied with power via the second path. Power flows from the differential to the auxiliary unit via the third path (drive via the gear shaft).
  • the rotor axes of the electric drive machine and the auxiliary unit can be arranged coaxially to one another or parallel to the axis.
  • a second or further auxiliary unit is optionally arranged coaxially or axially parallel to one another and connected to one another via a further gear stage.
  • Auxiliary units arranged axially parallel to one another can, for example, be connected to one another in a geared manner via a traction mechanism drive.
  • FIG. 1 shows a first schematic illustration to illustrate the structure of an electromechanical drive arrangement according to the invention with an auxiliary unit arranged outside the transmission housing and thereby coaxially with the electric motor, and one for coupling it selectively to the electric motor and to the axle differential.
  • the drive train section provided in the transmission integrated switching element;
  • FIG. 2 shows a second schematic illustration to illustrate the construction of an electromechanical drive arrangement according to the invention, likewise with an auxiliary unit arranged outside the transmission housing, and with a coupling provided for the selective coupling thereof with the electric motor and the drive train section leading to the axle differential the transmission integrated switching element, but here the auxiliary unit is arranged offset axially parallel with respect to the rotor axis;
  • FIG. 3 shows a third schematic representation to illustrate the construction of an electromechanical drive arrangement according to the invention with two auxiliary units arranged outside the transmission housing, as well as one for the selective coupling thereof to the electric motor and the transmission-internal shifting element leading to the axle differential section, here one of the auxiliary units to the rotor axis of the Electric motor is coaxial and the other auxiliary unit is staggered axially parallel;
  • FIG. 4 shows a fourth schematic representation to illustrate the mode of operation and the switching states of the drive arrangement according to the invention in different vehicle operating states.
  • FIG. 1 shows an electromechanical drive arrangement with an electromechanical main drive motor E, which comprises a rotor ER and a stator ES, a reduction gear device GR, which has a gear input GE, a gear output GA, at least one reduction stage GR and a Gearbox housing GH, which houses the reduction stage GR, an axle differential gear AD, for branching the drive power present at the output of the reduction gear device GR to a first and a second wheel drive train section DL, DR, and an auxiliary unit AUX1, which via the main drive motor E can be driven.
  • the auxiliary unit AUX1 can in particular be an air conditioning compressor, a power steering pump or a cooling water pump for cooling a battery module and for heating the vehicle interior of a corresponding motor vehicle.
  • the drive arrangement according to the invention is characterized in that the auxiliary unit AUX1 is arranged outside the transmission housing GH and a switching element SE is provided in the transmission housing GH and the switching element SE is designed and integrated into the drive arrangement such that the The drive connection between the rotor ER and the axle differential gear AD is switchably closable and separable, and the auxiliary unit AUX1 can be driven selectively via the rotor ER when the drive connection between the rotor ER and the axle differential gear AD is canceled.
  • the auxiliary unit AUX1 has an input shaft E1 and this input shaft E1 is arranged coaxially with the rotational axis X of the rotor ER of the electric motor E.
  • the switching element SE is designed such that a drive connection to the axle differential gear AD can be established.
  • the switching element SE is directly integrated into the reduction stage GR.
  • the reduction stage GR is designed here as a spur gear stage and the switching element SE enables a first spur gear G1, which is small in diameter, to be coupled to the rotor shaft RS.
  • the switching element SE is designed as a switching element SE coupling in a form-locking or frictionally locking manner.
  • the actuators provided for setting the respective switching state are not shown further here, they can be integrated in the switching element and in particular as electromagnetic, purely mechanical, as actuator actuators or also as fluid mechanical actuators (For example, ring pistons for the axial loading of clutch plates or axial displacement of clutch elements).
  • the electric motor E and the reduction gearbox GR are integrated in a common housing device GH, the axle differential gear is connected to this housing device GH or also integrated.
  • the auxiliary unit AUX1 is located outside the housing device GH.
  • the transmission G is connected on the input side to at least one electric drive motor E and on the output side to at least one vehicle axle DL, DR.
  • the gearbox G comprises one or more shafts in which a planetary gear set can be integrated or which are connected to one another by spur gear stages or planetary gear sets.
  • the auxiliary unit AUX1 On the rotor shaft RS of the drive motor E, which leads to the gearbox G, the auxiliary unit AUX1, such as e.g. an air conditioning compressor, a water pump or similar tethered.
  • the switching element SE provides three coupling functions S1, S2, S3. The coupling function couples the rotor to the axle differential AD by coupling the small spur gear G1 to the rotor shaft RS.
  • the coupling function S2 couples the rotor shaft RS to the input shaft E1 of the auxiliary unit AUX1 and the coupling function S3 couples the axle differential AD or the small spur gear G1 to the input shaft E1 of the auxiliary unit AUX1 in overrun mode. Further details will be given in connection with Figure 4.
  • FIG. 2 again shows an electromechanical drive arrangement with an electromechanical main drive motor E, which comprises a rotor ER and a stator ES, a reduction gear device G, a gear input GE, a gear output GA, at least one reduction stage GR and a gear housing GH, which houses the reduction stage GR, an axle differential gear AD, for branching the drive power present at the output of the reduction gear device to a first and a second wheel drive train section DL, DR, and an auxiliary unit AUX1 which can be driven via the main drive motor E.
  • an electromechanical main drive motor E which comprises a rotor ER and a stator ES, a reduction gear device G, a gear input GE, a gear output GA, at least one reduction stage GR and a gear housing GH, which houses the reduction stage GR, an axle differential gear AD, for branching the drive power present at the output of the reduction gear device to a first and a second wheel drive train section DL, DR, and an auxiliary unit AUX
  • auxiliary unit AUX1 is arranged outside the transmission housing, but a switching element SE is provided within the transmission housing GH and the switching element SE is designed and integrated into the drive arrangement in such a way that the drive connection between it is connected to it Rotor ER and the axle differential gear AD can be switched, closed and disconnected and the auxiliary unit AUX1 can be driven via the rotor ER when the drive connection between the rotor ER and the axle differential gear AD is canceled.
  • the auxiliary unit AUX1 is integrated into the drive arrangement such that the input shaft E1 of the auxiliary unit AUX1 is offset parallel to the rotor axis X.
  • a traction mechanism drive TM This comprises a first traction wheel TM1 and a second traction wheel TM2 and a traction device TM3 designed as a belt or chain.
  • the first traction wheel TM1 is arranged coaxially with the rotor axis X and can be coupled to the rotor shaft or the first spur gear G1 of the reduction stage via the switching element SE.
  • the switching element SE is integrated in the reduction stage GR, in particular the first spur gear G1 thereof.
  • This first spur gear G1 engages radially from the outside in a second spur gear G2 of the reduction stage RG.
  • This second spur gear G2 forms the large or ring gear of the axle differential gear AD and is connected torsion-proof to the revolving housing UH or web of the axle differential gear AD.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 3 shows a third variant of an electromechanical drive arrangement according to the invention with an electromechanical main drive motor E which comprises a rotor ER and a stator ES, a reduction gear device G which has a gear input GE, a gear output GA, at least one reduction stage GR and a gear housing GH, which houses the reduction stage, an axle differential gear AD, for branching the drive power present at the output of the reduction gear device to a first and a second wheel drive train section DL, DR, and a first Auxiliary unit AUX1 and a second auxiliary unit AUX2, both of which can be driven by the main drive motor E.
  • an electromechanical main drive motor E which comprises a rotor ER and a stator ES, a reduction gear device G which has a gear input GE, a gear output GA, at least one reduction stage GR and a gear housing GH, which houses the reduction stage, an axle differential gear AD, for branching the drive power present at the output of the reduction
  • This drive arrangement according to the invention is characterized in that both auxiliary units AUX1, AUX2 are arranged completely outside the transmission housing GH and, however, in the transmission housing GH a switching element SE is provided which is relevant for the operation of these external auxiliary units AUX1, AUX2, whereby the switching element SE is designed and integrated into the drive arrangement in such a way that the drive connection between the rotor ER and the axle differential gear AD is switchably closable and separable, and the auxiliary units AUX1, AUX2 can be driven via the rotor ER when the drive connection between the rotor ER and the axle differential gear AD is canceled.
  • the first auxiliary unit AUX1 has an input shaft E1 and this input shaft E1 is arranged coaxially with the rotational axis X of the rotor ER of the electric motor E.
  • the second auxiliary unit AUX2 is integrated into the drive arrangement in such a way that the input shaft E2 of the auxiliary unit AUX2 is arranged offset parallel to the rotor axis X.
  • a traction mechanism drive TM running outside the gear housing.
  • the first traction center wheel TM1 is arranged coaxially with the rotor axis X and can be coupled to the rotor shaft or the first spur gear G1 of the reduction stage via the switching element SE.
  • the kinematic connection of the external auxiliary unit AUX1 or both external auxiliary units AUX1, AUX2 via a belt or chain drive, one of the drive wheels TM1, TM2 (here TM1) or one of the drive pulleys is connected coaxially and the external traction mechanism drive TM is arranged axially parallel to the electric motor shaft.
  • the belt drives can advantageously be equipped with conventional guide and deflection and / or tensioning rollers.
  • the connection of the unit AUX1 to the motor shaft RS by incorporating the switching element SE has the advantage that the torque transmission from the electric motor to the unit AUX1 takes place over a short distance, thus reducing losses.
  • the electric motor E or the “electric machine” are integrated in the GH gearbox, which enables a space-saving design.
  • the auxiliary unit AUX1 or the auxiliary units AUX1, AUX2 are arranged outside the transmission housing.
  • the auxiliary unit AUX1 is coaxially releasably connected to the motor shaft RS coaxially via a switching element SE.
  • the switching element SE can be active, e.g. as magnetic coupling, as well as passive, e.g. Freewheel, be connectable or detachable.
  • this one switching element SE enables the decoupling of the electric motor and the unit, independently of one another or simultaneously, from the transmission and thus from the drive train of the vehicle. This functional integration reduces the number of components to a minimum.
  • the switching element SE can contain constant or variable step-up / step-down levels, such as a planetary gear set.
  • the switching element SE can simultaneously have a damping or decoupling effect on the drive train and / or units, e.g. using a spring-damper element similar to a dual-mass flywheel.
  • the switching element SE can e.g. also be integrated into the interior of a gear of the GR gear stage.
  • the illustration according to FIG. 4 illustrates the functioning of the drive arrangement according to the invention in connection with selected vehicle operating states.
  • the switching element SE is designed here in such a way that it can provide three coupling functions S1, S2, S3.
  • the first coupling function S1 enables power transfer from the electric motor E to the axle differential AD.
  • the second coupling function enables power to be transferred from the electric motor E to the auxiliary unit AUX1.
  • the third coupling function enables power transfer from the axle differential AD to the auxiliary unit AUX1.
  • the coupling functions S1, S2, S3 of the switching element SE are illustrated in accordance with the different operating states via tables T1 and T2.
  • the electric motor E is active and the switching element SE provides the coupling function S1, according to which the torque of the rotor shaft is guided to the axle differential via the reduction gear stage GR. If the auxiliary unit AUX1 is to be active in this state, the coupling functions S2 and S3 are also provided.
  • the coupling function S1 and the coupling function S3 are activated.
  • the electric motor E now converts the power in recuperation mode and also mechanically drives the auxiliary unit AUX1 directly by tapping the power from the axle differential AD.
  • the switching element SE can assume any state, since in this state no specific coupling function is required per se.
  • the coupling functions S1, S2 can be accomplished via a form-locking coupling element or correspondingly activatable clutches.
  • the coupling function S3 can also be carried out by a freewheel and thus arise automatically when the vehicle is coasting.
  • the coupling functions S1, S2, S3 can be provided by individually controllable coupling systems, which are preferably designed as friction-locking coupling systems and can therefore be brought into the switching state required by the control device essentially smoothly and without noise and without any need for synchronization.
  • An embodiment, for example, as a claw coupling is also conceivable.
  • a transmission is provided which is connected on the input side to at least one electric drive motor and on the output side to at least one vehicle axle.
  • the transmission preferably consists of one or more shafts in which a planetary gear set can be integrated or which are connected to one another by spur gear stages or planetary gear sets.
  • an auxiliary unit such as an air conditioning compressor, water pump or the like. connected (see FIG. 1).
  • a connection is also possible, for example by means of a belt, one of the drive pulleys being connected coaxially and the traction mechanism drive being arranged axially parallel to the electric motor shaft (FIG. 2).
  • the belt drive can be equipped with conventional deflection and / or tensioning rollers.
  • the connection of the unit to the motor shaft has the advantage that the torque transmission from the electric motor to the unit takes place over a short distance, thus reducing losses.
  • At least the auxiliary unit (s), optionally also the electric machine, are arranged outside the gear housing. This enables the use of auxiliary units already known from the conventional FEAD ("Front End Accessory Drive") without the need to modify and seal them, for example with regard to oil compatibility.
  • the connection can be made using conventional V-ribbed belts or toothed belts and the associated tensioning systems / deflection rollers. This variant represents and offers a particularly favorable solution in the field of belt transmission in terms of friction loss due to the elasticity of the belts a certain decoupling effect compared to chain or gear drive.
  • the auxiliary unit is detachably connected coaxially to the motor shaft via a switching element.
  • the switching element can be active, e.g. Magnetic coupling, as well as passive, e.g. Freewheel, be connectable or detachable.
  • this one switching element enables the electric motor and the unit to be decoupled, independently of one another or simultaneously, from the transmission and thus from the vehicle's drive train.
  • This functional integration reduces the number of components to a minimum.
  • the switching element can contain constant or variable step-up / step-down levels, e.g. a planetary gear set.
  • the switching element can simultaneously have a damping or decoupling effect on the drive train and / or units, e.g. using a spring-damper element similar to an DMF.
  • the switching element can e.g. also be integrated in a gear of a gear stage.
  • the coaxially connected auxiliary unit can also be combined with other auxiliary units, e.g. be connected by means of a chain or toothed belt drive (FIG. 3). All connected auxiliary units can additionally have a further coupling and / or damping and / or decoupling element on their drive shaft. This enables individual operation of each individual unit depending on the operating state of the vehicle and on the other elements. At the same time, the unit can be decoupled from torsional vibrations of the drive train, which ensures more uniform and efficient operation and / or avoids possible negative effects of the connection process on the drive train and thus indirectly on the vehicle.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Antriebsanordnung mit einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor (E), der einen Rotor und einen Stator umfasst, einer Reduktionsgetriebeeinrichtung (G), die einen Getriebeeingang, einen Getriebeausgang, wenigstens eine Reduktionsstufe und ein Getriebegehäuse (GH) umfasst, das die Reduktionsstufe beherbergt, einem Achsdifferentialgetriebe (AD), zur Verzweigung der über die Reduktionsstufe geführten Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radantriebsstrangabschnitt, und einem Nebenaggregat (AUX1) das über den Hauptantriebsmotor antreibbar ist, wobei das Nebenaggregat außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet ist, in dem Getriebegehäuse ein Schaltelement (SE) vorgesehen ist, das Schaltelement derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebunden ist, dass über dieses die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor und dem Achsdifferentialgetriebe schaltbar schließbar und trennbar ist und dabei das Nebenaggregat über den Rotor antreibbar ist, wenn die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor und dem Achsdifferentialgetriebe aufgehoben ist.

Description

Elektromechanische Antriebsanordnunq für ein Kraftfahrzeug
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem für den Antrieb des Kraftfahrzeuges vorgesehenen elektro- mechanischen Hauptantriebsmotor, der einen Rotor und einen Stator umfasst, einer Reduktionsgetriebeeinrichtung, die mit dem Rotor kinematisch gekoppelt ist, einem Achsdifferentialgetriebe, zur Verzweigung der am Ausgang der Reduktionsgetriebe- einrichtung anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radan- triebsstrangabschnitt und wenigstens einem Nebenaggregat z.B. in Form einer Lenk- hilfepumpe, eines Klimakompressors oder einer Pumpe für einen über eine Akkubau- gruppe geführten Kühlmittelkreis, wobei jenes Nebenaggregat über den Hauptan- triebsmotor antreibbar ist.
Aus DE 10 2012 010 171 A1 ist eine elektromechanische Antriebsanordnung der oben genannten Art bekannt. Bei dieser bekannten Antriebsanordnung setzt sich der Hauptantriebsmotor aus zwei koaxial gefügten Teilmotoren zusammen, deren Aus- gänge auf zwei separate Eingänge eines Umlaufrädergetriebes geführt sind. Das in dieser Antriebsanordnung vorgesehene Nebenaggregat ist koaxial zur Achse des in- neren Teilmotors angeordnet und mit dessen Rotor kinematisch gekoppelt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen aufzuzeigen durch welche es möglich wird, eine elektromechanische Antriebsanordnung für ein rein elektrisch be- triebenes Kraftfahrzeug zu schaffen, die sich durch einen vorteilhaft realisierbaren Gesamtaufbau auszeichnet und welche unter energetischen Aspekten vorteilhaft be- treibbar ist. Erfindungsgemäße Lösung
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektromechani- sche Antriebsanordnung mit:
- einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor, der einen Rotor und einen Stator umfasst,
- einer Reduktionsgetriebeeinrichtung, die einen Getriebeeingang, einen Getriebeaus- gang, wenigstens eine Reduktionsstufe und ein Getriebegehäuse umfasst, das die Reduktionsstufe beherbergt,
- einem Achsdifferentialgetriebe, zur Verzweigung der über die Reduktionsstufe ge- führten Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radantriebsstrangab- schnitt, und
- einem Nebenaggregat das über den Hauptantriebsmotor antreibbar ist, wobei
- das Nebenaggregat außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet ist,
- in dem Getriebegehäuse ein Schaltelement vorgesehen ist,
- das Schaltelement derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebunden ist, dass über dieses die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor und dem Achsdifferen- tialgetriebe schaltbar schließbar und trennbar ist und dabei das Nebenaggregat über den Rotor antreibbar ist, wenn die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor und dem Achsdifferentialgetriebe aufgehoben ist.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Antriebsanordnung für ein rein elektromechanisch betriebenes Kraftfahrzeug zu schaffen, bei welcher ein außerhalb des Getriebegehäuses angeordnetes Nebenaggregat über eine im Getriebegehäuse vorgesehene schaltbare Einrichtung an den Hauptantriebsstrang angekoppelt ist, so dass das Nebenaggregat im Fährbetrieb des Fahrzeugs mit dem zum Achsdifferential führenden Antriebsstrangabschnitt verbunden ist und zudem bei Stillstand des Fahr- zeugs das Nebenaggregat weiterhin über den Hauptantriebsmotor angetrieben wer- den kann. Das Schaltelement ist vorzugsweise derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebunden, dass dieses in einen Zustand bringbar ist, in welchem die Antriebsver- bindung zwischen dem Rotor und dem Achsdifferentialgetriebe aufgehoben ist und das Nebenaggregat im Fahrzeugschubbetrieb über das Achsdifferentialgetriebe ange- trieben wird. Hierzu kann in dem Schaltelement eine form- oder reibschlüssige Kupp- lungseinrichtung und/oder auch eine Freilaufeinrichtung vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektronische Steuereinrichtung vorgesehen, wobei über diese Steuereinrichtung der Schaltzustand des Schaltelements eingestellt wird, wobei die Steuereinrichtung hierbei den aktuellen Betriebszustand des Fahrzeuges berücksichtigt und den Schaltzustand nach Maßga- be eines die Gesamtenergieeffizienz berücksichtigenden Regelkonzepts einstellt. Die Steuereinrichtung kann hierbei den aktuellen oder einen modellierten thermischen Zustand des Akkusystems, den Wärmeenergiebedarf zur Heizung des Fahrzeugin- nenraums, den Kühlleistungsbedarf sowie den Energiebedarf des Nebenaggregats berücksichtigen und basierend auf diesen Eingangsinformationen dann Schaltzustän- de herbeiführen die bewirken, dass z.B. im Schubbetrieb des Fahrzeugs aus diesem abgreifbare Energie möglichst effizient und ohne Konversionsverluste zur Deckung des Energiebedarfs des Nebenaggregats herangezogen wird. Die Steuereinrichtung kann dabei die Drehzahlen berücksichtigen mit welchen das außerhalb des Getrie- begehäuses angeordnete Aggregat bei einer Durchschaltung des Schaltelements an- getrieben werden würde und z.B. zunächst eine zum Betrieb des Nebenaggregats pa- rallele Energierekuperation über den temporär generatorisch betriebenen Hauptan- triebsmotor vornehmen, und erst bei langsameren Auslaufgeschwindigkeiten des Fahrzeugs dann die abgreifbare Leistung primär für den Antriebs des Nebenaggregats heranziehen. Temporär können auch Mischzustände eingestellt werden bei welchen im Schubbetrieb sowohl ein direkter mechanischer Antrieb der Nebenaggregate aus der Schubleistung und auch eine Rekuperation über den Elektromotor vorgenommen wird. Die Steuereinrichtung kann insbesondere so ausgelegt und konfiguriert sein, dass bei Leistungsbedarf des Nebenaggregats dieser im Schubbetrieb des Fahrzeu- ges primär durch Leistungsabgriff aus dem Achsdifferentialgetriebe gedeckt wird. Das Nebenaggregat ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieses Nebenaggregat eine Eingangswelle aufweist und diese Eingangswelle zur Umlaufachse des Rotors des Elektromotors gleichachsig angeordnet ist. Das Nebenaggregat kann direkt von außen an das Getriebegehäuse angesetzt sein, so dass dessen Eingangswelle ent- weder in das Getriebegehäuse zu einer entsprechenden Anschlussstelle hin vordringt, oder dort in eine Anschlussgeometrie eingreift. Es ist auch möglich, das Nebenaggre- gat über ein Gestänge der Strebenanordnung in Nachbarschaft zum Getriebegehäuse anzuordnen und aus dem Getriebegehäuse einen Wellenabschnitt herauszuführen oder dort ein geeignetes Antriebsrad, insbesondere für einen Riementrieb vor- zugsehen.
Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung kann auch so ausgebildet sein, dass die Eingangswelle des Nebenaggregats zur Umlaufachse des Rotors des Elektromotors parallel versetzt angeordnet ist. Der Leistungstransfer kann dann durch einen außer- halb des Getriebegehäuses verlaufenden Antriebsstrangabschnitt, insbesondere in Form eines Umschlingungstriebes bewerkstelligt werden. Die Antriebsanordnung kann weiterhin auch derart ausgebildet werden, dass diese zwei Nebenaggregate umfasst und hierbei eines der Nebenaggregate mit seiner Eingangswelle zur Umlaufachse des Rotors gleichachsig und das zweite Nebenaggregat zu dieser Umlaufachse parallel versetzt angeordnet ist.
Das Schaltelement ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass über dieses eine An- triebsverbindung zu dem Achsdifferentialgetriebe herstellbar und aufhebbar ist. Das Schaltelement ist vorzugsweise zwischen dem Elektromotor und der Reduktionsstufe angeordnet oder in die Reduktionsstufe eingebunden.
Die Reduktionsstufe kann als Stirnradstufe ausgebildet werden die ein erstes Stirnrad aufweist, das zur Rotorachse gleichachsig angeordnet ist, wobei wiederum vorzugs- weise durch das zweite Stirnrad dann direkt der Leistungstransfer zum Achsdifferenti- algetriebe bewerkstelligt wird. Die Reduktionsstufe kann auch als Umlaufrädergetriebe ausgebildet sein und hierbei wiederum derart gestaltet sein, dass dieses auf schaltbarem Wege wenigstens zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse bietet.
Wie oben bereits erwähnt ist es möglich, die kinematische Koppelung des Nebenag- gregats mit dem Elektromotor über einen außerhalb des Getriebegehäuses verlaufen- den Umschlingungstrieb zu bewerkstelligen, wobei dieser Umschlingungstrieb insbe- sondere als Zahnriemen, als Flach- oder Keilriemen, oder insbesondere als Poly-V Riemen ausgebildet sein kann.
Die Antriebsanordnung kann auch so gestaltet sein, dass diese eine Freilaufeinrich- tung umfasst und dass diese Freilaufeinrichtung es gestattet, dass im Schubbetriebs des Fahrzeuges die Eingangswelle des Nebenaggregats durch die aus dem Achsdif- ferentialgetriebe abgreifbare Energie getrieben wird und dabei die Rotorwelle überholt.
Das Schaltelement ist vorzugsweise als form- und/oder reibschlüssig koppelndes Schaltelement ausgebildet. Das Schaltelement kann auch im Zusammenspiel mit ei- ner Getriebeeinrichtung gebildet sein, deren Schaltzustand durch Festlegung/Freigabe eines Getriebeglieds, z.B. eines Flohlrades einstellbar ist.
Die Reduktionsgetriebeeinrichtung kann auch als mehrstufig schaltbare Getriebeein- richtung ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ist eine rein elektrische Antriebsanordnung bei welcher die Flauptantriebsleistung durch den Elekt- romotor bereitgestellt wird. Die Antriebsanordnung umfasst keine Brennkraftmaschine. Der Elektromotor kann in vorteilhafter Weise als zunächst eigenständige Baugruppe gefertigt werden und im Rahmen des Zusammenbaus der Antriebsanordnung dann an das Getriebegehäuse angebunden werden. Es ist auch möglich, zumindest einen Teil des Motorgehäuses, insbesondere in Form eines Topfgehäuseabschnitts noch durch das Getriebegehäuse bereitzustellen.
Das Achsdifferentialgetriebe kann so aufgebaut sein, dass dieses ein eigenes Diffe- rentialgetriebegehäuse umfasst das dann unmittelbar an das Gehäuse der Redukti- onsgetriebeeinrichtung angebunden ist. Es ist auch möglich, das Achsdifferentialge- triebe noch in dem Getriebegehäuses unterzubringen, oder das Achsdifferentialge- triebegehäuse integral mit dem Gehäuse des Reduktionsgetriebes zu fertigen.
Durch das erfindungsgemäße Konzept können bei Stillstand des Fahrzeuges, sowie im Schubbetrieb desselben Aggregate wie Wasserpumpe, Klimakompressor und Lenkhilfepumpe energetisch vorteilhaft betrieben werden. Die vorliegende Erfindung schlägt eine neuartige Anbindung der Nebenaggregate vor. Diese besteht in der An- bindung der Nebenaggregate an das Getriebe in Verbindung mit „intelligenten“ Schaltelementen, welche es ermöglichen, die Nebenaggregate abhängig vom Be- triebszustand des Fahrzeugs und/oder des/der Antriebsmotors/Antriebsmotoren und/oder vom Batterieladezustand und/oder von äußeren Faktoren (z.B. der Tempera- tur) immer im energieeffizientesten Modus zu betreiben. Dies wird dadurch gewähr- leistet, dass bei bewegtem Fahrzeug der Antrieb der Nebenaggregate über die Ge- triebewelle erfolgt. Dabei kann insbesondere auch die kinetische Energie des Fahr- zeugs genutzt werden. Außerdem bietet der mechanische Antrieb deutliche Vorteile in der Gesamtwirkungsgradkette gegenüber rein elektrifizierten Aggregaten. Bei stehen- dem Fahrzeug erfolgt der Antrieb elektrisch über die direkte Verbindung zum E-Motor. Dabei wird die Verbindung der Aggregate zur Getriebewelle gelöst, wodurch Rei- bungsverluste reduziert werden. Diese Betriebsweise ermöglicht die Bereitstellung von Komfortfunktionen wie Standklimatisierung bei stillstehendem Fahrzeug oder die Sicherstellung von notwendigen Funktionen wie z.B. Betrieb des Batteriekühlkreislaufs über eine Wasserpumpe für ein Nachkühlen nach Fahrzeugabstellen.
Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht eine Reduzierung des Energieverbrauchs durch Nebenaggregate in rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und führt zu einer Erhöhung der Fahrzeugreichweite.
Erfindungsgemäß umfasst die Antriebsanordnung eines Elektrofahrzeugs eine rein elektrische Antriebsmaschine, mit einem Getriebe und wenigstens ein Nebenaggre- gat. Das Getriebe kann entsprechend der im Folgenden noch beschriebenen Darstel- lungen nur den Final Drive und das Differential beinhalten, es kann alternativ aber auch noch weitere Getriebestufen aufweisen.
Mindestens ein außerhalb des Getriebegehäuses angeordnetes Nebenaggregat wird über ein in dem Getriebegehäuse liegendes Schaltelement mit der elektrischen An- triebsmaschine selektiv gekoppelt. Mittels dieses Schaltelements können wenigstens drei„Pfade“ geschaltet werden. Über einen ersten Pfad fließt die Leistung auf das Nebenaggregat (bei stehendem Fahrzeug). Über den zweiten Pfad wird nur das Ge- triebe mit Leistung versorgt. Über den dritten Pfad fließt Leistung vom Differential zum Nebenaggregat (Antrieb über die Getriebewelle).
Das erfindungsgemäße Konzept kann in unterschiedlichen Ausgestaltungen verwirk- licht werden. So können die Rotorachsen der elektrischen Antriebsmaschine und des Nebenaggregats koaxial zueinander angeordnet sein oder achsparallel. Im Falle der achsparallelen Anordnung besteht eine getriebliche Verbindung zwischen der Rotor- achse der elektrischen Antriebsmaschine und der Rotorachse des Nebenaggregats. Ein zweites oder weiteres Nebenaggregat ist wahlweise koaxial bzw. achsparallel zu- einander angeordnet und über eine weitere getriebliche Stufe miteinander verbunden. Achsparallel zueinander angeordnete Nebenaggregate können beispielsweise über einen Zugmitteltrieb getrieblich miteinander verbunden werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen- den Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung mit einem außerhalb des Getriebegehäuses und dabei zum Elektromotor gleich- achsig angeordnetem Nebenaggregat, sowie einem zu dessen selektiver Koppelung mit dem Elektromotor und dem zum Achsdifferential führen- den Antriebsstrangabschnitt vorgesehenen in das Getriebe integrierten Schaltelement;
Figur 2 eine zweite Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus ei- ner erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung eben- falls mit einem außerhalb des Getriebegehäuses angeordneten Neben- aggregat, sowie einem zu dessen selektiver Koppelung mit dem Elekt- romotor und dem zum Achsdifferential führenden Antriebsstrangab- schnitt vorgesehenen und in das Getriebe integrierten Schaltelement, wobei hier jedoch das Nebenaggregat bezüglich der Rotorachse achspa- rallel versetzt angeordnet ist;
Figur 3 eine dritte Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebsanordnung mit zwei außerhalb des Getriebegehäuses angeordneten Nebenaggregaten, so- wie einem zu deren selektiver Koppelung mit dem Elektromotor und dem zum Achsdifferential führenden Antriebsstrangabschnitt vorgesehenen getriebeinternen Schaltelement, wobei hier eines der Nebenaggregate zur Rotorachse des Elektromotors gleichachsig und das weitere Neben- aggregat achsparallel versetzt angeordnet ist;
Figur 4 eine vierte Schemadarstellung zur Veranschaulichung der Funktionswei- se und der Schaltzustände der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung bei unterschiedlichen Fahrzeugbetriebszuständen.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die Darstellung nach Figur 1 zeigt eine elektromechanische Antriebsanordnung mit einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor E, der einen Rotor ER und einen Stator ES umfasst, einer Reduktionsgetriebeeinrichtung GR, die einen Getriebeein- gang GE, einen Getriebeausgang GA, wenigstens eine Reduktionsstufe GR und ein Getriebegehäuse GH umfasst, das die Reduktionsstufe GR beherbergt, einem Achs- differentialgetriebe AD, zur Verzweigung der am Ausgang der Reduktionsgetriebeein- richtung GR anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radan- triebsstrangabschnitt DL, DR, und einem Nebenaggregat AUX1 das über den Haupt- antriebsmotor E antreibbar ist. Bei dem Nebenaggregat AUX1 kann es sich insbe- sondere um einen Klimakompressor, eine Lenkhilfepumpe oder eine Kühlwasserpum- pe zur Kühlung einer Akkubaugruppe und zur Heizung des Fahrzeuginnenraumes ei- nes entsprechenden Kraftfahrzeuges handeln.
Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ne- benaggregat AUX1 außerhalb des Getriebegehäuse GH angeordnet ist und dabei in dem Getriebegehäuse GH ein Schaltelement SE vorgesehen ist und das Schaltele- ment SE derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebunden ist, dass über dieses die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialge- triebe AD schaltbar schließbar und trennbar ist und dabei das Nebenaggregat AUX1 selektiv über den Rotor ER antreibbar ist, wenn die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetriebe AD aufgehoben ist.
Bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung weist das Nebenaggregat AUX1 eine Eingangswelle E1 auf und diese Eingangswelle E1 ist zur Umlaufachse X des Rotors ER des Elektromotors E gleichachsig angeordnet.
Das Schaltelement SE ist derart ausgebildet, dass über dieses eine Antriebsverbin- dung zu dem Achsdifferentialgetriebe AD herstellbar ist. Das Schaltelement SE ist bei diesem Ausführungsbeispiel direkt in die Reduktionsstufe GR eingebunden. Die Re- duktionsstufe GR ist hier als Stirnradstufe ausgebildet und das Schaltelement SE er- möglicht eine Koppelung eines ersten und hinsichtlich seines Durchmessers kleinen Stirnrades G1 mit der Rotorwelle RS. Das Schaltelement SE ist hierzu als form- oder reibschlüssig koppelndes Schaltelement SE ausgebildet. Die zur Einstellung des je- weiligen Schaltzustands vorgesehenen Aktuatoren sind hier nicht weiter dargestellt, sie können in das Schaltelement integriert sein und insbesondere als elektromagneti- sche, rein mechanische, als Stelltriebaktoren oder auch als fluidmechanische Aktoren (z.B. Ringkolben zur Axialbelastung von Kupplungslamellen oder axialen Verlagerung von Kupplungsorganen) ausgebildet sein.
Der Elektromotor E und das Reduktionsgetriebe GR sind in eine gemeinsame Gehäu- seeinrichtung GH eingebunden, das Achsdifferentialgetriebe ist an diese Gehäuseein- richtung GH angebunden oder ebenfalls integriert. Das Nebenaggregat AUX1 befindet sich außerhalb der Gehäuseeinrichtung GH.
In der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist das Getriebe G eingangsseitig mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor E und abtriebsseitig mit mindestens ei- ner Fahrzeugachse DL, DR verbunden. Das Getriebe G umfasst eine oder mehrere Wellen, in welche ein Planetenradsatz integriert sein kann oder welche mit Stirnrad- stufen oder Planetenradsätzen miteinander verbunden sind. An die Rotorwelle RS des Antriebsmotors E, welche zum Getriebe G führt ist, koaxial zu dieser das Neben- aggregat AUX1 wie z.B. ein Klimakompressor, eine Wasserpumpe o.ä. angebunden. Das Schaltelement SE stellt drei Koppelfunktionen S1 , S2, S3 bereit. Die Koppelfunk- tion koppelt den Rotor mit dem Achsdifferential AD, indem hier das kleine Stirnrad G1 mit der Rotorwelle RS gekoppelt wird. Die Koppelfunktion S2 koppelt die Rotorwelle RS mit der Eingangswelle E1 des Nebenaggregats AUX1 und die Koppelfunktion S3 koppelt im Schubbetrieb das Achsdifferential AD bzw. hier das kleine Stirnrad G1 mit der Eingangswelle E1 des Nebenaggregats AUX1. Näheres hierzu wird in Verbindung mit Figur 4 noch ausgeführt.
Die Darstellung nach Figur 2 zeigt wiederum eine elektromechanische Antriebsanord- nung mit einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor E, der einen Rotor ER und einen Stator ES umfasst, einer Reduktionsgetriebeeinrichtung G, die einen Getriebe- eingang GE, einen Getriebeausgang GA, wenigstens eine Reduktionsstufe GR und ein Getriebegehäuse GH umfasst, das die Reduktionsstufe GR beherbergt, einem Achsdifferentialgetriebe AD, zur Verzweigung der am Ausgang der Reduktionsgetrie- beeinrichtung anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Rad- antriebsstrangabschnitt DL, DR, und einem Nebenaggregat AUX1 das über den Hauptantriebsmotor E antreibbar ist. Auch diese erfindungsgemäße Antriebsanord- nung zeichnet sich dadurch aus, dass das Nebenaggregat AUX1 außerhalb des Ge- triebegehäuses angeordnet ist, jedoch innerhalb des Getriebegehäuses GH ein Schaltelement SE vorgesehen ist und das Schaltelement SE derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebunden ist, dass über dieses die Antriebsverbindung zwi- schen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetriebe AD schaltbar schließbar und trennbar ist und dabei das Nebenaggregat AUX1 über den Rotor ER antreibbar ist, wenn die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetrie- be AD aufgehoben ist.
Bei dieser Variante ist das Nebenaggregat AUX1 derart in die Antriebsanordnung ein- gebunden, dass die Eingangswelle E1 des Nebenaggregats AUX1 zur Rotorachse X parallel versetzt angeordnet ist. Dies wird hier durch einen Zugmitteltrieb TM erreicht. Dieser umfasst ein erstes Zugmittelrad TM1 und ein zweites Zugmittelrad TM2 sowie ein als Riemen oder Kette ausgeführtes Zugmittel TM3. Das erste Zugmittelrad TM1 ist zur Rotorachse X gleichachsig angeordnet und über das Schaltelement SE schalt- bar mit der Rotorwelle oder dem ersten Stirnrad G1 der Reduktionsstufe koppelbar.
Das Schaltelement SE ist in die Reduktionsstufe GR, insbesondere das erste Stirnrad G1 derselben eingebunden. Dieses erste Stirnrad G1 greift radial von außen her in ein zweites Stirnrad G2 der Reduktionsstufe RG ein. Dieses zweite Stirnrad G2 bildet das Groß- oder Tellerrad des Achsdifferentialgetriebes AD und ist hierzu torsionsfest an das Umlaufgehäuse UH oder Steg des Achsdifferentialgetriebes AD angebunden.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 zeigt eine dritte Variante einer erfindungsge- mäßen elektromechanischen Antriebsanordnung mit einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor E, der einen Rotor ER und einen Stator ES umfasst, einer Reduk- tionsgetriebeeinrichtung G, die einen Getriebeeingang GE, einen Getriebeausgang GA, wenigstens eine Reduktionsstufe GR und ein Getriebegehäuse GH umfasst, das die Reduktionsstufe beherbergt, einem Achsdifferentialgetriebe AD, zur Verzweigung der am Ausgang der Reduktionsgetriebeeinrichtung anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radantriebsstrangabschnitt DL, DR, und einem ersten Nebenaggregat AUX1 und einem zweiten Nebenaggregat AUX2 die beide über den Hauptantriebsmotor E antreibbar sind.
Diese erfindungsgemäße Antriebsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass beide Nebenaggregate AUX1 , AUX2 vollständig außerhalb des Getriebegehäuses GH an- geordnet sind und jedoch in dem Getriebegehäuse GH ein für den Betrieb dieser au- ßenliegenden Nebenaggregate AUX1 , AUX2 maßgebliches Schaltelement SE vorge- sehen ist, wobei das Schaltelement SE derart ausgebildet und in die Antriebsanord- nung eingebunden ist, dass über dieses die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetriebe AD schaltbar schließbar und trennbar ist und dabei die Nebenaggregate AUX1 , AUX2 über den Rotor ER antreibbar sind, wenn die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor ER und dem Achsdifferentialgetriebe AD aufgehoben ist.
Bei dieser Variante weist das erste Nebenaggregat AUX1 eine Eingangswelle E1 auf und diese Eingangswelle E1 ist zur Umlaufachse X des Rotors ER des Elektromotors E gleichachsig angeordnet. Das zweite Nebenaggregat AUX2 ist derart in die An- triebsanordnung eingebunden, dass die Eingangswelle E2 des Nebenaggregats AUX2 zur Rotorachse X parallel versetzt angeordnet ist. Dies wird hier wiederum durch einen außerhalb des Getriebegehäuses verlaufenden Zugmitteltrieb TM er- reicht. Dieser umfasst ein außen liegendes erstes Zugmittelrad TM1 und ein zweites Zugmittelrad TM2 sowie ein als Riemen ausgeführtes Zugmittel TM3. Das erste Zug- mittelrad TM1 ist zur Rotorachse X gleichachsig angeordnet und über das Schaltele- ment SE schaltbar mit der Rotorwelle oder dem ersten Stirnrad G1 der Reduktionsstu- fe koppelbar.
Wie in den oben beschriebenen Figuren veranschaulicht ist es möglich, die kinemati- sche Anbindung des außen liegenden Nebenaggregats AUX1 oder beider außenlie- gender Nebenaggregate AUX1 , AUX2 über einen Riemen- oder Kettentrieb zu be- werkstelligen, wobei eines der Antriebsräder TM1 , TM2 (hier TM1 ) bzw. eine der An- triebsscheiben koaxial angebunden ist und der außen verlaufende Zugmitteltrieb TM achsparallel zur E-Motorenwelle angeordnet ist. Die Riementriebe können in vorteil- hafter Weise mit konventionellen Führungs- und Umlenk- und/oder Spannrollen aus- gestattet sein. Die Anbindung des Aggregats AUX1 an die Motorenwelle RS unter Einbindung des Schaltelements SE hat den Vorteil, dass die Momentenübertragung von E-Motor zu Aggregat AUX1 über einen kurzen Weg erfolgt und so Verluste redu- ziert werden. Der Elektromotor E oder die„E-Maschine“ sind dabei in das Getriebege- häuse GH integriert, was eine platzsparende Bauweise ermöglicht. Das Nebenaggre- gat AUX1 oder die Nebenaggregate AUX1 , AUX2 sind außerhalb des Getriebegehäu- ses angeordnet.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 und 3 ist das Nebenaggregat AUX1 gleichachsig koaxial über ein Schaltelement SE mit der Motorwelle RS lösbar verbunden. Das Schaltelement SE kann sowohl aktiv, z.B. als Magnetkupplung, als auch passiv, z.B. Freilauf, koppelbar oder lösbar sein. Gleichzeitig ermöglicht dieses eine Schaltelement SE die Entkopplung des E-Motors und des Aggregats, unabhängig voneinander oder auch gleichzeitig, vom Getriebe und damit vom Antriebsstrang des Fahrzeuges. Durch diese Funktionsintegration wird die Anzahl der Bauteile auf ein Minimum reduziert.
Das Schaltelement SE kann konstante oder variable Über-/Untersetzungsstufen ent- halten, wie z.B. einen Planetenradsatz. Das Schaltelement SE kann gleichzeitig dämpfende oder entkoppelnde Wirkung auf Antriebsstrang und/oder Aggregate ha- ben, z.B. mittels eines Feder-Dämpfer-Elements ähnlich einem Zweimassenschwung- rad. Das Schaltelement SE kann z.B. auch in den Innenbereich eines Zahnrades der Getriebestufe GR eingebunden sein.
Die Darstellung nach Figur 4 veranschaulicht die Funktionsweise der erfindungsge- mäßen Antriebsanordnung in Verbindung mit ausgewählten Fahrzeugbetriebszustän- den. Das Schaltelement SE ist hier derart ausgelegt, dass dieses drei Koppelfunktio- nen S1 , S2, S3 bereitstellen kann. Die erste Koppelfunktion S1 ermöglicht einen Leis- tungstransfer vom Elektromotor E zum Achsdifferential AD. Die zweite Koppelfunktion ermöglicht einen Leistungstransfer vom Elektromotor E zum Nebenaggregat AUX1. Die dritte Koppelfunktion ermöglicht einen Leistungstransfer vom Achsdifferential AD zum Nebenaggregat AUX1. Die Koppelfunktionen S1 , S2, S3 des Schaltelements SE sind entsprechend den unterschiedlichen Betriebszuständen über die Tabellen T1 und T2 veranschaulicht.
In den in der Tabelle T1 angegebenen Betriebszustand 1 ist der Elektromotor E aktiv und das Schaltelement SE stell die Koppelfunktion S1 bereit nach welcher das Dreh- moment der Rotorwelle über die Reduktionsgetriebestufe GR zum Achsdifferential ge- führt wird. Soweit in diesem Zustand das Nebenaggregat AUX1 aktiv sein soll werden auch die Koppelfunktionen S2 und S3 bereitgestellt.
Bei Schubbetrieb des Fahrzeuges gemäß dem Betriebszustand 2 in Tabelle T1 und Schubleistungsüberschuss werden die Koppelfunktion S1 und die Koppelfunktion S3 aktiviert. Nun erfolgt über den Elektromotor E eine Leistungskonversion im Rekupera- tionsbetriebsmodus und zudem ein mechanischer Antrieb des Nebenaggregats AUX1 direkt durch Leistungsabgriff aus dem Achsdifferential AD.
Im sog. Segelbetrieb, also einem sanften Weiterlaufen des Fahrzeuges ohne signifi- kante Bremswirkung gemäß dem Betriebszustand 3 in Tabelle T1 werden die Koppel- funktionen S1 , S2 aufgehoben und nur die Koppelfunktion S3 aktiviert. Nunmehr wird ohne elektrischen Leistungsbezug das Nebenaggregat AUX1 direkt durch das Achs- differential AD getrieben.
Im Standbetrieb des Fahrzeuges nach dem Betriebszustand 4 in der Tabelle T1 wer- den die Koppelfunktionen S1 und S3 deaktiviert und das Nebenaggregat wird über die Koppelfunktion S2 direkt durch den Elektromotor E angetrieben.
Bei Stillstand des Fahrzeuges ohne Aktionsbedarf des Nebenaggregats AUX1 , z.B. beim Parken, wird der Elektromotor E abgeschaltet. In diesem Zustand kann das Schaltelement SE beliebige Zustände einnehmen, da in diesem Zustand an sich keine bestimmte Koppelfunktion gefordert wird. Es ist jedoch möglich auch hier die Koppel- funktionen S1 und S3 zu aktivieren, um ein leicht erhöhtes Haltemoment, eine Bremswirkung bei unbeabsichtigtem Rollen und ggf. eine aktive Bremswirkung durch Ansteuerung des Elektromotors herbeizuführen. Die Koppelfunktionen S1 , S2 können über ein formschlüssig koppelndes Schaltele- ment oder entsprechend aktivierbare Kupplungen bewerkstelligt werden. Die Koppel- funktion S3 kann auch durch einen Freilauf bewerkstelligt werden und sich damit im Schubbetrieb des Fahrzeuges selbsttätig ergeben. Insgesamt können die Koppelfunk- tionen S1 , S2, S3 durch individuell ansteuerbare Kupplungssysteme bereitgestellt werden die vorzugsweise als reibschlüssig koppelnde Kupplungssysteme ausgeführt sind und damit im wesentlichen ruck- und geräuschlos und ohne besonderen Syn- chronisationsbedarf in den von der Steuereinrichtung geforderten Schaltzustand bringbar sind. Eine Ausführung z.B. als Klauenkupplung ist jedoch ebenso denkbar.
Bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist ein Getriebe vorgesehen, welches eingangsseitig mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor und abtriebsseitig mit mindestens einer Fahrzeugachse verbunden ist. Das Getriebe besteht vorzugsweise aus einer oder mehreren Wellen, in welche ein Planetenradsatz integriert sein kann oder welche mit Stirnradstufen oder Planetenradsätzen miteinander verbunden sind. An die Welle des Antriebsmotors, welche zum Getriebe führt ist, koaxial und parallel zu dieser ein Nebenaggregat wie z.B. Klimakompressor, Wasserpumpe o.ä. ange- bunden (vgl. Figur 1 ). Es ist aber auch eine Anbindung z.B. mittels Riemen möglich, wobei eine der Antriebsscheiben koaxial angebunden ist und der Zugmitteltrieb achs- parallel zur E-Motorenwelle angeordnet ist (Figur 2). Falls erforderlich, kann der Rie- mentrieb mit konventionellen Umlenk- und/oder Spannrollen ausgestattet sein. Die Anbindung des Aggregats an die Motorenwelle hat den Vorteil, dass die Momenten- übertragung von E-Motor zu Aggregat über einen kurzen Weg erfolgt und so Verluste reduziert werden. Zumindest das/die Nebenaggregat(e), wahlweise auch die E- Maschine, sind dabei außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet. Dies ermöglicht die Verwendung von bereits aus dem konventionellen FEAD („Front End Accessory Drive“) bekannten Nebenaggregaten ohne die Notwendigkeit, diese z.B. hinsichtlich Ölverträglichkeit zu modifizieren und abzudichten. Gleichzeitig kann die Anbindung über konventionelle Keilrippen- oder Zahnriemen und dazugehörige Spannsysteme / Umlenkrollen erfolgen. Diese Variante stellt hinsichtlich Reibleistungsverlusten eine besonders günstige Lösung im Bereich der Umschlingungsgetriebe dar und bietet aufgrund der Elastizität der Riemen einen gewissen entkoppelnden Effekt verglichen mit Ketten- oder Zahnradantrieb.
Das Nebenaggregat ist koaxial über ein Schaltelement mit der Motorwelle lösbar ver- bunden. Das Schaltelement kann sowohl aktiv, z.B. Magnetkupplung, als auch passiv, z.B. Freilauf, koppelbar oder lösbar sein. Gleichzeitig ermöglicht dieses eine Schalt- element die Entkopplung des E-Motors und des Aggregats, unabhängig voneinander oder auch gleichzeitig, vom Getriebe und damit vom Antriebsstrang des Fahrzeuges. Durch diese Funktionsintegration wird die Anzahl der Bauteile auf ein Minimum redu- ziert. Das Schaltelement kann konstante oder variable Über-/Untersetzungsstufen enthalten, wie z.B. einen Planetenradsatz. Das Schaltelement kann gleichzeitig dämp- fende oder entkoppelnde Wirkung auf Antriebsstrang und/oder Aggregate haben, z.B. mittels eines Feder-Dämpfer-Elements ähnlich einem ZMS. Das Schaltelement kann z.B. auch in einem Zahnrad einer Getriebestufe integriert sein. Das koaxial angebun- dene Nebenaggregat kann ebenfalls mit weiteren Nebenaggregaten, z.B. mittels Ket- ten- oder Zahnriementrieb, verbunden sein (Figur 3). Dabei können alle angebunde- nen Nebenaggregate an ihrer Antriebswelle zusätzlich ein weiteres Kupplungs- und/oder Dämpf- und/oder Entkopplungselement besitzen. Damit wird ein individueller Betrieb jedes einzelnen Aggregats abhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs und abhängig von den anderen Elementen ermöglicht. Gleichzeitig kann das Aggregat von Drehschwingungen des Antriebsstranges entkoppelt werden, was einen gleichmäßi- geren und effizienteren Betrieb gewährleistet und/oder mögliche negative Auswirkun- gen des Anschaltvorganges auf den Triebstrang und damit indirekt auf das Fahrzeug vermeidet.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromechanische Antriebsanordnung mit:
- einem elektromechanischen Hauptantriebsmotor (E), der einen Rotor (ER) und ei- nen Stator (ES) umfasst,
- einer Reduktionsgetriebeeinrichtung (G), die einen Getriebeeingang (GE), einen Ge- triebeausgang (GA), wenigstens eine Reduktionsstufe (GR) und ein Getriebegehäuse (GH) umfasst, welches die Reduktionsstufe (GR) beherbergt,
- einem Achsdifferentialgetriebe (AD) zur Verzweigung der am Ausgang der Redukti- onsgetriebeeinrichtung (G) anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Radantriebsstrangabschnitt (DL, DR) und
- einem Nebenaggregat (AUX1 ), das über den Hauptantriebsmotor (E) antreibbar ist, wobei
- das Nebenaggregat (AUX1 ) außerhalb des Getriebegehäuses (GH) angeordnet ist,
- in dem Getriebegehäuse (GH) ein Schaltelement (SE) vorgesehen ist,
- das Schaltelement (SE) derart ausgebildet und in die Antriebsanordnung eingebun- den ist, dass über dieses eine Koppelwirkung (S1 ) zwischen dem Rotor (ER) und dem Achsdifferentialgetriebe (AD) schaltbar einstellbar und aufhebbar ist und dabei das Nebenaggregat (AUX1 ) über den Rotor (ER) antreibbar ist, wenn die Koppelwirkung (S1 ) zwischen dem Rotor (ER) und dem Achsdifferentialgetriebe (AD) aufgehoben ist.
2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenag- gregat (AUX1 ) eine Eingangswelle (E1 ) aufweist und diese Eingangswelle (E1 ) zur Umlaufachse (X) des Rotors (ER) des Elektromotors (E) parallel versetzt angeordnet ist.
3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenag- gregat (AUX1 ) eine Eingangswelle (E1 ) aufweist und diese Eingangswelle (E1 ) zur Umlaufachse (X) des Rotors (ER) des Elektromotors (E) gleichachsig angeordnet ist.
4. Antriebsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Antriebsanordnung zwei Nebenaggregate (AUX1 , AUX2) um- fasst und hierbei eines der Nebenaggregate (AUX1 ) mit seiner Eingangswelle (E1 ) zur Umlaufachse (X) des Rotors (ER) gleichachsig und das zweite Nebenaggregat (AUX2) zu dieser Umlaufachse (X) parallel versetzt angeordnet ist.
5. Antriebsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Schaltelement (SE) zwischen dem Elektromotor (E) und der Reduktionsstufe (GR) angeordnet ist.
6. Antriebsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Schaltelement (SE) in die Reduktionsstufe (GR) eingebunden ist.
7. Antriebsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Reduktionsstufe (RG) als Stirnradstufe ausgebildet ist.
8. Antriebsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Nebenaggregat (AUX1 , AUX2) über einen außerhalb des Ge- triebegehäuses (GH) verlaufenden Umschlingungstrieb angetrieben wird.
9. Antriebsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Antriebsanordnung eine Freilaufeinrichtung umfasst und dass diese Freilaufeinrichtung es gestattet, dass im Schubbetrieb des Fahrzeuges die Ein- gangswelle (E1 ) des Nebenaggregats (AUX1 ) durch die aus dem Achsdifferentialge- triebe (AD) abgreifbare Energie getrieben wird und dabei die Rotorwelle (RS) überholt.
10. Antriebsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Schaltelement (SE) als formschlüssig oder reibschlüssig koppelndes Schaltelement ausgebildet ist, und/oder dass die Getriebeeinrichtung als mehrstufig schaltbare Getriebeeinrichtung ausgebildet ist, und dass die Antriebsan- ordnung eine rein elektrische Antriebsanordnung ist.
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